DE102019004713B4

DE102019004713B4 - lnkjetdrucker und Verfahren zum punktuellen Drucken von ölfreien Schmierstoffen, phosphatfreien Einschicht-Schmierstoffen sowie anderen chem. Lubrications-Tinten für den Einsatz in der Massivumformung

Info

Publication number: DE102019004713B4
Application number: DE102019004713.3A
Authority: DE
Inventors: Auf Teilnichtnennung Antrag; Hans Gebauer
Original assignee: Pikolube Ug (haftungsbeschrankt); Pikolube Ug Haftungsbeschraenkt
Current assignee: GEBAUER, CHRISTIAN, CH
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2039-07-05
Also published as: DE102019004713A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Inkjet-Drucker und ihre Anwendung als Schmierstoffapplikationssystem in der Massivumformung zur Beschichtung von Rohlings-Abschnitten sowie Walzdraht-Coils, zur Beschichtung von Werkstücken und Werkzeugkomponenten innerhalb Ein-/Mehrstufen-Massivumformprozessen sowie zu der technologischen Unterstützung bei der Herstellung von massivumgeformten Bauteilen in Net-Shape Qualität.Ziel ist es, bisherige Verfahren in der Massivumformung wie der Einsatz einer Zinkphosphatbeschichtung nach Singer durch phosphatfreie Einschicht-Schmierstoffe, sowie eines Minimalmengenschmiersystems bei Ein- und Mehrstufenprozessen und auch eine spanende Nachbearbeitung von massivumgeformten Bauteilen zu substituieren.Die volumenmäßig deutlich minimierte und hochexakte Schmierstoffauftragsmenge ist bei ein- und mehrstufigen Massivumformprozessen einzusetzen und erzielt unter anderem bei massivumgeformten Bauteilen aus diversen Werkstoffen (Stahl -, Al- und Buntmetalllegierungen) in Net-Shape- Qualität deutlich bessere Maß- und Oberflächenqualität als Verfahren gemäß Stand der Technik.Das Potential der Erfindung liegt also sowohl bei der Einsparung von Schmierstoffen und nachfolgenden Reinigungsprozessen als auch in der Optimierung der Maß- und Oberflächenqualität von massiv umgeformten Bauteilen sowie der erfolgreiche Einsatz von phosphatfreien Einschicht-Schmierstoffen bei Mehrstufen-Umformprozessen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Inkjet-Drucker und ihre Anwendung als Schmierstoffapplikationssystem in der Massivumformung zur Beschichtung von Rohlings-Abschnitten sowie Walzdraht-Coils, zur Beschichtung von Werkstücken und Werkzeugkomponenten innerhalb Ein-/Mehrstufen-Massivumformprozessen sowie zu der technologischen Unterstützung bei der Herstellung von massivumgeformten Bauteilen in Net-Shape Qualität.
Ziel ist es, bisherige Verfahren in der Massivumformung wie der Einsatz einer Zinkphosphatbeschichtung nach Singer, sowie eines Minimalmengenschmiersystems bei Ein- und Mehrstufenprozessen und auch eine spanende Nachbearbeitung von massivumgeformten Bauteilen zu substituieren.
Der Stand der Technik bezüglich Inkjet-Drucker, die einsetzbaren Schmierstoffe sowie die drei genannten Anwendungsfelder werden im Folgenden mithilfe von Skizzen beschrieben.
Inkjet-Drucker sind dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Stand der Technik in der Lage sind, Tinten, die vielfach verifizierbar sind, in eine stehende Wassersäule zu pumpen, diese in einzelne Tropfen zu zerlegen, die dann beim Passieren der Tintenkammer den Tropfen durch Steuerung mittels Magnetfeld oder durch eine elektro-mechanische angesteuerte Tintenspritzdüsen-Einheit dorthin lenkt, wo er auf dem zu bedruckenden Teil auftreffen soll.
Inkjet-Drucker werden gemäß dem Stand der Technik mit diversen Tinten zur Kennzeichnung und Beschriftung eingesetzt.
Schmierstoffsysteme in der Massivumformung sind dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Stand der Technik aus einer Schmierstoffträgerschicht sowie einer darauf liegenden Schmierstoffschicht bestehen.
Die Schmierstoffträgerschicht hat die Aufgabe den Schmierstoff fest mit der Rohteiloberfläche zu verbinden. Die Schmierstoffschicht wirkt als Gleitschicht und reduziert die Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug.
Schmierstoffsysteme in der Massivumformung sind dadurch gekennzeichnet, dass diese als Teil des Tribologischen Systems während eines Umformprozesses durch die hohen Relativgeschwindigkeiten, die erhebliche Flächenpressungen und die Oberflächenvergrößerungen zwischen Werkstück und Werkzeug belastet sind. Es können Temperaturen von bis zu 500 °C entstehen.
Als Schmierstoffträgerschicht wird gemäß dem Stand der Technik die chemische Phosphatierung nach dem 1934 patentiertes Singer Verfahren eingesetzt. In der Regel wird dabei für unlegierte und niedriglegierte Stähle eine Zink-Phosphatschicht, für chrom- sowie nickellegierte Edelstähle Oxalat Schichten und für Aluminiumwerkstoffen eine Aluminat Schicht verwendet.
Als Schmierstoffschicht sind gemäß dem Stand der Technik je nach Stahlwerkstoff, Flächenpressung, Umformgrad sowie Umformbedingungen unterschiedliche Fließpress-Öle, Zinkseife oder Molybdändisulfid zweckmassig. Beim Verzicht auf eine Phosphatbeschichtung kann in der Massivumformung eine Wasser-Grafit-Lösung verwendet werden. Diese Anwendung wird z. B. in der CN 103111574 A beschrieben.
Nach dem aktuellen Stand der Technik erweist sich die industrielle Phosphatierung als sehr nachteilhaft, da die Anlagentechnik einen hohen Verbrauch an Chemikalien sowie Energie hat. Der Gebrauch der Anlage sowie die fachgerechte Entsorgung von chemischen Abfällen unterliegt strengen behördlichen Verordnungen.
Der Einsatz einer Phosphatbeschichtung hat gemäß dem Stand der Technik den Nachteil, dass es ohne ein Entschichten bzw. Reinigen der fertiggepressten Werkstücke bei einer anschließenden Wärmebehandlung zur Bildung von Delta Ferrit und damit verbunden fehlerhaften Bauteilqualität (u.a.: Fehlerhafte Aufkohlung und damit unzureichende Einhärtetiefe) führen kann.
Der aktuelle Stand der Technik beschreibt als Alternative den Einsatz von phosphatfreien Einschicht-Schmierstoffen, die auf Basis von Molybdändisulfid, Salz-Wachs und Polymer gebildet werden. Hierbei sind auf die Produkte der Firmen Carl Bechern und Zwez zu verweisen.
Der aktuelle Stand der Technik beschreibt dabei die Notwendigkeit, dass die Applikation der Einschicht-Schmierstoffe eine stabile und prozessfähige Schicht-Aufbringung darstellen muss, die zudem mehrere Umformstufen standhalten sollte.
Eine homogene Schmierstoffverteilung und Schichtdicke sind bei genannten ökologischen Schmierstoffen gemäß Stand der Technik für eine optimale Umformung notwendig.
Untersuchung im industriellen Umfeld (DBU Abschlussbericht AZ 30738) haben aufgezeigt, dass ein Überfluten von erwärmten Rohlingen mit einem Einschicht-Schmierstoff keine ausreichende Lösung als Applikationskonzept darstellt. Das untersuchte inline Beschichtungskonzept ist durch das einmalige Aufbringen des Einschicht-Schmierstoffes begrenzt einsetzbar. Die möglichen Pressen-Taktzeiten sind von den Trocknungszeiten der beschichteten Bauteile abhängig. Die Trocknungszeiten können durch die Erhöhung der Rohling-Temperaturen angepasst werden, die allerdings begrenzt variabel ist. Die Qualität der Schmierstoffschicht nimmt mit steigender Rohling-Temperatur ab. Es liegt keine homogene Schmierstoffverteilung vor und die Schichtdicke ist unregelmäßig. Ursächlich hierfür ist das Verdampfen des Wasseranteiles der Schmierstoffe durch den sog. Leidenfrost-Effekt. Somit ist die erzielbare Schmierstoffschichtdicke von der Rohling-Temperatur abhängig und aufgrund von Wärmeverlusten nicht konstant. Für eine mehrstufige Umformoperation wäre eine höheres Schichtgewicht notwendig, welches durch den beschriebenen Effekt limitiert ist. Das beschriebene Konzept kann lediglich mit hoher Schmierstoffmenge einen Mehrstufen-Prozess mit einem MoS2-basierten Einschicht-Schmierstoff realisieren. Eine mehrstufige Umformung mit Schmierstoffen auf Polymerbasis und Salz-Wachs Basis ist nicht nachgewiesen.
Der Stand der Technik beschreibt weitere Applikationssysteme für die Schmierstoffbeschichtung. Dabei gilt es die sogenannten Minimalmengenschmiersysteme und das Tauchen zu bezeichnen.
Vor diesem Hintergrund der bestehenden Inkjet-Druckertechnologie und einem notwendigen Applikationsverfahren für umweltschonende Schmierstoffe besteht eine Aufgabe, mit dem Inkjet-Drucker diese Schmierstoffe gezielt partiell zu verdrucken, der dann zur Umformung innerhalb eines Massivumformprozesses angewendet wird.
Demgemäß wird ein Inkjet-Drucker mit spezieller Druckerdüse, speziellen Arbeitsmodi und angepasster Software angewendet.
Inkjet-Drucker können nur Tinten mit spezifischen Eigenschaften wie z. B. in bestimmten Viskositätsgrenzen verdrucken. Diese Voraussetzungen werden z. B. im DE 10 2017 009 239 A1 beschrieben.
Demgemäß erfordert der angewendete Schmierstoff, als Lubricationstinte bezeichnet, bestimmte Eigenschaften, damit die Lubricationstinte im Drucker aus der stehenden Flüssigkeitssäule in Einzeltropfen zerlegt werden kann.
Dadurch, dass die Lubricationstinte sehr genau und variabel in der Größe ihrer Tropfen sowie ihrem gegenseitigen Abstand ist, kann man einen sehr genau begrenzten und volumenmäßig exakt festgelegten Schmierfilm bedrucken und zwar an der Stelle, wo es für einen Umformprozess notwendig ist. Demgemäß erfordert der Schmierstoff besondere Eigenschaften in der Oberflächenspannung direkt beim Auftragen auf das umzuformende Objekt und auch in der Abtrocknungszeit.
Im Folgenden werden drei Anwendungsarten für die Erfindung beschreiben.

Die 1 zeigt schematisch den Prozessschritt der Schmierstoffapplikation in der Massivumformung zur Beschichtung von Rohling-Abschnitten sowie beim Drahtziehen von Walzdraht-Coils:
- A = Steuergerät des Drucksystems
- B = Schmierstoff Tank
- C = Druckkopf
- D = Druckkopf Düse (Einzel und Mehrfach)
- E = „Dot“ Druckpunkt in Form eines Schmierstoff-Tropfens
- F = Rohling-Abschnitt
- F* = Ausschnitt von gezogenem Coil-Draht
- G = Parameter wie Druckabstand a, Relativgeschwindigkeit von Rohling und Druckkopf Vr

Die 1 beschreibt dabei den Aufbau und die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung zur Aufbringung von Schmierstoffen auf Rohling - Abschnitten (F) oder auf einem Walzcoil-Draht (F*). Das Inkjet Drucksystem besteht aus einem Steuergerät (A), einem Schmierstofftank (B) sowie dem Druckkopf (C). Der Druckkopf kann mit einer einzelnen Druckdüse (D) oder mit mehreren Druckdüsen ausgestatten sein. Die Düsenmodifikation ist dabei abhängig vom jeweiligen Umformprozess. Die Düseneigenschaften und das programmierbare Steuergerät beeinflussen dabei die Eigenschaften der Druckpunkte (E) sowie das resultierende Druckbild. Das Drucksystem kann dabei entweder zum Bedrucken von bereits gesägten oder gescherten Rohling-Abschnitten verwendet werden, oder zum Bedrucken von Walzdraht-Coils. Hierbei muss unterschieden werden ob vor, beim oder nach dem Drahtziehen der Schmierstoff aufgedruckt wird. Wichtige Einstellparameter (G) sind der Abstand a zwischen dem Druckkopf und dem bedruckten Objekt. Des Weiteren gilt es zu beachten wie die Relativbewegungen zwischen dem Druckkopf und dem bedruckten Objekt gewählt sind. Die Relativbewegungen können dabei in den unterschiedlichsten Kombinationen für die Schmierstoffapplikation in der Massivumformung modifiziert werden. Die Umsetzung der einzelnen Relativbewegungen erfolgt dabei durch eine auf das Applikationskonzept angepasste spezielle Automation.
Die 2 zeigt schematisch den Trocknungsprozess der Lubricationstinte auf der Rohlings Oberfläche:

A = „Dot“ Druckpunkt abgelegt und aufgetroffen
B = Druckpunkte spreiten und verschmelzen
C = Getrocknete Schicht, Schichtdicke unter 1 µm
D = Druckkopf mit Druckdüse
E = Rohling

In 2 werden die gegenseitigen Wechselbeziehungen eines „Dots“ und der metallischen Oberflache eines bedruckten Objektes dargestellt. Dabei wird deutlich, wie sich das Erscheinungsbild eines abgelegten Druckpunktes verhält und sich positiv auf die erzielbare Schichtdicke auswirkt. Entscheidend sind dabei die Schmierstoffeigenschaften sowie die Oberflächeneigenschaften des zu bedruckenden Werkstückes, das anschließend in einem Massivumformprozess umgeformt wird.
Die 1 in Kombination mit 2 bilden dabei den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ab.
Die beschriebene Erfindung eines neuen Schmierstoffapplikations-Systems kann dabei in zahlreichen Modifikationen in der Massivumformung angewendet werden.
Die beschriebene Erfindung kann ein Druckbild des Schmierstoffes erzeugen, dass in zahlreichen Varianten unterschieden werden kann. Die Druckpunkte können in unterschiedlicher Größe, Muster, Anordnung, mehrschichtig oder einschichtig, mit und ohne Zwischentrocknen durch externe Wärmezufuhr und aus einem oder mehreren Schmierstofftypen bestehen. Das Druckbild kann dabei aus einer Schmierstoffträgerschicht sowie aus der Schmierstoffschicht bestehen, ähnlich dem Verfahren nach Singer.
Die 3 zeigt schematisch den Einsatz eines bedruckten Rohling-Abschnittes, der durch die beschriebene Erfindung bedruckt wurde, bei einem beispielhaften Voll-Vorwärts Fließpressprozess:

A = Stempel
B = Werkzeugbeschichtungen
C = Matrize
D = Gedruckte Schmierstoffschicht
E = Rohling bzw. Werkstück

Die beschriebene Erfindung kann dabei in allen Fertigungsverfahren in der Umformtechnik nach DIN 8580 eingesetzt werden.
Die 4 zeigt schematisch eine Prozessreihenfolge zur Beschichtung von Werkstücken und Werkzeugkomponenten innerhalb von Ein-/Mehrstufen-Massivumformprozessen:

A = Druckkopf mit Druckdüse
B = Externe Wärmequelle

Die beschriebene Erfindung ermöglicht den Einsatz von Einschicht-Schmierstoffsystemen auch bei mehrstufigen Massivumformprozessen. Hierzu ist ein Bedrucken des Werkstuckes zwischen den einzelnen Umformstufen notwendig. Zudem wird der Schmierstoff durch interne und externe Warme in seinen Eigenschaften beeinflusst.
Die beschriebene Erfindung ermöglicht auch ein Bedrucken von Werkzeugteilen, primär die aktiven Werkzeuge wie z.B. Stempel und Matrize. Dies kann in ein- oder mehrstufigen Massivumformprozessen erfolgen.
Die beschriebene Erfindung einer Schmierstoffapplikation dient auch als technologische Unterstützung bei der Herstellung von massivumgeformten Bauteilen in Net-Shape Qualität.

Claims

Das Verfahren des Druckens von Schmierstoffen in der Massivumformung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff unter Einsatz eines Inkjet-Drucksystems lokal und präzise mit Lagetoleranz 0,01 mm - 0,05 mm als einzelne Druckpunkte als Dots bezeichnet auf einen gesägten oder gescherten Rohlingsabschnitt oder vor, beim oder nach dem Drahtziehen eines Walzdrahtcoils oder auf ein bereits umgeformtes Werkstück aufgetragen bzw. aufgedruckt wird und dieser anschließend in einem Massivumformprozess, speziell DIN 8583, umgeformt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Inkjet-Drucker besondere Düsenmodifikationen aufweist mit Düsendurchmesser kleiner 0,050 mm, wodurch ein spezielles Druckbild aus den einzelnen Druckpunkten entsteht, welches eine extrem hohe Reproduzierbarkeit aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schmierstoffschichtdicke von unter 1 µm erzeugen kann, wodurch die Oberflächenrauheit des umgeformten Bauteils eine Rauheit von Ra < 0,1 µm hat und die Bauteilmassen eine Toleranz von +/- 5 µm erzielt.
Das Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass es als Schmierstoffapplikationssystem ein unerwünschtes Schmierstoffaufmaß und einen Schmierstoffeinschluss zwischen Werkzeugkavität und Werkstück innerhalb eines Massivumformprozesses auf ein Minimum reduziert bzw. eliminiert, insbesondere bei konkaven und konvexen Werkzeugkavitäten.
Das Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 ist dadurch gekennzeichnet, dass es als Schmierstoffapplikationssystem keine Nebelbildung des Schmierstoffes erzeugt wie bei einem Minimalmengenschmiersystem, wodurch das Schmierstoffbild homogener sowie gleichmäßiger ist und die Sauberkeit der Werkzeugaktivteile um ein Vielfaches besser ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass es als Schmierstoffapplikationssystem eine technologische Unterstützung zur Herstellung von massivumgeformten Bauteilen in Net-Shape Qualität beschreibt, insbesondere der Anforderungen an Form und Maß Toleranzen.
Das Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 ist dadurch gekennzeichnet, dass es als Schmierstoffapplikationssystem für den Einsatz in der Massivumformung ein punktuelles Drucken von öl-freien Schmierstoffen, phosphatfreien Einschicht-Schmierstoffen, deren Basis Molybdändisulfid, Salz-Wachse oder Polymere sind, sowie anderen chemischen Schmierstoffen realisiert.
Das Verfahren nach Anspruch 1 bis 7 ist dadurch gekennzeichnet, dass es als Schmierstoffapplikationssystem einen Einsatz von Einschicht-Schmiersystemen auch bei Mehrstufen Massivumformprozessen durch ein Bedrucken des Werkstückes zwischen den Umformstufen realisieren kann, unter Verwendung angepasster Druckstrategien, Schmierstoffen und Trocknungszeiten, und somit in der Taktzeit und Schmierstoffschichtdicke nicht limitiert ist wie ein „Tauchen oder Überfluten“.
Das Verfahren nach Anspruch 1 bis 8 ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein Druckbild des Schmierstoffes erzeugen kann, das in zahlreichen Varianten unterschieden wird, wie z. B. die Druckpunkte in unterschiedlichen Größen, Muster, Anordnungen, mehr- oder einschichtig, mit oder ohne Zwischentrocknen durch externe/ interne Wärme, aus einem oder mehreren Schmierstofftypen sowie im Speziellen aus einer Schmierstoffträgerschicht und einer Schmierstoffschicht.
Das Verfahren nach Anspruch 1 bis 9 ist dadurch gekennzeichnet, dass es auch als Schmierstoffapplikationssystem in der Blechmassivumformung (Definition nach Merklein mit Blechdicke von 1 mm bis 5 mm) eingesetzt werden kann, speziell bei der Net-Shape Herstellung von Funktions- und Dekorplatinen, wie z.B. unter anderem Anoden und Kathoden von Hochtemperatur-Brennstoffzellen, sog. Interkonektoren.