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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines 3D-gedruckten Werkzeugs sowie ein solches 3D-gedrucktes Werkzeug und die Verwendung eines solchen 3D-gedruckten Werkzeugs.
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Bei der Herstellung von Bauteilen wie etwa Kunststoffbauteilen, welche beispielsweise im Spritzgussverfahren hergestellt werden, besteht hinsichtlich der Werkzeugtemperatur ein Zielkonflikt zwischen der erzielbaren Oberflächenqualität (Glanz, Bindenähte), dünner Wandstärken und der notwendigen Taktzeit. Für eine gute Oberflächenqualität, zur Vermeidung von Bindenähten und für dünnwandige Bauteile müsste die Werkzeugtemperatur möglichst hoch, beispielsweise gerade unterhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffes, sein. Dies würde aber zu langen benötigten Abkühlzeiten bis zur Entnahme des Werkstücks aus dem Werkzeug führen. Eine niedrige Werkzeugtemperatur sorgt zwar für hohe Abkühlraten und damit kurzen Abkühlzeiten, verschlechtert neben der Abformqualität der Oberfläche allerdings dadurch auch die Fließfähigkeit des Kunststoffs im Werkzeug, wodurch dünnwandige Bauteile nicht mehr herzustellen sind und die Einspritz-, Nach- und Werkzeugschließdrücke beim Spritzgießen deutlich erhöht werden müssen. Bei einem idealen Spritzgussprozess wäre also die Werkzeugoberfläche beim Einspritzen des schmelzflüssigen Kunststoffs möglichst heiß, beispielsweise im Bereich der Schmelztemperatur des Kunststoffs, und würde nach erfolgter Formfüllung sofort schlagartig erkalten, um eine schnelle Abkühlung zu gewährleisten.
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Der Problemstellung der unterschiedlichen Werkzeug-Idealtemperaturen für die Einspritz- und Abkühlphasen beim Spritzgießen wird mit der so genannten Variotherm-Technik begegnet. Die Vorteile einer solchen variothermen Prozessführung liegen beispielsweise in dem Ermöglichen von Hochglanzoberflächen. Auch können somit Bindenähte verhindert werden. Zudem ist es möglich, dünnwandige Bauteile hervorzubringen. Es können dabei niedrige Schließdrücke verwendet werden. Bei der Variotherm-Technik wird über verschiedene Temperiertechnologien die Temperatur der Werkzeugoberfläche während eines Spritzgusszyklus variiert. Insgesamt lassen sich drei eingesetzte Temperiertechnologien unterscheiden: Zum einen ist gemäß dem Stand der Technik die medienbasierte Temperierung bekannt. Bei der medienbasierten Temperierung wird ein Temperiermedium, zum Beispiel Wasser oder Öl, durch ein Kanalsystem möglichst nah an der Werkzeugoberfläche geführt. Für eine variotherme Prozessführung werden entweder zwei Medien mit unterschiedlichen Temperaturen nacheinander durch die gleichen Kanäle geführt oder es existieren zwei getrennte Temperierkreise, die abwechselnd mit dem heißen beziehungsweise kalten Medium durchströmt werden. Als nachteilig an der medienbasierten Temperierung könnte angesehen werden, dass die Temperierkanäle bei gängigen, zerspanenden Werkzeugfertigungsmethoden nur bedingt oberflächennah eingebracht werden können. Auch besteht für die Temperierkanäle ein Zielkonflikt hinsichtlich der Dimensionierung zwischen einer großen Oberfläche zum Wärmetausch durch viele, sehr fein verästelte Kanäle und der Herstellbarkeit und der Durchströmbarkeit durch wenige, gradlinig gebohrte Kanäle mit großem Durchmesser. Selbst bei einer ganzen oder teilweisen Herstellung des Werkzeugs im 3D-Druck stellen Temperierkanäle eine mechanische Schwachstelle gegenüber der Druckbeaufschlagung durch die Kunststoffschmelze dar. Sie können daher nur bedingt oberflächennah geführt werden. Zudem erfordert die Durchströmung des gleichen Kanalsystems abwechselnd mit einem heißen und kalten Medium eine aufwändige Ventiltechnik. Andererseits muss das in dem jeweils anderen Kanalsystem verbleibende Medium bei der Verwendung zweier Kanalsysteme bei jedem Zyklus mitgekühlt/-geheizt werden. Allgemein weist zudem die medienbasierte Temperierung energetisch einen schlechten Wirkungsgrad auf und ist daher sehr kostenintensiv.
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Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik ein Konzept bekannt, wobei eine induktive Erwärmung der Oberfläche eingesetzt wird. Bei der variothermen Temperierung durch induktive Erwärmung wird das Formwerkzeug insgesamt durch die Verwendung eines Temperiermediums auf einer relativ niedrigen Grundtemperatur gehalten. Zu Beginn des Spritzgusszyklus wird dann ein Induktionskopf in das noch geöffnete Werkzeug gefahren und setzt die Werkzeugoberfläche einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld aus. Dies induziert Wirbelströme in der Werkzeugoberfläche, wodurch sich diese erwärmt. Nach der Erwärmung wird das Werkzeug geschlossen und der schmelzflüssige Kunststoff eingespritzt. Durch die geringere Temperatur des Werkzeuggrundkörpers kühlt die Werkzeugoberfläche relativ schnell mit der eingespritzten Kunststoffschmelze ab. Als nachteilig an der induktiven Erwärmung könnte angesehen werden, dass sie einige Zeit am geöffneten Werkzeug erfordert und sich daher negativ auf die Taktzeit auswirkt. Dabei muss die Werkzeugoberfläche „überhitzt“ werden, da die Abkühlung schon beim Schließen des Werkzeugs und somit vor dem Einströmen der Kunststoffschmelze beginnt. Eine großflächige, gleichmäßige Erwärmung ist nicht möglich. Bei sehr komplexen Werkzeuggeometrien lassen sich bestimmte Bereiche des Werkzeugs nicht induktiv erwärmen.
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Auch ist aus dem Stand der Technik das Konzept der widerstandselektrischen Erwärmung bekannt. Die widerstandselektrische Erwärmung stellt prinzipiell die energieeffizienteste Möglichkeit der Temperierung dar, da sie einen Wirkungsgrad von 1 aufweist. Analog zur induktiven Erwärmung wird der Werkzeuggrundkörper durch ein Temperiermedium auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten. Vor dem Einspritzen der Kunststoffschmelze wird die Werkzeugoberfläche widerstandselektrisch erwärmt. Hierfür bekannte Lösungen sehen die Verwendung eines Schichtsystems auf einem zuvor fertiggestellten Werkzeugkörper vor. Das Schichtsystem weist eine elektrisch leitfähige Schicht für die Widerstandserwärmung und eine Isolierschicht zum metallischen Werkzeuggrundkörper auf. Als nachteilig an der widerstandselektrischen Erwärmung könnte angesehen werden, dass bedingt durch den Beschichtungsprozess sich bei komplexen Werkzeuggeometrien nicht alle Bereiche des Werkzeugs erreichen lassen. Die Beschichtung erfordert eine aufwändige Kontaktierung der Schichten zur Einleitung des elektrischen Stroms. Dabei wirken sich selbst nur geringe Schwankungen in der Schichtdicke der leitfähigen Schicht auf den spezifischen Widerstand und somit die lokale Erwärmung aus.
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Aus der
EP 2 720 844 B1 ist eine beheizbare Vorrichtung sowie eine Verwendung der Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhitzung eines Mediums als bekannt zu entnehmen. Dabei ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, welche eine elektrisch und/oder thermisch leitfähige Zubereitung aufweist. Auch ist die Zubereitung auf wenigstens einer Oberfläche der Vorrichtung selbst in Form einer Beschichtung vorgesehen. Auch kann die Zubereitung in der Vorrichtung angeordnet oder ausgebildet sein. Aus der Beschreibung ist zudem zu entnehmen, dass während des Herstellungs- und Verarbeitungsprozesses der Zubereitung bei einem oder mehreren Prozessschritten diese Zubereitung im flüssigen Zustand sein kann, beispielsweise während eines Mischvorgangs mit anderen Komponenten oder während der Applizierung. Ziel ist es dabei, dass die leitfähige Zubereitung innig mit der beheizbaren Vorrichtung verbunden wird. In verschiedenen, getrennt voneinander zu betrachtenden Ausführungsformen wird dann betont, wie so eine Beschichtung mittels eines hohen Stroms aktiviert werden kann, um die Vorrichtung zu erhitzen. Durch die einmal festgelegte Verortung der Zubereitung ist die Verwendung auf den damit verbundenen Effekt festgelegt. Ein Austausch der Zubereitung ist nicht vorgesehen. Auch ist nicht vorgesehen, dass die Zubereitung in einer späteren Verwendung der Vorrichtung selbst noch flüssig ist. Eine Isolierung hin zu der Vorrichtung ist ebenso nicht vorgesehen, so dass im Falle der Beaufschlagung der Zubereitung mit hohen Strömen die Vorrichtung ebenfalls mit hohen Strömen beaufschlagt werden könnte. Insofern ist dieser Stand der Technik zwar eine besondere Ausführungsform im Sinne der widerstandselektrischen Erwärmung, überkommt aber die zuvor genannten Nachteile nur bedingt.
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Aus der
DE 27 34 346 ist eine Press-Spritzgieß- beziehungsweise Spritzpressform sowie ein Verfahren zur Herstellung plattenförmiger Informationsträger offenbart. Dabei weist die Press-Spritzgieß- beziehungsweise Spritzpressform ein mit Dampf und Wasser gespeistes Kanalsystem zum Heizen und Kühlen auf. Ferner ist ein zweites Heizsystem vorgesehen, welches ein elektrisches Heizsystem ist. Das zweite Heizsystem soll das erste Heizsystem unterstützen, so dass mittels einer einfachen Nachrüstung mit diesem zweiten Heizsystem die Anwendungsgebiete erweitert werden können. Das elektrische Heizsystem ist dabei nicht innenliegend in den Kanälen vorgesehen. Auch dieser Stand der Technik kann zwar im weitesten Sinne als eine besondere Ausführungsform im Sinne der widerstandselektrischen Erwärmung angesehen werden, überkommt aber die zuvor genannten Nachteile nur bedingt.
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Aus der
WO 2012/077925 A2 ist eine Spritzgussform als bekannt zu entnehmen. Diese umfasst ein erstes Formteil, welches mit einer ersten Formoberfläche versehen ist, und ein zweites Formteil, welches mit einer zweiten Formoberfläche versehen ist. Zusammen mit der ersten Formoberfläche wird somit ein Hohlraum gebildet. Kühlkanäle, entlang denen ein Kühlfluid strömt, sind in wenigstens einem von dem ersten Formteil und dem zweiten Formteil vorgesehen, und eine Wärmeerzeugungsschicht, die Energie aufnimmt und dann Wärme erzeugt, ist an den Innenflächen der Kühlkanäle angeordnet und dient als eine Heizung. Auch mit dieser Vorrichtung werden die zuvor genannten Nachteile nur bedingt überkommen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines 3D-gedruckten Werkzeugs sowie ein solches 3D-gedrucktes Werkzeug und die Verwendung eines solchen 3D-gedruckten Werkzeugs bereitzustellen, welche die zuvor genannten Nachteile überkommt und kostengünstig herzustellen ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines 3D-gedruckten Werkzeugs für die Verwendung in variothermen Prozessen bereitgestellt wird. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: Herstellen eines Grundkörpers mittels eines 3D-Druckverfahrens, welcher zumindest einen Hohlraum aufweist, wobei in dem zumindest einen Hohlraum zumindest ein elektrisch leitfähiges Heizelement und zumindest ein austauschbares Funktionselement vorgesehen wird. Dabei umgibt das zumindest eine austauschbare Funktionselement das zumindest eine Heizelement vollständig und ist ausgelegt, in thermoaktiver Wechselwirkung sowohl mit dem zumindest einen Heizelement als auch mit dem Grundkörper zu stehen. Auf diese Weise kann ein Werkzeug geschaffen werden, welches beispielsweise während einer Heizphase mittels widerstandselektrisch erzeugter Wärme des Heizelements und dann über das Funktionselement aufgeheizt wird. Dies kann besonders schnell und effizient geschehen. Die Anzahl der Heizelemente ist nicht nennenswert beschränkt. Das Heizelement kann beispielsweise ein Heizdraht sein. Ein ausgetauschtes Funktionselement kann dann anschließend an eine Heizphase entsprechend thermisch gegenwirken, indem sowohl das Heizelement als auch der Grundkörper entsprechend durch das Funktionselement gekühlt werden. Das zumindest eine Heizelement kann beispielsweise mittig in dem zumindest einen Hohlraum angeordnet sein. Der zumindest eine Hohlraum kann beispielsweis eine kanalförmige Form aufweisen oder als Kanal ausgebildet sein. Das elektrische Heizelement ist also so ausgelegt aufgrund des vorgestellten Verfahrens, so dass ein Werkzeug geschaffen wird, welches widerstandselektrisch aufheizbar ist. Da das Funktionselement das Heizelement vollständig umgibt, kann die auftretenden Wärme aufgenommen und an den Grundkörper übertragen werden. Dabei wird mittels des Verfahrens das Funktionselement und das Werkzeug derartig ausgebildet, dass das Funktionselement während einer Heizphase im Wesentlichen fest verortet ist und während einer Kühlphase aufgrund der Austauschbarkeit bewegbar ist. Es kann beispielsweise mit dem vorgestellten Verfahren ein Formwerkzeug geschaffen werden. Beispielsweise kann so ein Formwerkzeug geschaffen werden, welches im oberflächennahen Bereich ein Kanalsystem aus den Hohlräumen aufweist, wobei die Hohlräume miteinander verbunden sind und entsprechend in dem Grundkörper fein verteilt sind. Dabei befinden sich dann in den einzelnen Hohlräumen entsprechend die Heizelemente, welche zum Beispiel als Heizdrähte ausgebildet werden können und welche entsprechend mit dem Funktionselement umgeben sind. Durch die widerstandselektrische Erwärmung werden hohe Aufheizraten mit einem hohen energetischen Wirkungsgrad ermöglicht. Somit wird ein Verfahren vorgestellt, mit welchem ein Werkzeug geschaffen werden kann, welches mittels widerstandselektrischer Erwärmung aufgeheizt werden kann. Widerstandselektrische Erwärmung ermöglicht extrem hohe Aufheizraten mit sehr gutem energetischen Wirkungsgrad. Aufgrund der Austauschbarkeit der Funktionselemente und der damit gegebenen Möglichkeit zu kühlen, sind außerdem schnelle Abkühlraten erzielbar. Es kann mittels des Verfahrens also ein Werkzeug mit sehr komplexen Geometrien dargestellt werden.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zumindest eine austauschbare Funktionselement eine Flüssigkeit ist. Somit ist der Austauschvorgang besonders schnell, so dass ein besonders effizientes Werkzeug geschaffen werden kann. Ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen Lösungen besteht in der Nutzung widerstandselektrisch erzeugter Wärme in der Heizphase in Kombination mit der Nutzung einer Flüssigkeit, welche gleichzeitig für eine Wärmeübertragung als auch einem Wärmeabtransport dient. Eine weitere Besonderheit ist eine intermittierende Fluidzirkulation, bei der nur in der Kühlphase ein Flüssigkeitstransport stattfindet. Es wird also mit dem Verfahren ein Werkzeug geschaffen, bei welchem, wenn der Stromfluss an ist, die Fluidzirkulation aus ist. Dies kann als Heizphase bezeichnet werden. Hingegen, wenn der Stromfluss aus ist, ist die Fluidzirkulation an. Dies kann als Kühlphase bezeichnet werden. Die Flüssigkeit kann auch als Wärmeleitflüssigkeit bezeichnet werden.
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Auch ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Flüssigkeit eine Isolationsflüssigkeit ist. Somit kann über die elektrisch isolierende aber gleichzeitig wärmeleitende Flüssigkeit widerstandselektrisch erzeugte Wärme des Heizelementes während einer Heizphase an eine Werkzeugoberfläche übertragen werden und in der Kühlphase kann ein Abtransport der erwärmten Isolationsflüssigkeit im Austausch mit noch kühler Isolationsflüssigkeit stattfinden. Hierdurch kann also mittels des vorgestellten Verfahrens ein Werkzeug geschaffen werden, mit dem zum einen eine sehr schnelle Abkühlung mit nur einem Kühlkreislauf und zum anderen die Einstellung lokal unterschiedlicher Temperaturen in der Heizphase auch bei beispielsweise komplexen Kavitätskonturen möglich ist. Die Isolationsflüssigkeit dient also zum einen als elektrischer Isolator des Heizelements beziehungsweise des Heizdrahts gegenüber dem Werkzeuggrundkörper zum anderen als Transportmedium der erzeugten Wärme zur Werkzeugoberfläche. Die elektrische Isolationsflüssigkeit, welche in der Aufheizphase nicht zirkuliert, weist eine deutlich bessere Wärmeleistung als keramische Isolationsmaterialien auf. In der Kühlphase zirkuliert die Isolationsflüssigkeit. Die erwärmte Flüssigkeit wird also abtransportiert und gegen kühle Isolationsflüssigkeit ausgetauscht. Auf diese Weise sind hohe Abkühlraten möglich, da das elektrische Isolationsmaterial mit seiner Wärmekapazität nicht bei jedem Zyklus mitgekühlt werden muss. Eine weitere Temperierung des Werkzeuggrundkörpers ist nicht notwendig, da mit diesem Ansatz direkt die Werkzeugoberfläche temperiert wird. Mittels des Verfahrens lässt sich somit kostengünstig ein Werkzeug schaffen, welches während der Verwendung sehr effizient ist. Durch das Zusammenspiel der kurzzeitigen widerstandselektrischen Erwärmung der Werkzeugoberfläche und der raschen Abkühlung durch den Austausch der Isolationsflüssigkeit ist eine hochdynamische variotherme Prozessführung beispielsweise beim Spritzgießen oder anderen variothermen Prozessen erzielbar. Ein wesentlicher Unterschied besteht in der Nutzung widerstandselektrisch erzeugter Wärme in der Heizphase in Kombination mit der Nutzung einer Flüssigkeit, welche gleichzeitig der elektrischen Isolierung als auch der Wärmeübertragung beziehungsweise dem Wärmeabtransport dient. In diesem Fall wird beispielsweise aufgrund der sehr guten elektrischen Isolationseigenschaften bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit bevorzugt das Produkt „Novec“ der Firma 3M eingesetzt.
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Ferner ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Grundkörper aus einem metallischen Material aufgebaut wird. Auf diese Weise kann ein besonders robustes Werkzeug geschaffen werden. In einer bevorzugten Variante wird ein metallisches Formwerkzeug mit entsprechenden oberflächennahen Hohlräumen beziehungsweise Kanälen durch 3D-Druck, zum Beispiel SLM oder Metall-FDM, mittels des vorgestellten Verfahrens hergestellt.
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Zudem ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das zumindest eine elektrische Heizelement eine äußere Isolierschicht aufweist. Auf diese Weise können auch Flüssigkeiten vorgesehen werden, welche keine Isolationseigenschaften aufweisen.
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Auch ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der zumindest eine Hohlraum oberflächennah in den Grundkörper, das zumindest eine elektrische Heizelement und zumindest ein isolierendes Abstandselement mittels Multimaterial-3D-Druck ausgebildet werden, wobei das zumindest eine Abstandselement zwischen dem zumindest einen elektrischen Heizelement und dem Grundkörper angeordnet wird. Der Multimaterial-3D-Druck stellt die flexibelste Möglichkeit dar, um auch bei komplexen Kavitätskonturen oberflächennahe Hohlräume beziehungsweise Kanäle, Heizelemente beziehungsweise Heizleiter und isolierende Abstandselemente beziehungsweise isolierende Stützstrukturen herzustellen. Ein beispielsweise nachträgliches Einbringen der Kanäle und/oder Heizleiter ist teilweise nur mit einem hohen Aufwand möglich beziehungsweise bedingt eine Beschränkung hinsichtlich der Kontur. Idealerweise werden beispielsweise die Heizdrähte direkt mit eingedruckt, was jedoch in gewissen Abständen Auflagerpunkte aus einem elektrisch isolierenden Material erfordert. Hierfür kann beispielsweise Multimaterial-3D-Druck eingesetzt werden.
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Zudem ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Grundkörper mittels 3D-Druck ausgebildet wird und der zumindest eine Hohlraum oberflächennah in dem Grundkörper mittels zerspanender Fertigungsmethoden ausgebildet wird und dass das zumindest eine elektrische Heizelement danach eingebracht wird und der zumindest eine Hohlraum nach dem Einbringen des zumindest einen elektrischen Heizelements verschlossen wird. Mit anderen Worten könnten die Kanäle und Heizdrähte auch im Nachhinein in einen bestehenden metallischen Grundkörper, zum Beispiel durch Fräsen oder Ätzen und anschließendes Wiederverschließen, eingebracht werden. Je nach Produktionskosten der einzelnen Verfahrensschritte kann somit ein besonders kostengünstiges Verfahren erzielt werden. Dabei könnte der Heizdraht also nachträglich in die Kanäle eingebracht werden und bereits eine dünne elektrische Isolierung aufweisen. In diesem Falle wäre die Funktion der Flüssigkeit auf die Wärmeübertragung und den Wärmeabtransport beschränkt.
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Des Weiteren ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass in dem Grundkörper wenigstens zwei Heizkreise vorgesehen werden, wobei in jedem Heizkreis jeweils zumindest ein separates Heizelement vorgesehen wird und wobei die jeweiligen separaten Heizelemente von einem gemeinsamen Funktionselement umgeben sind. Anders ausgedrückt weist somit beispielsweise das Formwerkzeug mehrere elektrische Heizkreise, aber nur einen Fluidkreislauf auf. Hierdurch ist in der Heizphase die Einstellung unterschiedlicher Temperaturen auf der Werkzeugoberfläche möglich, wobei für die Kühlphase lediglich ein Standard-Temperiergerät ohne aufwändige Ventiltechnik ausreichend ist. An den Stellen des Durchleitens des Heizdrahtes durch den Werkzeuggrundkörper, zum Beispiel zum elektrischen Kontaktieren, muss dieser mit einem elektrisch isolierenden Material eingedruckt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Heizkreise in dem 3D-gedruckten Werkzeug angeordnet werden, wobei sie getrennt voneinander aktivierbar sind. Es können somit mehrere Heizkreise mit nur einem Kühlkreis abgebildet werden. Somit kann auf kostengünstige Weise ein sehr effizientes Werkzeug geschaffen werden.
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Ferner ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein 3D-gedrucktes Werkzeug bereitgestellt wird, welches mit dem vorgestellten Verfahren hergestellt wird. Die zuvor bereits genannten Vorteile gelten ebenso direkt für das hervorgebrachte 3D-gedruckte Werkzeug, beispielsweise als Formwerkzeug.
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Schlussendlich ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Verwendung eines 3D-gedruckten Werkzeugs in einem Herstellungsprozess von Bauteilen mit einer variothermen Prozessführung stattfindet. Dabei kann das zumindest eine austauschbare Funktionselement während einer Präsenzphase in dem Werkzeug Heizwärme von dem zumindest einen elektrischen Heizelement an einen Grundkörper übertragen. Dabei wird während eines Austauschvorgangs des Funktionselements Wärmeenergie sowohl von dem zumindest einen elektrischen Heizelement als auch von dem Grundkörper durch das zumindest eine Funktionselement abgeführt.
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Prinzipiell sind mit dem vorgestellten Verfahren alle Werkzeuge, bei dem ein Prozess mit variothermen Betrieb von Vorteil ist, herstellbar. Denkbar sind weiterhin Anwendungen, bei denen ein System schnell vorgewärmt und anschließend einer Temperaturregelung unterworfen werden muss, zum Beispiel der Motortemperierung oder bei Antriebsbatteriegehäusen. Variotherme Werkzeugkonzepte lassen sich prinzipiell für alle Bauteile auch außerhalb der Automobilbranche einsetzen.
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Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1A eine schematische Schnittansicht eines 3D-gedruckten Werkzeugs während einer Heizphase;
- 1B eine schematische Schnittansicht eines 3D-gedruckten Werkzeugs während einer Kühlphase;
- 2 eine schematische Schnittansicht eines weiteren 3D-gedruckten Werkzeugs;
- 3 eine schematische Schnittansicht eines weiteren 3D-gedruckten Werkzeugs.
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1A zeigt eine schematische Schnittansicht eines 3D-gedruckten Werkzeugs 10. Das Werkzeug 10 umfasst dabei einen Grundkörper 12, in welchem ein Heizelement 14 in Form eines Heizdrahtes angeordnet ist. Das Heizelement 14 wird vollständig von einem Funktionselement, vorzugsweise einer isolierenden Flüssigkeit 16, umgeben, so dass das Heizelement 14 keinen direkten Kontakt mit dem Grundkörper 12 aufweist. Das Heizelement strahlt einen Wärmestrom 18 aus, welcher über die Flüssigkeit 16 letztendlich auch in dem Grundkörper 12 einwirkt. Das Werkzeug 10 weist ferner eine angeschlossene Spannungsquelle 20 auf, welche über Stromleitungen 22 mit dem Werkzeug 10 verbunden ist, so dass das Heizelement 14 widerstandselektrisch aufgeheizt werden kann. In dieser gezeigten Heizphase ist die Flüssigkeit 16 im Wesentlichen fest an einem Ort innerhalb eines Hohlraums 23 vorhanden. Dieser Hohlraum 23 kann auch als Kanal bezeichnet werden. Während der Heizphase ist ein Stromfluss an und eine Fluidzirkulation aus.
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1B zeigt eine schematische Schnittansicht des 3D-gedruckten Werkzeugs 10 von 1A, diesmal während einer Kühlphase. Das Werkzeug 10 umfasst dabei einen Grundkörper 12, in welchem ein Heizelement 14 in Form eines Heizdrahtes angeordnet ist. Das Heizelement 14 wird vollständig von einer isolierenden Flüssigkeit 16 umgeben, so dass das Heizelement 14 keinen direkten Kontakt mit dem Grundkörper 12 aufweist. Der Wärmestrom 18 verläuft in dieser Kühlphase von dem Grundkörper 12 ausgehend in Richtung des Hohlraums 23, wo der Wärmestrom 18 von der Flüssigkeit 16 aufgenommen wird. Da eine Fluidströmung 24 angelegt ist, wird der von der Flüssigkeit 16 aufgenommene Wärmestrom 18 von dem Grundkörper 12 weggeführt. Gleichzeitig geht auch ein nicht gezeigter Wärmestrom von dem Heizelement 14 über in die Flüssigkeit 16. Während der Kühlphase ist der Stromfluss aus und eine Fluidzirkulation an.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines weiteren 3D-gedruckten Werkzeugs 10.
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Das Werkzeug 10 umfasst dabei einen Grundkörper 12, in welchem ein Heizelement 14 in Form eines Heizdrahtes angeordnet ist. Das Heizelement 14 ist durch Abstandselemente 15 von dem Grundkörper 12 beabstandet. Die Abstandselemente 15 sind also zwischen Heizelement 14 und Grundkörper 12 angeordnet. Beispielsweise können diese Abstandselemente 15, welche auch als Isolierung beziehungsweise Auflagerpunkte bezeichnet werden können, mit in das Werkzeug 10 eingedruckt werden. Ferner weist das gezeigte Werkzeug 10 eine erste Heizzone HZ1 und eine zweite Heizzone HZ2 auf. Die Flüssigkeit 16 kann eine Fluidströmung 24 aufweisen, wobei wie in den zuvor beschriebenen Figuren eine Aktivierung der Fluidströmung 24 von der jeweiligen Phase abhängt. Das Heizelement 14 ist in der ersten Heizzone mit einer ersten Spannungsquelle 20a verbunden. Ein anderes Heizelement 14 ist in der zweiten Heizzone mit einer zweiten Spannungsquelle 20b verbunden. Dabei verlaufen jeweilige Stromleitungen 22 von der jeweiligen Spannungsquelle 20a, 20b hin zu dem jeweiligen Heizelement 14, so dass diese jeweils getrennt voneinander widerstandselektrisch aufgeheizt werden können. Das gezeigte Konzept kann als variothermes Temperierkonzept mit intermittierender Fluidströmung bezeichnet werden.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines weiteren 3D-gedruckten Werkzeugs 10.
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Das Werkzeug 10 umfasst dabei einen Grundkörper 12, in welchem ein Heizelement 14 in Form eines Heizdrahtes angeordnet ist. Das Heizelement 14 beziehungsweise der Heizdraht wird von einer Isolierschicht 26 umgeben. In diesem gezeigten Beispiel muss die Flüssigkeit 16 also keine isolierende Wirkung aufweisen, da das Heizelement 14 bereits die Isolierschicht 26 aufweist. Auch in diesem gezeigten Werkzeug 10 weist die Flüssigkeit 16 eine Fluidströmung 24 auf, wobei wie in den zuvor beschriebenen Figuren eine Aktivierung der Fluidströmung 24 von der jeweiligen Phase abhängt. Das Heizelement 14 ist über Stromleitungen 22 mit einer Spannungsquelle 20 verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Werkzeug
- 12
- Grundkörper
- 14
- Heizelement
- 15
- Abstandselement
- 16
- Flüssigkeit
- 18
- Wärmestrom
- 20
- Spannungsquelle
- 22
- Stromleitung
- 23
- Hohlraum
- 24
- Fluidströmung
- 26
- Isolierschicht
- HZ1
- erste Heizzone
- HZ2
- zweite Heizzone
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2720844 B1 [0006]
- DE 2734346 [0007]
- WO 2012/077925 A2 [0008]
