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Die Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren für ein formgebendes Werkzeugteil eines Presshärtwerkzeugs.
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Bei der Herstellung eines Blechformteils lassen sich unterschiedliche Verfahrensschritte unterscheiden. Ein Schritt betrifft die eigentliche Umformung eines Rohlings bzw. Halbzeugs zur gewünschten Form. Diese Umformung kann in einer oder in mehreren Stufen erfolgen, wobei bekanntermaßen eine Warmumformung oder eine Kaltumformung möglich ist. Abgesehen von der Einstellung einer bestimmten dreidimensionalen Form wird oftmals, insbesondere im Anschluss an eine Warmumformung, auch eine Einstellung der Gefügestruktur vorgenommen. Dabei wird das Werkstück aus einem erwärmten Zustand (bspw. oberhalb der Austenitisierungstemperatur) gemäß einem vorgesehenen Zeit-Temperatur-Verlauf abgekühlt. Hierzu sind je nach Art des Bauteils und der gewünschten Gefügestruktur unterschiedliche Methoden bekannt. Im Allgemeinen resultiert aus dem gezielten Abkühlen eine größere Härte, weshalb man auch von einem Härten oder Vergüten des Werkstücks spricht.
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Zum einen ist eine nachträgliche Vergütung möglich, bei der das Werkstück aus dem Umformwerkzeug genommen, ggf. nochmals erwärmt und schließlich abgekühlt (z.B. abgeschreckt) wird. Beim Presshärten bzw. Formhärten hingegen erfolgt die Härtung bzw. Vergütung innerhalb des Umformwerkzeugs, unmittelbar nach oder sogar während der Umformung. Um die notwendige Abkühlung des Werkstücks zu erreichen, muss das Umformwerkzeug effizient gekühlt werden. Dies geschieht üblicherweise über Kühlkanäle für ein flüssiges Kühlmittel (bspw. Wasser). Diese sollten dabei idealerweise in einem in etwa konstanten, nicht zu großen Abstand von der formgebenden Oberfläche verlaufen. Da der Verlauf der formgebenden Oberfläche allerdings im Allgemeinen komplex ist, lässt sich dies durch einfache Bohrungen nicht realisieren. Einerseits ist es möglich, das formgebende Werkzeugteil einstückig zu fertigen, wobei der Verlauf der Kühlkanäle im Allgemeinen suboptimal ist, was sich nachteilig auf den Härtungsvorgang und die Qualität des hergestellten Werkstücks auswirkt. Andererseits kann das Werkzeug Teil aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt werden, wobei die Kühlkanäle teilweise auch zwischen den Einzelteilen ausgebildet sind. Hierbei lassen sich zwar im Prinzip beliebige Verläufe eines Kühlkanals realisieren, durch die Bauweise mit mehreren Einzelteilen erhöht sich jedoch der Fertigungsaufwand und somit auch die Kosten. Ein weiteres Problem ist, dass die formgebende Oberfläche ebenso wie die Kühlkanäle normalerweise wenigstens zum Teil durch spanende Bearbeitung des Werkzeugteils hergestellt werden. Dies ist aufwändig und mit hohem Verschleiß verbunden, da das Werkzeugteil eine besonders hohe Härte aufweist, die notwendig ist, um den Belastungen beim Presshärten Stand zu halten.
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Die
US 6,354,361 B1 beschreibt die Herstellung einer Form, die bspw. beim Spritzgießen verwendet werden kann. Dabei werden mittels eines additiven Fertigungsverfahrens benachbart zur formgebenden Oberfläche Kühlkanäle in die Form integriert. Vorgesehen ist dabei, dass Metallpartikel (z.B. Stahl) zunächst durch ein selektiv aufgetragenes Bindemittel verklebt werden, wodurch die vorgesehene dreidimensionale Form entsteht. Nach Entfernen des überschüssigen Pulvers kann die Form bspw. gesintert werden oder das Bindemittel kann thermisch entfernt werden und die dabei entstehenden Zwischenräume werden mit einer Kupferlegierung gefüllt. Zur Reduzierung der Wärmeableitung kann ein Teil der Form eine durchbrochene Struktur aufweisen. Auch ist es möglich, dass lediglich eine der äußeren Oberfläche der Form entsprechende Schale additiv gefertigt wird und der Innenraum nachträglich bspw. mit Keramik oder Epoxid gefüllt wird.
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Die
US 2013/0255346 A1 beschreibt die additive Fertigung von Werkzeugteilen zur Blechumformung. Das Werkzeugteil wird schichtweise aus einem Polymer oder aus Metallpulver aufgebaut, wobei die Verbindung u.a. durch Lasersintern oder Elektronenstrahlschmelzen erfolgen kann. Sämtliche Ausführungsbeispiele zeigen massive Werkzeugteile.
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Die
DE 10 2005 041 460 A1 beschreibt ein Umformwerkzeugsystem, das insbesondere für die Blechverarbeitung in der Automobilindustrie geeignet ist. Dabei weist wenigstens ein Werkzeugteil eine formgebende Fläche auf, die durch eine Maske gebildet ist, die auf einer Hinterfütterung aufliegt. Es ist vorgesehen, dass unterschiedliche Masken wahlweise eingesetzt werden können. Die Hinterfütterung kann durch ein Metall-LOM-Verfahren hergestellt werden.
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Die
EP 2 982 463 A2 offenbart die Herstellung von Stanzblechen oder Stanzzylindern für eine Stanzvorrichtung durch einen 3D-Druckvorgang. Dabei kann entweder das gesamte Teil gedruckt werden oder es wird ein anderweitig vorgefertigter Grundkörper verwendet, auf den lediglich die Stanz- oder Schneidlinien aufgedruckt werden. Die Fertigung kann insbesondere durch selektives Laserschmelzen oder selektives Lasersintern erfolgen. Optional kann nach dem 3D-Druckvorgang ein Gravieren erfolgen, wodurch eventuell vorhandene Toleranzen ausgeglichen werden können.
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Die
US 2011/0156304 A1 beschreibt die Fertigung einer Form zur Herstellung großer Polymer-Komposit-Bauteile, die bspw. im Flugzeugbau verwendet werden. Dabei wird derjenige Teil der Form, an dem das zu fertigende Bauteil anliegt, durch additive Fertigung hergestellt.
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Die
WO 2008/009101 A1 offenbart ein Umformwerkzeug, mittels dessen ein erhitzter Blechrohling umgeformt werden kann. In das Umformwerkzeug sind nahe der formgebenden Oberfläche Kühlkanäle eingearbeitet, durch die ein Kühlmittel geleitet werden kann, um das Blech unmittelbar nach der Umformung direkt abzuschrecken. Dabei weist jede Hälfte der Werkzeugformen ein schalenartiges Außenteil auf, das die formgebende Oberfläche bildet, sowie einen separat gefertigten Einsatz, dessen Außenkontur im Wesentlichen mit der Innenkontur des Außenteils übereinstimmt. Dabei ist eine Reihe von Nuten in die Oberfläche des Einsatzes eingebracht, die zusammen mit der inneren Oberfläche des Außenteils die Kühlkanäle definieren.
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Die
DE 10 2014 221 423 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Warmumformwerkzeugs zum Presshärten. Dabei erfolgt zunächst ein schichtweises Herstellen mindestens eines Schalenelements des Warmumformwerkzeugs mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, wobei eine erste Außenfläche mit einer Kontur eine Wirkfläche des Warmumformwerkzeugs bildet und beim schichtweisen Herstellen mindestens ein kanalförmiger Hohlraum zwischen der ersten Außenfläche und einer zweiten Außenfläche in das Schalenelement mittels des generativen Fertigungsverfahrens eingebracht wird. Weiterhin erfolgt ein Hintergießen des Schalenelements zur Herstellung eines Grundkörpers des Warmumformwerkzeugs, wobei der Verbund aus dem mindestens einen Schalenelement und dem Grundkörper das Warmumformwerkzeug oder ein Segment des Warmumformwerkzeugs bildet.
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Die
DE 10 2007 054 723 A1 offenbart ein Formteil mit wenigstens einer Formfläche, die einen flächig gekühlten oder beheizten Bereich umfasst und dazu eine Anordnung von bereichsnah hinter der Formfläche angeordneten Kanälen zur Führung eines Kühl- oder Heizmediums aufweist. Der Bereich der Formfläche ist als ein wenigstens teilweise durch ein generatives Verfahren gesondert hergestellter, an eine nicht ebene Fläche des Formteils konturangepasster Formflächeneinsatz ausgebildet, der nach seiner Herstellung an einen Formkörper des Formteils dauerhaft oder abnehmbar einsetzbar ist. Als einzige Anwendung für das Formteil ist ein Kunststoff-Spritzgießverfahren genannt.
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Die
DE 10 2005 030 678 A1 betrifft prototypische, temperierbare Gieß- und Spritzgießwerkzeuge mit Werkzeugeinsätzen zur Herstellung von Kunststoffteilen. Dabei besteht der jeweilige Werkzeugeinsatz aus einer hinterfütterten Formschale oder aus zusammensetzbaren Elementen, in denen eine Kombination aus Elementen für eine bestimmte Temperaturführung des Werkzeugeinsatzes angeordnet sind. Derartige Elemente können auch Kanalstrukturen umfassen, die mit Temperaturmedien durchspült werden.
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Die
DE 197 04 700 C1 offenbart punktuell temperierbare Formen und Werkzeuge, insbesondere für die Kunststoffbearbeitung, bei denen die Temperierung mittels eines Temperiermediums erfolgt, das sich im Werkzeug bzw. in der Form befindet. Diese Formen und Werkzeuge weisen in ihrem Inneren eine arterielle Temperierstruktur in Gestalt eines arteriellen Gefäßsystems auf, das mit je einem Zu- und Ablauf gekoppelt ist, durch welche dann das jeweilige Temperiermedium zu- bzw. abgeführt wird.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die effiziente Fertigung eines Presshärtwerkzeugs, bzw. eines formgebenden Werkzeugteils desselben, noch Raum für Verbesserungen. Dabei wäre es insbesondere wünschenswert, sowohl Zeit als auch Kosten für die Herstellung zu minimieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effiziente Fertigung eines formgebenden Werkzeugteils für ein Presshärtwerkzeug zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein Fertigungsverfahren für ein formgebendes Werkzeugteil eines Presshärtwerkzeugs zur Verfügung gestellt. Als Presshärtwerkzeug wird in diesem Zusammenhang eine Vorrichtung bezeichnet, die sowohl eine Warmumformung eines metallischen Werkstücks, normalerweise eines Blechteils, zwischen zwei Formhälften durchführt, als auch eine gleichzeitig oder im Anschluss hieran erfolgende Härtung bzw. Vergütung. Letzteres bedingt, dass das Werkstück innerhalb des Presshärtwerkzeugs abgekühlt werden muss. Die beiden Formhälften können auch als Matrize und Patrize bezeichnet werden und schließen das Werkstück während der Umformung wenigstens teilweise zwischen sich ein. Hierfür wird wenigstens eine der beiden Formhälften in Richtung auf die andere Formhälfte verfahren. Die Härtung erfolgt, während das Werkstück zwischen den beiden Formhälften eingeschlossen ist. Das erfindungsgemäß gefertigte formgebende Werkzeugteil bildet dabei wenigstens einen Teil einer der Formhälften.
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Erfindungsgemäß wird zunächst mittels eines additiven Fertigungsverfahrens eine Vorform aus metallischem Material gefertigt. Ein derartiges Verfahren kann auch dem Bereich des Rapid Prototyping bzw. des Rapid Manufacturing zugeordnet werden. Der Begriff „Vorform“ bezieht sich auf das zu fertigende Werkzeugteil, bezüglich dessen die Vorform nicht den endgültigen Zustand, sondern eine Zwischenstufe repräsentiert. Die Fertigung der Vorform erfolgt dabei normalerweise, indem ein metallisches Pulver schichtweise aufgetragen und selektiv bereichsweise verbunden wird. Durch die Verbindung der einzelnen Schichten untereinander entsteht die dreidimensionale Vorform. Selbstverständlich erfolgt der Fertigungsprozess auf Basis vorgegebener Daten (z.B. CAM-Daten) des herzustellenden Objekts. Als metallisches Pulver wird hierbei jedes pulver- bzw. partikelförmige Material bezeichnet, das wenigstens ein Metall umfasst. Es kann sich auch um eine Legierung oder ein Gemisch aus Partikeln unterschiedlicher Metalle handeln. Das Pulver kann auch Halbmetalle oder Nichtmetalle enthalten, bspw. als Bestandteil einer Legierung. Als Metalle kommen u.a. Aluminium, Titan und Eisen infrage, ohne dass die Erfindung auf die genannten Metalle beschränkt sein soll. Entsprechend ist ein metallisches Material ein Material, das wenigstens ein Metall umfasst.
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Um die notwendige Festigkeit für das Werkzeugteil herzustellen, ist es bevorzugt, dass als additives Fertigungsverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) angewendet wird. Es kann auch ein Elektronenstrahlschmelzen (EBM) angewendet werden. Dabei wird ein metallisches Pulver schichtweise aufgetragen und selektiv entsprechend der vorgesehenen dreidimensionalen Form verschmolzen. Eine Auftragvorrichtung trägt jeweils eine Schicht mit einer Dicke bspw. zwischen 10 µm und 500 µm auf, allerdings sind auch andere Schichtdicken möglich. Um einen glatten und gleichmäßigen Schichtaufbau zu ermöglichen, kann die Auftragvorrichtung eine Glättvorrichtung, z.B. eine Rakel, Bürste oder Klinge umfassen, die parallel zur Aufbaufläche bewegt wird und die Oberfläche des Pulvers glättet. Das Auftragen erfolgt hierbei schichtweise auf einen Basiskörper (normalerweise eine Basisplatte), d.h. die erste Schicht wird unmittelbar auf den Basiskörper aufgetragen, wonach die weiteren Schichten sukzessive übereinander aufgetragen werden. Nach dem Auftragen einer jeweiligen Schicht wird das Pulver bereichsweise durch einen Laserstrahl (bei SLM) bzw. Elektronenstrahl (bei EBM) aufgeschmolzen und erstarrt anschließend. Auf diese Weise bildet sich aus dem Pulver ein zusammenhängender Festkörper. Gleichzeitig wird das Pulver der zuletzt hinzugefügten Schicht mit den Festkörperstrukturen der darunterliegenden Schicht oder mehrerer darunterliegende Schichten verschmolzen, wodurch ein Zusammenhalt der Schichten untereinander hergestellt wird. U.a. in Abhängigkeit von der Schichtdicke ist es möglich, dass das Material bis zu einer Tiefe aufgeschmolzen wird, die mehreren Schichtdicken entspricht.
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Der Basiskörper bildet nicht nur eine mechanische Unterlage für die Fertigung des Objekts, vielmehr kann ihm auch eine wichtige Funktion zur Ableitung von Wärme zukommen. Durch Wärmeableitung an den Basiskörper können eine übermäßige Aufheizung der Vorform und somit auch eine thermisch bedingte Verformung, bspw. ein Verbiegen, zumindest weitgehend verhindert werden. Normalerweise werden bei dem additiven Fertigungsverfahren auch Stützstrukturen erzeugt, die mit dem Basiskörper verbunden sind und ggf. später entfernt werden können. Sie können zum einen dazu dienen, die Vorform während der Fertigung zu stabilisieren, zum anderen können sie aber auch die thermische Verbindung zum Basiskörper verbessern, so dass Wärme besser abgeleitet werden kann. Außerdem können Sie zwischen dem Basiskörper und dem nutzbaren Anteil der Vorform angeordnet sein, so dass letzterer nur indirekt über die Stützstrukturen mit dem Basiskörper verbunden ist. Hierdurch ist es einfacher möglich, den nutzbaren Teil der Vorform beschädigungsfrei von der Grundplatte zu trennen. Derartige Stützstrukturen können z.B. die Form von Stützen, Stelzen, Stegen oder Ähnlichem haben. Sie können auch eine durchbrochene, bspw. gitter-, netz- oder wabenartige Struktur aufweisen.
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Alternativ oder ergänzend zu SLM oder EBM können auch andere Fertigungsverfahren wie bspw. selektives Lasersintern (SLS) angewendet werden.
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Die gefertigte Vorform weist eine Außenwandung auf, die wenigstens bereichsweise einer formgebenden Arbeitsfläche des Werkzeugteils entspricht, wenigstens eine zur Außenwandung benachbarte Kanalwandung eines Kühlkanals, sowie wenigstens eine Aussparung, die wenigstens überwiegend weiter von der Außenwandung entfernt ist als die Kanalwandung. Die Außenwandung entspricht dabei einem äußeren Bereich des zu fertigenden Werkzeugteils. Ein Bereich der Außenwandung entspricht dabei der formgebenden Arbeitsfläche des Werkzeugteils. Die Arbeitsfläche ist dabei derjenige Teil der Oberfläche des Werkzeugteils, der bei dem Presshärten mit dem Werkstück in Kontakt kommt und somit die Formgebung bestimmt bzw. mitbestimmt. Andere Teile der Außenwanderung können sich dabei direkt oder indirekt an die Arbeitsfläche anschließen. Die Außenwandung kann insbesondere schalenartig ausgebildet sein.
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Neben der Außenwandung weist die Vorform eine Kanalwandung eines Kühlkanals auf. Ein solcher Kühlkanal ist dazu vorgesehen, im Rahmen des Presshärtens ein Kühlmittel (beispielsweise Wasser oder Mischungen damit) zu leiten. Selbstverständlich können auch mehrere Kühlkanäle vorgesehen sein. Über den wenigstens einen Kühlkanal wird primär der Bereich der Arbeitsfläche und somit sekundär auch das mit diesem in Kontakt stehende Werkstück gekühlt. Um die notwendige Kühlung zu realisieren, muss der Kühlkanal wenigstens abschnittsweise benachbart zur Außenwandung, insbesondere benachbart zur Arbeitsfläche, verlaufen. Dabei ist es möglich, dass ein Teil der Außenwandung zusammen mit der Kanalwandung den Kühlkanal definiert. Die Kanalwandung kann von der Außenwandung abgesetzt sein oder beide Wandungen können Teil einer Materialschicht sein, in welcher der wenigstens eine Kühlkanal verläuft. Alternativ ist auch denkbar, dass die Kanalwandung benachbart zur Außenwandung, allerdings im Abstand zu dieser verläuft. In diesem Fall muss die Kanalwandung wenigstens abschnittsweise über einen oder mehrere Verbindungsstege mit der Außenwandung verbunden sein.
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Weiterhin weist die Vorform eine Aussparung auf, die wenigstens überwiegend weiter von der Außenwandung entfernt ist als die Kanalwandung. Dies bedeutet, dass ein überwiegender Anteil (also mehr als die Hälfte) der Aussparung weiter von der Außenwandung entfernt ist als die Kanalwandung. Man könnte auch davon sprechen, dass die Aussparung von der Außenwandung aus gesehen jenseits der Kanalwandung angeordnet ist. Während die Kanalwandung also benachbart zur Außenwandung angeordnet ist, ist wenigstens ein überwiegender Teil der Aussparung weiter entfernt. Dies schließt nicht aus, dass Teile der Aussparung ebenfalls benachbart zur Kanalwandung angeordnet sind. Die wenigstens eine Aussparung entspricht dabei einem Bereich, in dem bei dem additiven Fertigungsverfahren kein zusammenhängender Körper erzeugt wird, also im Falle von SLM oder EBM kein Aufschmelzen des Pulvers erfolgt. In diesem Fall bleibt die Aussparung bis zum Abschluss der additiven Fertigung mit Pulver gefüllt, das nachträglich entfernt werden kann. Nach Entfernen des Pulvers bildet eine solche Aussparung einen leeren Raum, der normalerweise teilweise von der Außenwandung eingeschlossen ist. Es ist ausdrücklich möglich, dass mehrere derartige Aussparungen vorhanden sind. Ebenso können innerhalb einer Aussparung feste Strukturen vorhanden sein, bspw. oben erwähnte Stützstrukturen oder Verbindungsstege zwischen einer Kanalwandung und der Außenwandung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere im Zusammenhang mit modular aufgebauten Presshärtwerkzeugen angewendet werden, wobei das hergestellte Werkzeugteil ein Modul darstellt, das vergleichsweise einfach ausgetauscht werden kann, je nachdem, welche Art von Formgebung gewünscht ist. Für diesen Fall werden erfindungsgemäß an dem Werkzeugteil mittels des additiven Fertigungsverfahrens Strukturen zur Verbindung mit einem Basisteil des Presshärtwerkzeugs hergestellt. Das Basisteil stellt hierbei einen Teil des Presshärtwerkzeugs dar, der dazu bestimmt ist, dauerhaft mit diesem verbaut zu sein. Das Basisteil kann stationär oder verfahrbar sein. In jedem Fall ist es dazu vorgesehen, dass wahlweise unterschiedliche Werkzeugteile auf ihm montiert werden können, normalerweise durch Verschrauben. In diesem Fall können die Strukturen Löcher sein, durch die Schrauben hindurchgeführt werden können.
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Nachdem die Vorform mittels des additiven Fertigungsverfahrens fertiggestellt wurde, wird erfindungsgemäß die wenigstens eine Aussparung mit flüssigem Metall ausgegossen, welches anschließend aushärtet und einen Teil des Werkzeugteils bildet. Die Vorform bildet dabei gewissermaßen ein Gefäß für das flüssige Metall. Bevorzugt wird die Aussparung wenigstens überwiegend oder vollständig mit Metall gefüllt. Nach der Aushärtung des Metalls sind also die an die Aussparung angrenzenden Teile der Vorform stoffschlüssig oder wenigstens formschlüssig durch das eingegossene Metall miteinander verbunden. Als Metalle können hierbei bspw. Stahl oder Gusseisen verwendet werden. Es können grundsätzlich auch Legierungen verwendet werden, die ggf. Halbmetalle oder Nichtmetalle enthalten. Insofern könnte man statt von einem flüssigem Metall auch von einem flüssigen metallischen Material sprechen. Das Ausgießen erfolgt bevorzugt während die Vorform in einem mit Sand (oder anderem temperaturbeständigen Material) gefüllten Behälter liegt. Vor dem Eingießen des flüssigen Metalls können optional die oben erwähnten Stützstrukturen, falls vorhanden, entfernt werden. Es versteht sich, dass etwaiges von der additiven Fertigung zurückgebliebene Pulver von der Vorform, insbesondere aus der Aussparung entfernt werden kann. Unter Umständen ist es allerdings auch akzeptabel, dass gewisse Pulverreste in der Aussparung verbleiben und im flüssigen Metall eingegossen werden. Nach dem Erhärten bildet das eingegossene Metall einen Teil des Werkzeugteils, so dass das gesamte Werkzeugteil wenigstens die Vorform sowie das eingegossene Metall umfasst.
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Strukturen zur Verbindung mit dem Basisteil wie die o.g. Löcher könnten im Rahmen einer Nachbearbeitung, z.B. mittels eines Bohrers, hergestellt werden. Erfindungsgemäß werden die Strukturen allerdings mittels des additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. D.h., sie werden auf Basis entsprechender dreidimensionaler Daten bereits vor dem Ausgießen der wenigstens einen Aussparung hergestellt. Hierdurch vereinfacht sich das gesamte Herstellungsverfahren und es wird Zeit eingespart. Außerdem entfällt ein Verschleiß eines ansonsten notwendigen Bearbeitungswerkzeugs.
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Das erfindungsgemäße Verfahren vereint verschiedene Vorteile. Zum einen ist es durch das additive Fertigungsverfahren möglich, die Außenwandung mit dem wenigstens einen Kühlkanal mit hoher Genauigkeit und in beliebiger Form herzustellen. Dabei kann insbesondere ein geeigneter, oberflächennaher Verlauf des Kühlkanals hergestellt werden. Im Gegensatz zu einer spanenden Herstellung des Kühlkanals ist eine einstückige Fertigung möglich, ohne dass geometrische Beschränkungen bestünden. Auch ist die additive Fertigung im Allgemeinen zeitsparender als eine spanende Bearbeitung, die von einem Rohling oder Halbzeug ausgeht. Ein wesentlicher Zeitvorteil des Verfahrens besteht allerdings darin, dass nicht das gesamte vorgesehene Volumen des Werkzeugteils additiv gefertigt wird, sondern im Extremfall nur die Außenwandung, welche die äußere Kontur des Werkzeugteils definiert, sowie die wenigstens eine Kanalwandung, die den Verlauf des Kühlkanals definiert. In jedem Fall wird ein Teil des vorgesehenen Volumens weggelassen (nämlich der Teil, welcher der wenigstens einen Aussparung entspricht) und im Nachhinein mit Metall ausgegossen. Es versteht sich, dass das Ausgießen mit Metall wesentlich schneller durchführbar ist als ein Füllen des entsprechenden Volumens mit einem additiven Fertigungsverfahren.
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Grundsätzlich kann das Einfüllen des flüssigen Metalls in die Aussparung von unterschiedlichen Seiten aus erfolgen, sofern die Aussparung dort eine entsprechende Öffnung aufweist. Bevorzugt wird wenigstens eine Aussparung mit einer Öffnung auf einer von der Arbeitsfläche abgewandten Seite erzeugt, wobei das flüssige Metall durch die Öffnung eingegossen wird. Bezeichnet man die Seite mit der Arbeitsfläche als Vorderseite, befindet sich die Öffnung also auf der Rückseite. Die jeweilige Aussparung ist über die genannte Öffnung zugänglich, so dass hierüber ein Eingießen des flüssigen Metalls möglich ist. In diesem Fall kommt es zu keiner Beeinträchtigung der Arbeitsfläche, d.h. diese kann zumindest im Wesentlichen in der Form gefertigt werden, in der sie innerhalb des Presshärtwerkzeugs eingesetzt werden soll.
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Unter Umständen weicht die Oberfläche der Außenwandung, insbesondere in dem Bereich, der der Arbeitsfläche entspricht, geringfügig von der vorgesehenen Form ab. Dies kann bspw. damit zusammenhängen, dass durch den schichtweisen Aufbau keine exakt glatten Flächen erzeugt werden. Auch ist es denkbar, dass sich die Außenwandung durch das Ausgießen mit flüssigem Metall sowie das anschließende Aushärten und Erkalten dieses flüssigen Metalls geringfügig verzieht. Um eventuelle Ungenauigkeiten zu beheben, ist in einer Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass die Oberfläche der Außenwandung nach ihrer Herstellung abtragend nachbearbeitet wird. Die Nachbearbeitung kann hierbei spanend bspw. durch Fräsen erfolgen.
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Bevorzugt erfolgt die Nachbearbeitung nach dem Ausgießen und dem Aushärten des Metalls. Einerseits können hiermit etwaige Ungenauigkeiten behoben werden, die auf das Ausgießen und Aushärten zurückzuführen sind. Andererseits lässt sich insbesondere in solchen Fällen, in denen die Außenwandung besonders dünn ist, die Bearbeitung besser am ausgegossen Werkzeugteil durchführen, da dieses mechanisch stabiler ist.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß gefertigten Werkzeugteils;
- 2 eine teilweise Schnittdarstellung einer Fertigungsanlage mit einer Vorform für das Werkzeug Teil aus 1;
- 3 eine Schnittdarstellung der Vorform aus 2;
- 4 eine teilweise Darstellung der Vorform aus 3 während eines Ausgießvorgangs;
- 5 eine schematische Darstellung des Werkzeugteils aus 1 sowie eines Fräswerkzeugs; sowie
- 6 eine Schnittdarstellung eines Presshärtwerkzeugs mit dem Werkzeugteil aus 1.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Werkzeugteils 1, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann. Das Werkzeugteil 1 bildet dabei einen Teil einer Patrize eines (in 6 dargestellten) Presshärtwerkzeugs 14. Mittels des Presshärtwerkzeugs 14 kann ein Blechteil 40 warm umgeformt und gehärtet werden. Die Umformung geschieht u.a. an einer Arbeitsfläche 2 des Werkzeugteils 1, die von Seitenflächen 3 flankiert ist. Das Werkzeugteil 1 weist auch vier Fortsätze 4 mit Durchgangsöffnungen 5 auf.
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Zur Fertigung des Werkzeugteils 1 wird zunächst eine Vorform 6 innerhalb einer Fertigungsanlage 20 gefertigt, die in 2 stark schematisiert dargestellt ist. Die Fertigung erfolgt dabei bevorzugt durch selektives Laserschmelzen (SLM). Auf einer vertikal verfahrbaren Basisplatte 21 wird mittels einer Auftragvorrichtung 23 Metallpulver 28 schichtweise aufgetragen. Bei dem Metallpulver 28 kann es sich bspw. um Stahlpulver handeln. Die Auftragvorrichtung 23 ist mit einer Zufuhrleitung 24 für Metallpulver 28 verbunden und, wie durch den Doppelpfeil angedeutet, in horizontaler Richtung verfahrbar. Sie kann eine Art Düse oder Ventil zur Pulverabgabe sowie eine Glättvorrichtung, bspw. eine Rakel, aufweisen. Um ein seitliches Abrieseln des metallischen Pulvers 28 von der Basisplatte 21 zu verhindern, sind stationäre Seitenwände 22 vorgesehen.
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Wenn die Auftragvorrichtung 23 eine Schicht Metallpulver 28 aufgetragen hat, wird mittels eines Laserstrahls 26 ein Teil des Pulvers 28 selektiv aufgeschmolzen, wodurch eine Schicht der zu fertigenden Vorform 6 erzeugt wird. Der Laserstrahl 26 wird von einem Laser 25 erzeugt und über einen schwenkbaren Spiegel 27 auf einen vorgesehenen Koordinatenpunkt innerhalb der Oberfläche des Metallpulvers 28 gelenkt. Die Aktivierung des Lasers 25 sowie die Steuerung des Spiegels 27 erfolgen hierbei computergesteuert gemäß vorgegebener CAM-Daten der Vorform 6. Die Basisplatte 21 wird im vorliegenden Beispiel intermittierend betrieben, d.h. sie wird angehalten, während eine Pulverschicht aufgetragen und teilweise aufgeschmolzen wird, und anschließend um eine Distanz nach unten verfahren, die der vorgesehenen Schichtdicke entspricht.
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Die gefertigte Vorform 6 weist eine Außenwandung 7 auf, die im Wesentlichen dem Verlauf der Arbeitsfläche 2 sowie dem Verlauf der Seitenwände 3 entspricht. Außerdem werden angrenzend an die Außenwandung 7 eine Reihe von Kanalwandungen 8 gefertigt, die in diesem Fall in die Außenwandung 7 übergehen. Jede Kanalwandung 8 definiert (zusammen mit der Außenwandung 7) einen Kühlkanal 9. Wie in 2 gut erkennbar ist, verbleibt beim Fertigungsvorgang eine von der Außenwandung 7 teilweise umschlossene Aussparung 11, die überwiegend weiter von der Außenwandung 7 entfernt ist als die Kanalwandungen 8. Kleinere Teilbereiche der Aussparung 11 sind dabei zwischen den Kanalwandungen 8 in der Nähe der Außenwandung 7 angeordnet.
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Durch die Einwirkung des Laserstrahls 26 wird die erzeugte Vorform 6 stark aufgeheizt, wenngleich das geschmolzene Pulver 28 wieder erstarrt, wenn die Einwirkung des Laserstrahls 26 beendet ist. Eine effektive Wärmeabgabe ist weder an das umgebende Pulver 28 noch an die umgebende Atmosphäre (die bspw. aus Inertgas bestehen kann) möglich. Daher ist es zur Vermeidung von thermisch bedingten Verformungen der Vorform 6 zielführend, die Wärmeabgabe an die Basisplatte 21 zu unterstützen, indem Stützstrukturen 10 erzeugt werden, die mit der Basisplatte 21 verbunden sind. Diese Stützstrukturen 10 stabilisieren zum einen die Vorform 6, vor allem aber dienen sie einer besseren Wärmeableitung in die Basisplatte 21. Die Stützstrukturen 10 können außerdem dazu dienen, den nutzbaren Teil der Vorform 6 von der Basisplatte 21 zu beabstanden, so dass nach Abschluss der Fertigung die Vorform 6 abgetrennt werden kann, ohne dass der nutzbare Teil beschädigt wird. Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, die Stützstrukturen 10 an Punkten oder Flächen einzusetzen, die einen Winkel von weniger als ca. 45° zur Basisplatte 21 aufweisen. In 2 sind nur schematisch drei Stützstrukturen 10 dargestellt, wobei weitere außerhalb der Schnittebene angeordnet sein können.
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3 zeigt die fertige, von der Basisplatte 21 gelöste Vorform 6. Diese weist bereits die im Rahmen der additiven Fertigung hergestellten Fortsätze 4 mit den Durchgangsöffnungen 5 (1) auf. Auch ist erkennbar, dass die Aussparung 11 auf einer von der Arbeitsfläche 2 abgewandten Seite eine relativ große Öffnung 12 aufweist. Aufgrund der Aussparung 11, die während des Fertigungsvorgangs erzeugt wurde, entspricht die Vorform 6 nur einem vergleichsweise geringen Teilvolumen des gesamten Werkzeugteils 1. Insbesondere kann die Außenwandung 7 eine Stärke aufweisen, die so gering ist, dass sie für sich genommen den beim Umformen des Blechteils 40 auftretenden Kräften nicht standhalten könnte.
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Die insofern der Vorform 6 fehlende Materialstärke wird, wie in 4 gezeigt, dadurch ergänzt, dass die Aussparung 11 mit Metall 13 ausgegossen wird. Das Metall 13 wird aus einem Tiegel 31 in flüssigem Zustand in die Öffnung 12 eingefüllt. Um den Einfüllvorgang effizient zu gestalten, wird die Vorform 6 gewissermaßen auf den Kopf gedreht und zur sicheren Lagerung sowie zur Temperaturabführung in ein Bett z.B. aus Sand 30 innerhalb eines Behälters 29 eingebettet. Bei dem Metall 13 kann es sich bspw. um Stahl oder Gusseisen handeln. Aufgrund des Vorhandenseins der Kanalwandungen 8 bleibt das Innere der Kanäle 9 frei, während die Aussparung 11 vollständig mit Metall 13 gefüllt wird. Nach dem Erstarren und Abkühlen des Metalls 13 kann das nunmehr im Wesentlichen fertige Werkzeugteil 1 aus dem Sand 30 entnommen werden. Anstelle von Sand können auch andere geeignete Materialien verwendet oder geeignete Maßnahmen zur sicheren Lagerung und Temperaturabführung durchgeführt werden.
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Optional kann, wie in 5 dargestellt, eine abtragende Bearbeitung der Arbeitsfläche 2 erfolgen, um etwaige Ungenauigkeiten zu beseitigen, die bei der additiven Fertigung oder aufgrund thermischer Verformungen beim Ausgießen entstehen könnten.
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6 zeigt stark schematisiert das gesamte Presshärtwerkzeug 14, bei dem das Werkzeugteil 1 modulartig mit einem stationären Basisteil 15 zusammengesetzt ist. Hierzu werden Schrauben 17 durch die Durchgangsöffnungen 5 geführt und mit dem Basisteil 15 verschraubt. Während des Umformvorgangs wird das Blechteil 40 aus 1 (bspw. nach vorhergehender Austenitisierung) zwischen dem Werkzeugteil 1 und einer vertikal verfahrbaren Matrize 16 umgeformt. Die Matrize 16 ist hier als massives einstückiges Bauteil dargestellt, allerdings könnte auch sie in ähnlicher Weise wie das Werkzeugteil 1 hergestellt werden. Während des Umformens bzw. unmittelbar anschließend hieran wird Kühlmittel (beispielsweise Wasser oder Mischungen damit) durch die Kühlkanäle 9 geleitet, wodurch eine starke Abkühlung der Arbeitsfläche 2 und somit auch des Blechteils 40 erfolgt. Aufgrund der additiven Fertigung der Vorform 6 können die Kühlkanäle 9 in optimalem Abstand zur Arbeitsfläche 2 verlaufen. Eine spanende Bearbeitung des Werkzeugteils 1 kann auf ein Minimum reduziert werden. Da ein Großteil des Volumens des Werkzeugteils 1 durch das Ausgießen mit Metall 13 gefüllt wird, kann es insgesamt innerhalb kurzer Zeit gefertigt werden. Somit lassen sich bei Bedarf relativ schnell und kostengünstig modulartige Werkzeugteile 1 produzieren, die mit dem Basisteil 15 kombiniert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugteil
- 2
- Arbeitsfläche
- 3
- Seitenfläche
- 4
- Fortsatz
- 5
- Durchgangsöffnung
- 6
- Vorform
- 7
- Außenwandung
- 8
- Kanalwandung
- 9
- Kühlkanal
- 10
- Stützstruktur
- 11
- Aussparung
- 12
- Öffnung
- 13
- Metall
- 14
- Presshärtwerkzeug
- 15
- Basisteil
- 16
- Matrize
- 17
- Schraube
- 20
- Fertigungsanlage
- 21
- Basisplatte
- 22
- Seitenwand
- 23
- Auftragvorrichtung
- 24
- Zufuhrleitung
- 25
- Laser
- 26
- Laserstrahl
- 27
- Spiegel
- 28
- Metallpulver
- 29
- Behälter
- 30
- Sand
- 31
- Tiegel
- 40
- Blechteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6354361 B1 [0004]
- US 2013/0255346 A1 [0005]
- DE 102005041460 A1 [0006]
- EP 2982463 A2 [0007]
- US 2011/0156304 A1 [0008]
- WO 2008/009101 A1 [0009]
- DE 102014221423 A1 [0010]
- DE 102007054723 A1 [0011]
- DE 102005030678 A1 [0012]
- DE 19704700 C1 [0013]
