DE102019114438A1

DE102019114438A1 - Umformmatrize mit Schmierung für das Druckumformen von metallischen Werkstücken und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102019114438A1
Application number: DE102019114438.8A
Authority: DE
Inventors: Axel Norbert WITTIG; Maximilian Bronner
Original assignee: Kolibri Metals GmbH; Webo Werkzeugbau Oberschwaben GmbH
Current assignee: Kolibri Metals GmbH; Webo Werkzeugbau Oberschwaben GmbH
Priority date: 2019-05-29
Filing date: 2019-05-29
Publication date: 2020-12-03

Abstract

Umformmatrize (10, 10') für das Druckumformen von metallischen Werkstücken (4, 4') mit einer Umformpresse, an deren verschiebbar angetriebenen Stempelfuß (1) ein Formstempel (2, 2') angeordnet ist, der das umzuformende Werkstück (4, 4') trägt, wobei die Umformmatrize (10) ein werkstück-berührtes Umformprofil (18) aufweist, das formgebend an einer zugeordneten Oberfläche des Werkstücks (4, 4') relativ zum Werkstück bewegbar ist, wobei die Umformmatrize (10, 10') im additiven Herstellverfahren schichtweise im selektiven Schmelzverfahren hergestellt ist und ein oder mehrere Schmiernuten (22) und/oder ein oder mehrere Kühlmittelkanäle (13) im Material der Umformmatrize (10) integriert sind.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Umformmatrize mit Schmierung für das Druckumformen von metallischen Werkstücken nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Umformmatrize.
Umformmatrizen der hier verwendeten Art werden für metallische Umformarbeiten verwendet, wie sie beispielsweise Gegenstand der DE 10 2013 006 150 A1 , der EP3441156A1 oder der DD237621A1 sind.
Beim Druckumformen von Werkstücken mittels einer Umformmatrize gemäß der EP3441156A1 ist das umzuformende Werkstück in der Werkstückaufnahme im Innern eines Matrizenkerns angeordnet. Die Wand der Werkstückaufnahme des Matrizenkerns ist formgebend ausgebildet und zu diesem Zweck beispielsweise mit einem formgebenden Profil versehen. Während des Umformprozesses werden der Matrizenkern und das im Innern der Werkstückaufnahme des Matrizenkerns angeordnete Werkstück längs einer Arbeitsbewegungsachse des Matrizenkerns relativ zueinander bewegt. Die Erfindung geht von einem solchen Stand der Technik aus.
Als weiteres Beispiel für eine gattungsgemäße Umformung offenbart die DE 10 2013 006 150 A1 ein Bauteil mit Innen- und Außenverzahnung sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Bauteils. Zur Umformung dieses Bauteils (Lamellenträger) wird eine metallische Umformmatrize verwendet, in welche das umzuformende Werkstück eingepresst wird, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel zur eigentlichen Verformung des Werkstückes noch zusätzliche Umformrollen verwendet wurden, welche das Werkstück in das Zahnprofil der Umformmatrize hineinverformten.
Nachteil der beschriebenen Umformmatrizen ist, dass eine ausreichende Schmierung und eventuell auch eine Kühlung der Umformmatrize nicht vorgesehen sind. Damit ergibt sich ein hoher Verschleiß und - bei Fehlen oder ungenügender Kühlung - auch in nachteiliger Weise Wärmeeinflusszonen am umgeformten Bauteil, die bei ausreichender Kühlung vermeidbar sind.
Bei fehlender oder ungenügender Schmierung und/oder Kühlung leidet die Maßhaltigkeit des hergestellten Bauteils.
Es ist zwar im Bereich der Spritzgießmaschinen bekannt, die Spritzgusswerkzeuge zu schmieren, wobei insbesondere Schmierölzuführungen an verschiedenen Stellen des Spritzgusswerkzeuges bekannt sind. Beispielsweise wird auf die DE 10 2011 121 336 A1 oder die WO 2005/077639 A1 verwiesen, wo verschiedene Arten von Schmierungen bei Spritzgusswerkzeugen zu entnehmen sind. Solche Schmierungen können jedoch nicht auf mechanisch hoch belastete Umformwerkzeuge übertragen werden, weil Umformwerkzeuge wesentlich höheren Umformkräften standhalten müssen, als vergleichsweise die Werkzeuge für Spritzgussformen. Die Umformkräfte bei metallischen Umformwerkzeugen sind demnach um ein Vielfaches höher als die Kräfte, die auf Spritzgusswerkzeuge wirken. Beim Entwurf von Spitzgusswerkzeugen ist es für den Fachmann aus konstruktiven Gründen naheliegend, Schmiermittelzuführungen in radialer Richtung in das Werkzeug hinein zu bohren. Solche radialen Bohrungen schwächen allerdings den Materialquerschnitt, was bei Spritzgießwerkzeugen keine Rolle spielt. Wegen der während des Spritzgießens entstehenden relativ niedrigen Umformkräfte führt die Schwächung des Materialquerschnitts nicht zu einer Zerstörung des Werkzeuges.
Anders ist dies bei den gattungsgemäßen metallischen Umformwerkzeugen, bei denen hohe radiale und axiale Kräfte auf das Umformwerkzeug einwirken, so dass es sich für den Fachmann verbietet, radial von außen nach innen gerichtete Schmiermittel- und/oder Kühlmittelkanäle zu verwenden.
Würden bei Umformwerkzeugen, insbesondere Umformmatrizen, gemäß den beiden oben genannten Druckschriften radial von außen in das Umformwerkzeug hinein führende Schmiermittel- und/oder Kühlmittelzuführungen verwendet werden, würde der Querschnitt des Umformwerkzeuges stark geschwächt werden, und es können keine hohen Umformkräfte mehr bewältigt werden, ohne dass eine Bruchgefahr für das Umformwerkzeugt besteht.
Bei Umformwerkzeugen wird eine wesentlich höhere Materialhärte gefordert als vergleichsweise für Spritzgusswerkzeuge, wobei als Beispiel angegeben wird, dass bei den gegenständlichen Umformwerkzeugen nach der DE 10 2013 006 150 A1 für metallische Umformarbeiten eine Härte von 58 bis 60 Härte-Rockwell gefordert wird, während bei Spritzgusswerkzeugen eine Härte bis maximal 50 Härte-Rockwell notwendig ist.
Aufgrund der wesentlich härteren Umformwerkzeuge und der wesentlich höheren Kräfte, die beim metallischen Umformvorgang entstehen, war es bisher nicht möglich, eine ausreichende Schmierung und/oder Kühlung der Umformwerkzeuge zu erreichen.
Es war bisher lediglich bekannt, eine Tauchschmierung vorzusehen, was bedeutet, dass die Umformarbeit in einem Ölbad stattfand oder ein Ölguss über die Umformwerkzeuge gegeben wurde, um eine Schmierung zu ermöglichen.
Dies war allerdings mit dem Nachteil verbunden, dass die Schmiermittel nicht präzise an den Ort ihres Bedarfs gefördert werden konnten und beispielsweise beim Eintauchen des Stempels in das Umformwerkzeug nur der obere Bereich der Umformmatrize gut geschmiert wurde, während die unteren, sich in axiale Richtung daran anschließenden Bereiche nur schlecht geschmiert wurden.
Gleiches gilt auch für die bekannten, an sich unzureichenden Kühlversuche, bei denen es bisher nicht gelang, solche hochbelasteten Umformwerkzeuge ausreichend zu kühlen, um eine noch bessere Maßhaltigkeit der damit hergestellten Werkstücke zu erreichen.
Beispielsweise war es bisher als Kühlmaßnahme nur möglich, eine solche Umformmatrize im Mittenbereich in einer horizontalen Ebene zu teilen, um dort einen umlaufenden Kühlkanal zu definieren. Allerdings musste ein solcher Kühlkanal noch radial innen und außen abgedichtet werden, was mit einem hohen Aufwand und mit einer Beschädigung der Integrität des Umformwerkzeuges verbunden war. Eine innen liegende Schmierung und/oder Kühlung für Umformmatrizen mit dem gesteigerten Härtegrad war bisher nicht bekannt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Umformmatrize für das Druckumformen von metallischen Werkstücken der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mindestens eine innen liegende Schmierung an beliebigen Orten der Matrize entlang deren der Umformung dienenden Wandung möglich ist.
Unabhängig von der erst genannten Aufgabe oder in Kombination mit der erst genannten Aufgabe liegt der Erfindung die zweite Aufgabe zugrunde, auch noch eine innen liegende Kühlung vorzusehen, bei der es möglich ist, ohne offene Kühlkanäle mindestens einen ringsum laufenden Kühlkanal zu gestalten, der möglichst nahe der Werkzeugwandung in Richtung auf das umzuformenden Werkstück platziert ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist, dass die die Umformmatrize im additiven Herstellverfahren schichtweise im selektiven Schmelzverfahren hergestellt wird und dass ein oder mehrere Schmiernuten und/oder ein oder mehrere Kühlmittelkanäle im werkstück-berührten Umformprofil der Umformmatrize während deren Herstellung im Schmelzverfahren integriert werden.
Auf eine spanabhebende, den Materialquerschnitt schwächende Bearbeitung kann somit verzichtet werden.
Additiv hergestellte Werkzeuge sind an und für sich bekannt. Aus der WO 02/11928 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung präziser Bauteile mittels Lasersintern bekannt.
Die genannte Druckschrift ist auf eine Herstellung eines aus Kunststoff bestehenden Bauteils beschränkt, während die vorliegende Erfindung sich auf die Herstellung metallischer Werkzeuge bezieht, wobei ein Lasersintern nicht möglich ist. Bei der Erfindung handelt sich vielmehr um ein Laserschmelzverfahren.
Dieses Verfahren wird auch als Selectiv Laser Melting (SLM) bezeichnet, und damit ist es erstmals möglich, eine metallische Umformmatrize aus einem hoch belastbaren Werkzeugstahl in einem additiven Verfahren so herzustellen, dass wahlweise Ölbohrungen und/oder auch Kühlbohrungen eingebracht werden können, ohne dabei die Integrität des Bauteils zu verletzen und die Festigkeit zu beeinträchtigen.
Damit ist gemeint, dass erkannt wurde, dass die radiale Zuführung von Schmiermittelkanälen vom Außenumfang ausgehend in Richtung auf den werkstück-berührten Innenumfang der Umformmatrize nicht zum Ziel führt, weil diese radiale Zuführung zu einer unerwünschten Schwächung des Materialquerschnittes der Umformmatrize führt und diese die erforderlichen Umformkräfte nicht mehr beherrscht.
Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Umformmatrize, die einen werkstück-berührten Innenumfang aufweist, an dessen Wandung das Werkstück mithilfe eines axial in den Innenumfang einfahrenden Formstempels umgeformt wird.
Die Erfindung ist jedoch auf solche Umformmatrizen nicht beschränkt. Es gibt auch Umformmatrizen, deren Außenumfang die werkstück-berührte, zu schmierende und/oder zu kühlende Oberfläche ausbildet. In diesem Fall erfolgt die Umformung des Werkstücks über den Außenumfang der Umformmatrize und der Formstempel ist als Hohlstempel ausgebildet. Die hier beschriebenen Maßnahmen sind dann in analoger Weise anzuwenden.
Der einfacheren Beschreibung wegen bezieht sich die folgende Beschreibung auf eine kreisringförmige Umformmatrize mit einem zu schmierenden und/oder zu kühlenden werkstückberührten Innenumfang, obwohl die Erfindung - wie oben stehend angegeben - nicht darauf beschränkt ist.
Würde man eine bei Spritzgusswerkzeugen bekannte radiale Schmiermittelzuführung verwenden, würde aufgrund der hohen Umformkräfte, die beim Fließumformen von metallischen Werkstoffen entstehen, die Umformmatrize während der Umformarbeit reißen oder in anderer Weise zerstört werden.
Demnach besteht ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung darin, dass die Schmiermittelkanäle und/oder Kühlmittelkanäle nicht in radialer Richtung vom Außenumfang ausgehend zum Innenumfang zugeführt werden, sondern in axialer Richtung von einer oberen oder unteren (stirnseitigen) Deckfläche ausgehend im Innenraum des Werkzeugs in radialer Richtung umgelenkt zu werden, um so in radialer Richtung in die werkstück-berührte Oberfläche geführt zu werden.
Für die Schmiermittelkanäle gilt, dass sie als Schmiermittelauslässe in die werkstückberührte Oberfläche münden, während die einen oder mehreren Kühlmittelkanäle möglichst dicht an die werkstückberührte Oberfläche heran geführt werden, ohne in diese geöffnet zu sein.
Damit werden radial von außen nach innen gerichtete Schmiermittel- und oder Kühlmittelbohrungen die den gesamten Querschnitt der Umformmatrize durchsetzen, vermieden.
Gleiches gilt für die zirkular verlaufenden Kühlmittelkanäle, die ebenfalls eine bevorzugt (stirnseitige) axiale Zu- und Abführung vorsehen und bevorzugt einen oder mehrere dicht an der werkstückberührten Oberfläche angeordnete, ringsum laufende Kühlmittelkanäle ausbilden.
Mit dem bevorzugten Verfahren gelingt es erstmals Umformmatrizen mit überlegener Härte, Steifigkeit und Verformungsfestigkeit herzustellen, in denen die Schmiermittel- und oder Kühlmittelkanäle bei der Herstellung integriert sind.
Als bevorzugtes Beispiel für einen legierten Stahl einer Umformmatrize mit der oben beispielhaft genannten Rockwell-Härte von 60 wird eine schmelzbare Legierungszusammensetzung nach DIN-Norm 1.3343 genannt. Das Grundmaterial ist in einer bevorzugten Ausführung eine pulverisierte Metallpulverzusammensetzung. Bisher war es jedoch in der SLM-Technik nur bekannt, alle Metall-Materialien, die in DIN-Normen definiert sind, zu verpulvern und im 3D-Drucker zu verarbeiten, was jedoch zu ungenügenden Werkstück-Qualitäten führte.
Die Erfindung nutzt in einer bevorzugten Weiterbildung deshalb den Vorteil des SLM-Verfahrens, durch die Hinzufügung spezieller Pulverzubereitungen die herkömmliche Pulverzubereitung zu verbessern, in dem bestimmte Partikel hinzugefügt werden, die man konventionell z.B. im Stangenpresswerk nicht hinzufügen kann. In einer bevorzugten Ausführung ist dies eine keramische Pulverzusammensetzung, die unter der Bezeichnung XW0625 vertrieben wird.
Würde man in einen herkömmlichen Schmelztiegel Stahl und Keramik füllen und das Gemisch auf Schmelztemperatur erhitzen, würde die Keramik oben und der Stahl unten schwimmen und es könnte kein gleichmäßiges Gefüge im daraus gegossenen Werkstück erreicht werden.
Die Erfindung betrifft deshalb alle nachfolgenden Anwendungsbereiche, nämlich SLM (Laserschmelzen) und/oder SLS (Lasersintern) und/oder Laserauftragsschweissen.
Als bevorzugte Ausführung ist vorgesehen, dass das Keramikpulver mit bis zu 15% M-% unter das Eisen- bevorzugt das Stahlpulver gemischt wird und dann im SLM- oder SLS-Verfahren verarbeitet wird.
Damit wird ein gleichmäßig verteiltes Gefüge von Keramikpartikeln im Stahl erreicht. Die Keramikpartikel werden vom Laser nicht aufgeschmolzen, sondern nur die Metallpartikeln werden aufgeschmolzen, sodass die ungeschmolzenen Keramikpartikel in das geschmolzene Metallgefüge gleichmäßig eingebettet werden. Daraus ergibt sich eine neuartige Metall-Keramik-Matrix für das so hergestellte Werkstück.
Die Hinzufügung von 15 M % im Matrixmaterial ist jedoch nur eine bevorzugte Ausführungsvariante. Es kann auch vorgesehen sein. einen Anteil von bis zu 80% des Keramikmaterials in der Metallmatrix einzubetten.
Der hier verwendete Begriff „Keramik“ ist gleichbedeutend mit dem Begriff „Karbide“. Insbesondere die Pulverzusammensetzung XW0625 kann sowohl als keramische als auch als karbidische Pulverzusammensetzung bezeichnet werden.
Somit ergibt sich für die Erfindung die technische Lehre, ein Eisenpulver, bevorzugt jedoch ein Stahlpulver nach verschiedenen DIN-Normen, die später angegeben werden, mit einem Keramikpulver verschiedener Zusammensetzungen zu mischen, um damit im Vergleich zu den Ausgangsmaterialien überlegene Materialeigenschaften für eine Umformmatrize zu erzielen.
Dabei wird bevorzugt, wenn die Keramik im SLM-Verfahren nicht aufgeschmolzen wird, sondern die Keramikpartikel sind in der Stahlmatrix eingebettet.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch die Materialzusammensetzung im geschmolzenen Werkstück nunmehr eine Matrix aus geschmolzenem Stahl vorliegt, in der ungeschmolzene Keramikpartikel eingebettet sind.
Bevorzugt 1/6 des Raumvolumens des aufgeschmolzenen Stahls ist damit gleichmäßig mit Keramik-Partikeln durchsetzt.
Es gibt noch weitere Vorteile bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens:

Keramik hat eine sehr hohe Härte, aber eine geringe Zähigkeit. Seiner Eigenschaft nach entspricht es einer Glasscheibe, die zerbrechlich ist. Im Gegensatz dazu ist es bei Stahl entgegengesetzt, denn Stahl hat eine geringe Härte, aber eine sehr hohe Zähigkeit. Beim Hartmetall kommt die hohe Härte von eingebetteten Keramikpartikeln zum Tragen. Bei Stahl kommt die hohe Zähigkeit vom Metall und die Erfindung nutzt in der Mischung die Vorteile vom Hartmetall nämlich die Härte von Keramik mit der Zähigkeit vom Stahl, sodass beide Eigenschaften in einem Material kombiniert werden.

Hartmetall ist ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff aus Kobalt und Karbiden und Karbide sind gleichzeitig als keramische Werkstoffe anzusehen. Das Kobalt ist in dem Hartmetall ungefähr zu 15% und die Keramik, bzw. Karbide sind 85% der Masse.
Bei dem Vergleich mit Hartmetall handelt es sich lediglich um ein Analogon, was bedeutet, dass in der vorliegenden Erfindung kein Hartmetall hinzugefügt wird und auch keine Hartmetallpartikel, sondern es wird nur ein Vergleich gezogen, dass auch ein mit Hartmetall veredelter Stahl die geforderten positiven Eigenschaften erhält, genauso wie bei der vorliegenden Erfindung das Stahlpulver bei der Zumischung mit Keramikpulver ebenfalls die überlegenen Eigenschaften erhält.
In einer bevorzugten Ausführung beansprucht die Erfindung unter anderem Schutz folgender Gegenstände in Alleinstellung oder in jeder beliebigen Kombination untereinander:

Die Erfindung beansprucht verschiedene Werkstoff-Klassen, die in der Verallgemeinerung XX folgenden DIN-Normklassen entsprechen. Dabei ist die Buchstabenfolge XX der Stellvertreter für eine zweistellige Zahlenkombination der Endziffer der jeweiligen DIN-Norm:
- DIN 1.33XX, bevorzugt, aber nicht beschränkt auf DIN 1.3343
- DIN 3.71XX bevorzugt, aber nicht beschränkt auf DIN 3.7165
- DIN 1.23XX bevorzugt, aber nicht beschränkt auf DIN 1,2379
- DIN 1.44XX bevorzugt, aber nicht beschränkt auf DIN 1.4404
- DIN 1.45XX bevorzugt, aber nicht beschränkt auf DIN 1.4562
- DIN 1.27XX bevorzugt, aber nicht beschränkt auf DIN 1.2709

Oben stehend wird von der jeweiligen Klassenangabe auch ein bevorzugtes Material aus der jeweiligen Klasse angegeben, obwohl die Erfindung auf dieses spezielle Material nicht beschränkt ist.
In einem verallgemeinerten Ausführungsbeispiel wird die bevorzugte Verarbeitung der Materialien der Hartmetall-Klassen aufgeführt, worauf die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist:

1. Verarbeiten des Materials 1.33XX oder 3.71XX oder 1.23XX oder 1.44XX oder 1.45XX oder 1.27XX im SLM-Verfahren und/oder
2. Mischen des 1.33XX- oder 3.71XX- oder 1.23XX- oder 1.44XX- oder 1.45XX- oder 1.27XX -Materials mit Karbiden
3. insbesondere Mischen des 1.33XX- oder 3.71XX- oder 1.23XX- oder 1.44XX- oder 1.45XX- oder 1.27XX-Materials mit 1% bis 50% Karbiden und/oder
4. Mischen des Grundmaterials mit Karbiden nach Ziffer 3 im SLM Verfahren und/oder
5. Mischen von den hier erwähnten ausgesuchten Materialien mit Karbiden und/oder
6. Mischen von Pulverkomponenten nach Ziffer 2 bis 5 mit Bornitriden und/oder
7. Generelles Mischen von Grundmaterial mit Karbiden für die additive Herstellung (FDM, LAS....) und/oder
8. Hinzumischung von Diamantpulver in allen Pulverzubereitungen nach Ziffer 1 bis7.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Verarbeitung der speziellen bevorzugten Materialien der Hartmetall-Klassen aufgeführt, worauf die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist:

1. Verarbeiten des Materials 1.3343 oder 3.7165 oder 1.2379 oder 1.4404 oder 1.4562 oder 1.2709 im SLM-Verfahren und/oder
2. Mischen des 1.3343- oder 3.7165- oder 1.2379- oder 1.4404- oder 1.4562-oder 1.2709-Materials mit Karbiden und/oder
3. insbesondere Mischen des 1.3343- oder 3.7165- oder 1.2379- oder 1.4404- oder 1.4562- oder 1.2709- Materials mit 1% bis 50% Karbiden und/oder
4. Mischen des Grundmaterials mit Karbiden nach Ziffer 3 im SLM Verfahren und/oder
5. Mischen von den hier erwähnten ausgesuchten Materialien mit Karbiden und/oder
6. Mischen von Pulverkomponenten nach Ziffer 2 bis 5 mit Bornitriden und/oder
7. Generelles Mischen von Grundmaterial mit Karbiden für die additive Herstellung (FDM, LAS....) und/oder
8. Hinzumischung von Diamantpulver in allen Pulverzubereitungen nach Ziffer 1 bis7.

Ein Vorteil des im additiven SLM-Verfahren hergestellten Umformmatrize ist, dass nun im selektiven Aufschmelzverfahren sehr harte und zähe metallische Werkstoffe erreicht werden können, wie z. B. 1.3343-Metalllegierungen, die erstmals eine nicht bisher bekannte Härte von mehr als 60 Rockwell-Härte der Umformmatrize bei gleichzeitige Schlagzähigkeit bei additiver Herstellung ermöglichen.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform beansprucht ein Verfahren zur Herstellung präziser Bauteile, vorzugsweise Kaltumformwerkzeuge, Kaltfließpressstempel und Matrizen durch Laserschmelzen oder Lasersintern eines Pulvermaterials, das aus einer Mischung von mindestens zwei Pulverelementen besteht, wobei die Pulvermischung durch den Hauptbestandteil Eisenpulver und weitere Pulverlegierungselemente gebildet ist, die in elementarer, vorlegierter oder teilweise vorlegierter Form vorliegen, wobei die Pulverelemente jedes für sich oder in beliebiger Kombination in folgenden Mengen gemäß der Norm DIN EN 10027-2 Nr. 1.3343 mit dem Kurznamen HS6-5-2C oder DIN EN 10027-2 Nr. 1.2709 zugegeben werden:

1.1 Eisen bis zu 79,50 M.-%
1.2 Kohlenstoff: von 0,86 bis zu 0,94 M.-%,
1.3 Chrom: von 3,80 bis zu 4,50 M.-%,
1.4 Mangan: weniger als 0,40 M.-%,
1.5 Phosphor: bis zu 0,03 M.-%,
1.6 Schwefel bis zu 0,03 M.-%,
1.7 Silizium: weniger als 0,45 M.-%,
1.8 Vanadium von 1,70 bis zu 2,00 M.-%,
1.9 Wolfram: von 5,9 bis zu M.-6,7%
1.10 Molybdän: von 4,7 bis 5,2 M.-% wobei im Verlaufe des Laserschmelzprozesses aus diesen Pulverelementen eine Pulverlegierung entsteht, wobei folgende, in elementarer, legierter oder vorlegierter Form vorliegende Pulverelemente jedes für sich oder in beliebiger Kombination der Legierung zusätzlich beigegeben werden:
1.11 Wolfram im Bereich zwischen 0,7, 10 und 35 M.-%, bevorzugt 10 M.-%,
1.12 Titan im Bereich zwischen 0,2, 3,2 bis 10,7 M.-%, bevorzugt 3,2 M.-%,
1.13 Kohlenstoff im Bereich zwischen 0,08, 1,23 bis zu 4,1 M.-%, bevorzugt 1,23 M.-%,
1.14 O im Bereich zwischen 0,00 bis zu 0,02 M.-%,
1.15 N im Bereich zwischen 0,00 bis zu 0,02 M.-%
1.16 Nicht definierte Reststoffe weniger als 0,05 M.-%,

In allen oben genannten Fällen wird durch die Hinzumischung von Karbiden die Dimensionsstabilität des im SLM-Verfahren hergestellten Körpers während der Aushärtung verbessert. Ein weiterer entscheidender Vorteil ergibt sich aus der verbesserten Abrasivität. Die Eigenschaften bezüglich der Bruchfestigkeit und Duktilität bleiben jedoch im Vergleich zum unbehandelten Ausgangsmaterial unverändert.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als Ausgangsstoff für die metallische Materialzusammensetzung, eine Zusammensetzung nach DIN 1.3343 gemäß der folgenden Tabelle verwendet:

Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung des metallischen Ausgangswerkstoffes nach DIN 1.3343 Tabelle 1

Eigenschaften
Schmieden	1100-900°C
Weichglühen	780-820°C 2-4 Std.
Glühhärte	Max 300 HB
Spannungsarmglühen
Vorwärmen zum Härten	Aufwärmen auf 450°C einstufig vorwärmen auf 850°C
Härten	1190-1230°C trockener Luftstrom oder Salzbad 500-550°C (64-66 HRC=norm. Arbeitshärte)
Anlassen	540-560°C mind. 2xlh oder n Anlassschild
Elemente	C	Cr	Mn	P	S	Si	V	Ni	Wo	Mo
min	0,86	3,80					1,70		6,00	4,70
max	0,94	4,50	<0,4	0,03	0,03	<0,45	2,00		6,70	5,20

In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die in der Tabelle 1 angegebenen Stoffe nunmehr in einem Gewichtsanteil von 85% in einer pulverförmigen Zumischung vorhanden sind und dass zu dieser Zumischung ein im Wesentlichen als Keramikpulver ausgebildete Materialzusammensetzung zugemischt wird und zwar in einem Bereich von etwa 10% bis 50%, wobei Zumischungswert von 15% bevorzugt wird.
Es wird eine Rockwell-Härte von 64-66 HRC erzielt, was im Vergleich zu Umformwerkzeugen sensationell ist.
Diese Anordnung der metallischen zuzumischenden Pulverwerkstoffe ist in der folgenden Tabelle 2 widergegeben:
Bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist demnach, dass die in der Tabelle 2 angegebenen keramischen Pulverwerkstoffe in dem oben genannten bevorzugten Zumischungsbereich (in Gewichtsprozenten) der metallischen Pulvermischung nach Tabelle 1 zugemischt werden, und schließlich ein zusammengesetzter Pulverwerkstoff ergibt, der somit überlegene Eigenschaften beim selektiven Laserschmelzverfahren (SLM) im Hinblick auf die erreichte Werkstoffgüte zeigt.
Dabei wird es bevorzugt, wenn der Pulverzusammensetzung pulverförmige Bornitride und/oder ein pulverförmiges Diamantpulver und/oder ein pulverförmiges Karbidpulver hinzugefügt werden.
Und fernen, wenn die verwendeten Bornitrid- und/oder Karbid- und/oder Diamant-Pulverkörper bei einer Korngrösse im Bereich zwischen 1 bis 40 Mikrometer eine kubische Form (CBN) und/oder eine gebrochene Form aufweisen.
Und ferner, die Schmelztemperatur der verwendeten keramischen und/oder karbidischen Pulverzusammensetzung weit über der Schmelztemperatur der metallischen Pulverzusammensetzungen liegt und dass im SLM-Verfahren oder SLS-Verfahren lediglich die metallischen Pulverzusammensetzungen aufgeschmolzen werden
Eine solche additive Herstellung hat den Vorteil, dass man schichtweise oder lagenweise übereinander folgend die Materialschichten auflegt und verschmilzt, wobei die aufeinander gelegten Materialebenen so homogen miteinander verschmelzen, dass am später hergestellten Werkstück keinerlei Inhomogenitäten mehr auftreten oder erkennbar sind.
Damit ergibt sich nun erstmals der Vorteil, dass die Herstellung der Schmiermittelkanäle und der Kühlmittelkanäle nicht mehr von matrizen-fremden, spanabhebenden Werkzeugen abhängig ist, die zur Herstellung dieser Schmiermittel- und Kühlmittelkanäle notwendig sind, sondern sie werden bei der Herstellung einer solchen, im additiven Umformverfahren hergestellten Umformmatrize gleich bei der Herstellung eingebracht und sind somit bei der additiven Herstellung der Umformmatrize in dieser integriert ohne dass es einer spanabhebenden Bearbeitung bedarf.
Dies führt zu bisher nicht bekannten Ergebnissen, nämlich die Integrität der Umformmatrize mit dem legierten harten Werkzeugstahl wird nicht verändert, es werden höhere Genauigkeiten bei der Materialumformung erzielt, es wird eine höhere Verschleißfestigkeit erzielt und außerdem kann die Presse mit einer höheren Hubzahl gefahren werden, was die Produktionsleistung wesentlich steigert. So konnten mit der neuartig hergestellten Umformmatrize Produktionsleistungssteigerungen um mehr als 20 % gegenüber den bekannten Umformmatrizen erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Umformmatrize kreisringförmig ausgebildet, die am formgebenden Innenumfang eine Vielzahl von Verzahnungen hat, die ein umlaufendes in sich geschlossenes Verzahnungsprofil bilden.
Das Verzahnungsprofil besteht aus radial vorstehenden Zahnköpfen und sich daran anschließenden Zahnfüßen, was jedoch nur als Beispiel für eine solche Umformmatrize angegeben wird.
In einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sind, dass die Umformmatrize mit einem radial auswärts gerichteten Zahnprofil ausgebildet ist, was bedeutet, dass das gesamte Zahnprofil radial auswärts gerichtet ist und nicht - wie im späteren Ausführungsbeispiel beschrieben - mit einem radial einwärts gerichteten Zahnprofil. Die werkstückberührte Oberfläche ist somit am Außenumfang angeordnet. Beide Ausführungsformen werden beansprucht.
Statt der Anordnung von der Umformung durchführenden Zahnprofilen gibt es auch noch andere Umformwerkzeuge mit anderen Umformprofilen, die im additiven SLM-Verfahren verwendet werden können, wie z. B. Biegebacken oder dgl.
Außerdem ist die hier dargestellte Umformmatrize nicht auf die werkstückseitige Umformung eines Zahnprofils beschränkt, sondern es können auch andere Profilformen in zugeordnete Werkstücke eingeprägt werden, wie z. B. Profile zur Herstellung von glatten topfförmigen Werkstücken oder Napfwerkstücken, wobei beliebige Formgebungen verwendet werden können.
Die Erfindung geht im Übrigen davon aus, dass eine solche Umformmatrize in einer Umformpresse verwendet wird, wobei eine bevorzugte Ausgestaltung der Umformpresse aus einem hydraulisch oder mechanisch angetriebenen Stempel besteht, an dessen Unterseite ein Formstempel angeordnet ist, der das umzuformende Werkstück aufnimmt, wobei der Stempel zusammen mit dem Formstempel und dem dort angeordneten Werkstück in die (Innen-)Aufnahme der Umformmatrize einfährt und die Umformmatrize aufgrund der einwirkenden Umformkräfte das Werkstück an seiner außen liegenden umlaufenden Wandung z. B. mit einem Zahnprofil versieht.
Statt einer hydraulisch angetriebenen Presse mit einem Stempelfuß und einem daran angeordneten Formstempel können auch andere Umformmaschinen verwendet werden, wie z. B. pleuelangetriebene Pressen, keilangetriebene Pressen, Durchschub-Pressen und dergleichen mehr.
Die Erfindung ist deshalb nicht auf die Umformmaschine selbst gerichtet, sondern auf die mit der Maschine verwendete Umformmatrize, deren Aufbau, Materialzusammensetzung und Herstellung.
Die Umformmatrize ist nicht auf eine runde Kreisringform beschränkt, sie kann eine beliebige Formgebung haben, wie z. B. eine Ovalform, eine Rechteck- oder Quadratform und dies bezieht sich auch auf die Umformaufnahme, in der das Werkstück umgeformt wird. Diese Aufnahme kann beliebiger Weise profiliert sein.
Auf diese Weise können auch beliebige Werkstücke anderer Art umgeformt werden, wie z. B. Edelstahl-Spülbecken, Kotflügel, Karosserieteile, wie z. B. Kühlerhauben und dergleichen mehr. Die Umformaufnahme ist somit dem umgeformten Werkstück angepasst.
Wichtig bei allen Ausführungsformen ist, dass es nun erstmals möglich ist, mit relativ geringen und einfachen Maßnahmen eine hoch belastbare Umformmatrize mit hohen Standzeiten zu schaffen, die eine punktgenaue Schmierung an jeder beliebigen Stelle im Bereich der werkstück-berührten Innenwandung ermöglicht und auch gegebenenfalls eine punktgenaue Kühlung, weil durch das additive Herstellverfahren an jeder beliebigen Stelle der Umformmatrize - nachdem deren einzelne Schichten in der Art von Flächenscheiben aufeinander gelegt werden - möglich ist, Kühlkanäle und/oder Schmierkanäle im Materialquerschnitt anzulegen, sodass auf eine die Festigkeit schwächende radiale Zuführung von Schmier- und/oder Kühlkanälen verzichtet werden kann.
So ist die Erfindung auch nicht mehr auf eine bestimmt Formgebung der Kanäle angewiesen, wie sie bei durch Bohren hergestellten Kanälen definiert sind. Statt der an sich bekannten rund profilierten Kanäle können somit auch anders geformte Kanäle für die Kühlung und Schmierung verwendet werden, wie z. B. Ovalkanäle, Rechteckkanäle, Quadratkanäle und dergleichen mehr. Die Formgebung der Kanäle wird dabei bevorzugt der geforderten hohen Verformungsfestigkeit der neuartigen Umformmatrize angepasst.
Außerdem können die Kanäle auch gitterförmig verlegt werden, was bedeutet, dass von einer einzigen Einspeisungsstelle ein Gitternetz von Schmierkanälen hergestellt werden kann, und in diesen Gitternetz aus Schmierkanälen können gezielt Schmiermittelauslässe in Richtung auf die werkstückberührte Fläche angeordnet werden, sodass die Schmiermittelauslässe direkt in die Umformzone der Umformmatrize führen. Die Schmiermittelauslässe können so direkt in die werkstoffberührte Umformoberfläche geführt sein oder sie können im Bereich von zirkularen Schmiermittelnuten angeordnet sein.
Gleiches gilt für die Anordnung der Kühlmittelkanäle, denn es ist nun erstmals möglich, mindestens einen ringsum laufenden, in sich geschlossenen Kühlmittelkanal vorzusehen, der sehr nahe an die Umformzone der Umformmatrize verlegt werden kann, wie es bisher bei den durch spanende Bearbeitung hergestellten Umformmatrizen nicht möglich war. Der eine oder die mehreren Kühlmittelkanäle sind Teil eines in sich geschlossenen Kühlmittelsystems.
Aus alledem ergibt sich, dass eine solche erfindungsgemäße Umformmatrize nicht mit konventionellen Mitteln herstellbar wäre, sondern auf das SLM-Verfahren oder ein damit vergleichbares Verfahren angewiesen ist. Ein mit dem SLM-Verfahren vergleichbares Verfahren wäre eine Electro-Beam-Melting oder ein DLMS-Verfahren (Direct Laser Metal Sintering) oder Laser Cladding oder Binder-Jetting-Verfahren, das hier ebenfalls angewendet werden kann.
Allen Verfahren ist gemeinsam, dass eine solche metallische Umformmatrize in einem additiven Herstellverfahren schichtweise aufgebaut wird und damit erstmals die Möglichkeit der punktgenauen Einbringung von Kühlmittelauslässen und Kühlmittelkanälen in Richtung auf die werkstückberührte Oberfläche gegeben ist, ohne dass eine materialschwächende, spanabhebende Bearbeitung notwendig ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sieht ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Umformmatrize eine Metallpulverzusammensetzung vor, die in einem Behälter aufbewahrt wird. Ergänzend kann es zu dieser Metallpulverzusammensetzung vorgesehen sein, dass in einem weiteren Behälter eine Keramik- und/oder Diamantpulverzusammensetzung vorgesehen, die in einer Homogenisierungsmaschine zu einem Pulvergemisch zusammengemischt und homogenisiert wird.
Mit einem Band wird das fertige Pulvergemisch einer 3D-Laserschmelzmaschine zugeführt und dort in einem Tank eingefüllt.
Zur Herstellung der neuartigen Umformmatrize wird ein Materialstrahl der Pulverzusammensetzung aus dem Tank in Richtung auf eine Bauplatte geschichtet und mit -einem Rakel auf eine bestimmte Materialdicke des Pulverbettes eingestellt. Auf dieses aus Pulver bestehende Materialbett wird der Laserstrahl eines Lasers selektiv gerichtet, sodass die schmelzbaren Teile der Pulverzusammensetzung an den durch eine Lasersteuerung vorgegebenen Stellen schichtweise aufschmelzen und sich ein vertikal aufbauender Schichtaufbau ergibt.
Jede Schicht kann beispielsweise eine Dicke von 40 Mikrometer aufweisen. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Es können andere Schichtdicken verwendet werden, wobei es bevorzugt wird, dass die einzelnen Schichten homogen miteinander verschmelzen und ein einheitliches homogenes Werkstück bilden, in dem die ungeschmolzenen Keramik- und/oder Diamantpulver-Partikel gleichmäßig eingebettet sind.
Die im Schichtaufbau hergestellte Umformmatrize besteht in seinem Hauptbestandteil aus einem Matrix-Material, welches dem metallischen Grundstoff der Metallpulverzusammensetzung entspricht, wobei in den Werkstoffverbund des Matrix-Materials nunmehr die Keramikpartikel und/oder der Keramikpulverzusammensetzung und/oder der Diamantpulverzusammensetzung gleichmäßig eingeschmolzen sind.
Es handelt sich bevorzugt um einen Kombinationswerkstoff, dessen innerer Aufbau durch die Zumischung oder Einbettung einer Keramikpulverzusammensetzung wesentlich verbessert wurde, wobei die Keramikpartikel eine Partikelgröße zwischen 1 und 45 Mikrometer aufweisen.
Die Dichte der Keramikpartikel im Matrixmaterial liegt im Bereich von 1,0 bis 5,0, bevorzugt jedoch 3,80 g/cm ³.
Die Partikel können sowohl in sphärischer Form, d.h. in Kugel, Kegel oder sonstiger kugelähnlicher Formgebung eingebettet sein, sie können jedoch auch als gebrochene Partikel vorgesehen werden, die eine noch bessere Haftung und Bindung im Metallmaterial vorfinden.
Die gleichen Angaben gelten auch für die Art, Größe und Zumischung von Diamantpulver.
Es liegt auf der Hand, dass in Abhängigkeit von der Kugelform oder von der gebrochenen Form auch die mechanischen Eigenschaften der damit hergestellten Umformmatrize veränderbar sind.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, könnten als erfindungswesentlich beansprucht werden, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Die Verwendung der Begriffe „wesentlich“ oder „erfindungsgemäß“ oder „erfindungswesentlich“ ist subjektiv und impliziert nicht, dass die so benannten Merkmale zwangsläufig Bestandteil eines oder mehrerer Patentansprüche sein müssen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:

1: schematisiert eine Umformpresse in einem ersten Verfahrenszustand
2: schematisiert die Umformpresse nach 1 in einem zweiten Verfahrenszustand
3: die perspektivische Ansicht eines Umformwerkzeuges, bestehend aus einem Haltering und einer innen liegenden Umformmatrize
4: eine vergrößerte Ansicht Z gemäß 3
5: eine Draufsicht auf die Anordnung nach 3
6: der Schnitt gemäß der Linie A-A in 5
7: eine vergrößerte Darstellung eines Schnitts gemäß X in 6
8: eine vergrößerte Darstellung eines Schnitts Y in 6
9: die gleiche Darstellung wie 5, jedoch mit der Anordnung zusätzlicher Kühlmittelkanäle
10: die gleiche Darstellung wie 6, jedoch mit der zusätzlichen Anordnung von Kühlmittelkanälen
11: ein vergrößerter Schnitt X in 10
12: ein vergrößerter Schnitt Y in 10
13: ein Schnitt gemäß der Linie Z-Z in 9
14: ein Ausführungsbeispiel für den schichtweisen Aufbau einer erfindungsgemäßen Umformmatrize mit Darstellung der Schnittführung gemäß den Linien N-N in 16 und P-P in 18
15: Ein Schnitt gemäß der Linie N-N in 14 in Höhe einer Schmiernut
16: vergrößerter Schnitt nach 15 gemäß dem Detail R
17: ein Schnitt gemäß der Linie P-P in 14 in Höhe des Kühlkanals
18: ein vergrößerter Schnitt nach 17 gemäß dem Detail T
19: eine schematisierte perspektivische Ansicht der Fertigung einer im schichtweisen Aufbau hergestellten Umformmatrize mit Schnitt durch eine Schmiernut
20: schematisiert eine Abwandlung einer Umformmatrize mit einem radial nach außen gerichteten Umformprofil

In den 1 und 2 ist eine hydraulische Presse schematisiert dargestellt, die aus einem Stempelfuß 1 besteht, der mit einem nicht näher dargestellten hydraulischen Antrieb in Pfeilrichtung 3 in Richtung der Längsachse 16 des Umformwerkzeugs 5 abgesenkt werden kann und in Gegenrichtung hierzu angehoben werden kann. Am Stempelfuß 1 ist ein Formstempel 2 angeordnet, der ein napfförmiges, nach oben öffnendes Werkstück trägt, welches umzuformen ist. Das Werkstück 4 sitzt auf einem Auswerfer 17. Diese Längsachse 16 gilt auch für das zentrisch zur Längsachse ausgerichtete Umformwerkzeug 5 mit der darin zentrisch angeordneten Umformmatrize 10.
In 1 ist dieses Werkstück 4 kurz vor der Umformung, und in 2 ist das umgeformte Werkstück dargestellt, welches als Werkstück 4' durch die Umformmatrize 5 hindurchgefahren ist und mit einem Zahnprofil 18 versehen ist.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 3 besteht das Umformwerkzeug 5 aus einem außen liegenden Haltering 6, der eine zylindrische Innenaufnahme zeigt, in der die ringförmige Umformmatrize 10 unter radialer Vorspannung eingepasst ist.
Der Haltering 6 wird auch als Schrumpfring bezeichnet, weil er durch Aufschrumpfen auf die Umformmatrize 10 eine radiale Vorspannung 8 in Pfeilrichtung 7 erzeugt.
Durch die Anordnung des Halterings 6 mit der radial nach innen gerichteten Vorspannung 8 wird somit der Außenring der Umformmatrize 10 stabilisiert und vorgespannt, so dass noch größere Umformkräfte von der Umformmatrize 10 auf den Haltering 6 übertragen werden können.
Als weiteres Beispiel ist angegeben, dass die Innenaufnahme 9 des Halterings 6 in axialer Richtung konisch zulaufend ausgebildet ist, wie beispielsweise in 1 dargestellt, wobei der in gleicher Weise ausgebildete konische Außenring der Umformmatrize 10 in diese Innenaufnahme 9 eingepresst ist. Auf diese Weise wird ebenfalls noch eine zusätzliche radiale Vorspannung auf die Umformmatrize 10 erzeugt.
Hierauf ist die Erfindung nicht angewiesen. Statt konisch ausgebildeten, aneinander anliegenden Teilen 9, 11 können auch die genannten Teile zylindrisch ineinander greifen und die Umformmatrize 10 wird in einem flüssigen Stickstoffbad so stark abgekühlt, dass sie schrumpft und nach der Entnahme aus dem Bad wird sie in den Haltering 6 eingesetzt, um sich dann radial auszudehnen und im Haltering 6 festzulegen.
Statt der genannten Schrumpfung oder der konischen Flächen können die beiden Teile auch mechanisch ineinander gepresst werden.
Im zweiten Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 ist erkennbar, dass im Bereich der Umformmatrize 10 mindestens ein zirkulär umlaufender Kühlmittelkanal 13 angeordnet ist und dass ferner zur Schmiermittelversorgung axial gerichtete Steigkanäle 14 vorgesehen sind, welche mit zugeordneten, etwa in radialer Richtung verlaufenden Schmiermittelkanälen 12 in flüssigkeitsleitender Verbindung stehen.
Die 3 und 4 zeigen ein bevorzugtes Zahnprofil 18 am Innenumfang der Umformmatrize 10, wobei das Zahnprofil aus radial nach innen vorstehenden Zahnköpfen und radial nach außen vorstehenden Zahnfüßen 21 besteht, die sich in Umfangsrichtung zyklisch miteinander abwechseln.
So ist es nicht lösungsnotwendig, die Zahnköpfe und Zahnfüße in gleicher Weise auszubilden.
Die 4 zeigt ein solches Profil, wobei der Zahnkopf 20 schmaler ausgebildet ist, als vergleichsweise der Zahnfuß 21.
Die 4 zeigt auch, dass es nun erstmals möglich ist, mit einer im additiven SLM-Verfahren hergestellten Umformmatrize 10 umlaufende, halboffene und in der Innenwandung der Umformmatrize 10 verlaufende Schmiernuten 22 auszubilden.
Die Schmiernuten 22, die in unregelmäßigen axialen Abständen gemäß 4 an der Innenwandung der Umformmatrize 10 angeordnet sind, verteilen das Schmiermittel, welches gezielt aus einzelnen Schmiermittelauslässen 19 herausdringt, über die gesamte werkstückberührte Wandung der Umformmatrize 10, wie in 4 dargestellt.
Die Bohrungen 19 sind bevorzugt im rechten Winkel zu der Längsachse der Schmiernuten 22 ausgebildet, wie dies anhand der 5 bis 8 dargestellt ist.
So zeigen die 7 und 8 beispielsweise, dass ausgehend von einem etwa in axialer Richtung gerichteten Steigkanal 14 das Schmiermittel in Pfeilrichtung 15, z. B. von unten her eingespeist wird, wobei die einzelnen Steigkanäle 14 voneinander getrennt sind und nur stückweise vorhanden sind. Sie erstrecken sich in vertikaler Richtung gleichmäßig verteilt am Umfang der Umformmatrize.
In einer anderen Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass die Steigkanäle 14 ringsum laufend durch einen Ringkanal miteinander verbunden sind, was jedoch im Hinblick auf die geforderte hochfeste Ausbildung der Umformmatrize 10 eher nur für gering belastete Umformmatrizen vorgesehen ist.
Bei hochbeanspruchten Umformmatrizen wird stattdessen die stückweise gleichmäßig am Umfang verteilte Anordnung von separaten Steigkanälen 14 bevorzugt, wobei nicht dargestellt ist, dass die Steigkanäle in einem getrennten Bauteil durch eine zentrale Schmiermittelversorgung miteinander verbunden sein können.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Steigkanal 14 einen Winkel von weniger als 90° zur Längsachse, wie in den 7 und 8 dargestellt ist.
In einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Längserstreckung des Steigkanals 14 einen Winkel von 90°zur Mittenquerebene durch die Umformmatrize 10 bildet.
Die 7 und 8 zeigen auch, dass ausgehend von dem jeweils punktförmig vorhandenen Steigkanal 14 nunmehr eine Anzahl von Schmiermittelkanälen 12 abzweigt, die nach vorne hin offen sind und in Schmiermittelauslässen 19 münden, welche in die umlaufenden Schmiernuten 22 einlaufen, welche Teil der werkstückberührten Oberfläche sind.
Damit ist sichergestellt, dass sich das Schmiermittel vom Steigkanal 14 ausgehend in Pfeilrichtung 15 über die einzelnen Schmiermittelkanäle 12 in radialer Richtung verteilt und über die angeordneten Schmiermittelauslässe 19 in die halboffenen Schmiernuten 22 in die Innenseite der Umformmatrize 10 einmünden.
Damit wird eine vollständige, sich über die gesamte Oberfläche der Umformmatrize 10 erstreckende Schmiermittelschmierung erreicht.
In den 9 bis 13 sind die gleichen Teile wie vorstehend in den 5 bis 8 beschrieben dargestellt, so dass für die gleichen Teile die gleiche Beschreibung gilt.
Zusätzlich zu der Beschreibung nach den vorstehenden 1 bis 8 zeigen die 9 bis 13 jedoch noch die zusätzliche Anordnung von ein oder mehreren Kühlmittelkanälen, bei denen der Vorteil besteht, dass der jeweilige Kühlmittelkanal bevorzugt umlaufend in sich geschlossen sehr nahe an der Umformfläche der Umformmatrize 10 angeordnet werden kann, weil er im Material der Umformmatrize 10 integriert ist. Es bedarf keiner besonderen mechanischen spanabhebenden Bearbeitung, weil der Kühlmittelkanal im Material der Umformmatrize integriert ist und deshalb kann er besonders dicht an der Innenwandung der Umformmatrize 10 angeordnet sein.
Die 13 zeigt dabei, dass an der Unterseite der Umformmatrize 10 ein Einlass 25 und ein Auslass 26 für das Kühlmittel angeordnet sein können und das Kühlmittel läuft über den Einlass 25 in den an der Innenseite der Umformmatrize 10 direkt dahinter angeordneten Kühlmittelkanal 13 ein und läuft ringförmig um die Fläche der Umformmatrize 10 herum und verlässt dann am Auslass 26 die Umformmatrize.
Damit wird eine werkstücknahe Kühlung der Umformmatrize 10 genau im Bereich des Zahnprofils 18 erreicht, wobei die Erfindung nicht nur auf einen einzigen Kühlmittelkanal 13 angewiesen ist. Es können eine Vielzahl von zueinander parallelen Kühlmittelkanälen 13 im Material der Umformmatrize 10 angeordnet werden.
Es ist auch möglich, die Kühlmittelkanäle 13 gitterförmig auszubilden, was bedeutet, dass von einem einzigen ringsum laufenden Kühlmittelkanal Steigbohrungen zu dem nächsten, darüber oder darunter liegenden Kühlmittelkanal vorgesehen werden können, um so mit einem einzigen Einlass 25 und einem Auslass 26 ein Gitternetz von Kühlmittelkanälen mit Kühlmittel zu versorgen.
Die gleiche Technik der gitterartigen Ausbildung von Schmiermittelkanälen kann auch gemäß den 5 bis 8 verwendet werden, wobei in diesem Fall beispielsweise nur ein einziger punktförmiger Steigkanal 14 vorhanden ist und dann die interne Verteilung des Schmiermittels über Verbindungen zwischen den einzelnen Schmiermittelkanälen 12 erfolgt.
Deshalb kann sich auch ein Gitterwerk von Schmiermittelkanälen 12 am Innenumfang der Umformmatrize 10 angeordnet sein.
Die 14 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für das schichtweise Aufeinanderlegen von miteinander verschmelzbaren metallischen Legierungsmaterialien, die nach der Fertigstellung zu einem absolut homogenen Körper einer Umformmatrize verschmelzen, der hoch fest ist und überlegene Materialeigenschaften gegenüber einem gewalztem oder geschmiedeten Werkzeug aufweist.
Die 14 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Umformmatrize 10, wobei der Schichtaufbau 29 lediglich schematisiert dargestellt ist und zur weiteren Verdeutlichung ein erster Schnitt in Höhe einer Schmiernut 22 gemäß der Linie N-N angefertigt ist, während ein zweiter Schnitt PP in Höhe eines Kühlmittelkanals 13 angelegt ist.
Wie vorher ausführlich beschrieben, ist ein besonderer Vorteil der Erfindung darin zu sehen, dass die Schmierölzuführung 34 und gegebenenfalls auch die Zuführung für das Kühlmittel von einer der stirnseitigen Deckflächen aus erfolgt, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel schematisiert dargestellt ist, dass die Schmierölzuführung 34 auf der Seite der unteren Deckfläche 33 angeordnet ist. Es gibt demnach keine radialen Bohrungen mehr, welche den Querschnitt des Materials der Umformmatrize 10 schwächen könnten, sondern die Schmierölzuführung 34 erfolgt von der unteren Deckfläche 33 in Pfeilrichtung nach oben, wo das Schmieröl (siehe 19) zunächst in einen axial verlaufenden Steigkanal 14 gelangt, dessen Längserstreckung bevorzugt einen Winkel im Bereich von 0 bis 20° zur Vertikalen (= Längsachse 16) einnimmt, um vom Ende des Steigkanals 14 ausgehend in einen etwa senkrecht daran anschließenden, etwa radial gerichteten (horizontalen) Schmiermittelkanal 12 überzugehen, welcher Schmiermittelkanal 12 unmittelbar an seinem Auslassende in den Schmiermittelauslass 19 mündet, der seinerseits im Bereich einer am Innenumfang umlaufenden, bevorzugt halboffenen Schmiernut 22 angeordnet ist.
So zeigt die 16 als Detail R aus der 15 den Querschnitt der axialen Steigkanäle 14, die nicht zwangsläufig rund profiliert sein müssen, sondern aus Festigkeitsgründen auch rechteckförmig profiliert sein können, wobei die längere Rechteckseite radial gerichtet ist und die konisch zulaufenden radialen Schmiermittelkanäle 12 übergehen, an deren relativ kleinen, etwa punktförmigen Schmiermittelauslässen 29 der flüssigkeitsleitende Übergang in die zirkular umlaufende - bevorzugt halboffene - Schmiernut 22 erfolgt.
Von den Schmiermittelauslässen 19, welche in die Schmiernut 22 münden, verteilt sich das Schmieröl gleichmäßig im Bereich der Schmiernut 22 in den Pfeilrichtungen 23 und 24 (siehe 4).
Die 16 zeigt demnach schematisiert einen Schnitt durch eine Schichtfläche 27 für die Herstellung der zirkular umlaufenden Schmiernut 22.
In analoger Weise stellt die 17 einen Schnitt durch eine Schichtfläche 28 dar, die in Höhe des zirkular umlaufenden Kühlmittelkanals 13 angelegt ist. Der Kühlmittelkanal 13 ist nahe an das den Innenumfang ausbildende Zahnprofil 18 gelegt, um eine besonders günstige Kühlung des Zahnprofils 18 zu erreichen.
Wie eingangs ausgeführt, kann die Kühlung mit dem einen oder den mehreren Kühlmittelkanälen 13 auch entfallen und nur die beschriebenen Schmiermittelkanäle vorhanden sein.
Die 19 zeigt schematisiert eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Umformmatrize nach dem SLS- oder SLM-Verfahren, wobei eine nicht näher dargestellte Laserquelle einen Laserstrahl auf einen 3D-Ablenkspiegel 30 richtet, der in allen drei Raumachsen bewegbar angetrieben ist. Der vom Ablenkspiegel 30 gesteuerte Laserstrahl 31, 31', 31''schmilzt selektiv in jeweils einer bestimmten Schichtebene die metallische Pulverlegierung auf und bei diesem schichtweisen Aufschmelzvorgang werden die erfindungsgemäße Schmierölversorgung und/oder Kühlmittelversorgung im Material der Umformmatrize 10 integriert.
In 19 ist demnach schematisiert ein Schnitt durch eine Schichtfläche 27 dargestellt, in welche gerade die Schmiermittelkanäle angelegt werden.
Der auf dieser Schichtfläche 27 arbeitende Laserstrahl schmilzt selektiv das Material in dieser Schicht auf, lässt aber die in dieser Schicht noch halboffenen Schmiermittelkanäle 12 unbearbeitet, so dass sie als halboffene, vertiefte radiale Kanäle an die bereits schon im Material ausgebildeten axialen Steigkanälen 14 anschließen, wobei die Schmiermittelkanäle 12 radial einwärts in Schmiermittelauslässen 19 münden, die in die umlaufende Schmiernut 22 hineinreichen.
Mit einer oder zwei oder mehreren darüber liegenden Schichtflächen, die auf der Schichtfläche 27 dann später aufgetragen werden, werden die in der Schichtfläche 27 noch halboffen angelegten Schmiermittelkanäle 12 geschlossen, so dass diese im Material integriert sind und flüssigkeitsleitend mit den bereits schon vorher angelegten Steigkanälen 14 verbunden sind.
Aus Einfachheitsgründen ist im unteren Teil der 19 nicht dargestellt, dass die Steigkanäle 14 im radialen Abstand zu den innen liegenden Schmiermittelauslässen 19 angeordnet sind.
Die 19 zeigt ferner, dass die axialen Steigkanäle 14 jeweils bodenseitig im Bereich der unteren Deckfläche Anschlussstellen 32 aufweisen, die flüssigkeitsleitend mit zugeordneten, als Stichleitungen ausgebildeten Anschlussstücken 39 verbunden sind, welche Anschlussstücke 39 wiederum flüssigkeitsleitend mit einem schmiermittel-führenden Versorgungsschlauch 35 verbunden sind.
Der Versorgungsschlauch ist Teil der Schmierölzuführung 34, wo über den Einlass 36 das Schmieröl in Pfeilrichtung 38 eingebracht wird und in Pfeilrichtung 38 am Auslass 37 ausläuft.
Die 19 zeigt eine externe Schmierölzuführung 34 über den Versorgungsschlauch 35 und davon abzweigende Anschlussstücke 39.
Es kann in einer anderen, nicht näher dargestellten Ausführungsform auch vorgesehen sein, dass die Schmierölzuführung 34 mit dem Versorgungsschlauch 35 und den Anschlussstücken 39 im Material der Umformmatrize 10 integriert ist.
Die Erfindung beschreibt somit eine Umformmatrize 10 für das Druckumformen von metallischen Werkstücken 4, 4' mit einer Umformpresse, an deren verschiebbar angetriebenen Stempelfuß 1 ein Formstempel 2, 2' angeordnet ist, der das umzuformende Werkstück 4, 4' trägt, wobei die Umformmatrize 10 ein Umformprofil 18 aufweist, das formgebend an einer zugeordneten Oberfläche des Werkstücks 4, 4' relativ zum Werkstück bewegbar ist, wobei die Umformmatrize 10 im additiven Herstellverfahren schichtweise bevorzugt im selektiven LaserSchmelzverfahren hergestellt ist, und die werkstück-berührte Oberfläche 18 mit zirkularen Schmiernuten 22 geschmiert ist, wobei die Schmiernuten 22 über radial gerichtete Steigkanäle 14 mit einer Schmierölversorgung verbunden ist.
Dabei wird es bevorzugt, wenn ein oder mehrere Schmiernuten 22 und/oder ein oder mehrere Kühlmittelkanäle 13 im werkstück-berührten Umformprofil 18 der Umformmatrize 10 während deren Herstellung im Schmelzverfahren integriert werden. Damit kann auf eine spanabhebende Bearbeitung verzichtet werden, die stets mit einer Schwächung des Materialquerschnitts verbunden ist.
Die 20 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel, dass die Formgebung der Umformmatrize 10 nicht auf eine zentrale Innenausnehmung mit dem dort angeordneten Umformprofil beschränkt ist. Vielmehr zeigt die 20 eine Umformmatrize 10', für welche die gesamte vorstehende Beschreibung gilt und deren formgebendes Umformprofil am Außenumfang angeordnet ist. Das formgebende Umformprofil kann dabei beliebig geformt sein und beispielsweise als Zahnprofil oder als glattes Profil ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Stempelfuß
2: Formstempel
3: Pfeilrichtung
4: Werkstück 4'
5: Umformwerkzeug
6: Haltering
7: Pfeilrichtung
8: Vorspannung
9: Innenaufnahme (von 6)
10: Umformmatrize
11: Außenring (von 10)
12: Schmiermittelkanal (radial)
13: Kühlmittelkanal
14: Steigkanal (axial)
15: Pfeilrichtung
16: Pfeilrichtung
17: Auswerfer
18: Zahnprofil
19: Schmiermittelausstoß
20: Zahnkopf
21: Zahnfuß
22: Schmiernut
23: Pfeilrichtung
24: Pfeilrichtung
25: Einlass (von 13)
26: Auslass (von 13)
27: Schichtfläche (Schmier-)
28: Schichtfläche (Kühl-)
29: Schichtaufbau
30: 3-D-Ablenkspiegel
31: Laserstrahl
32: Anschlussstelle
33: Deckfläche (unten)
34: Schmierölzuführung
35: Versorgungsschlauch
36: Einlass
37: Auslass
38: Pfeilrichtung
39: Anschlussstück

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013006150 A1 [0002, 0004, 0010]
EP 3441156 A1 [0002, 0003]
DD 237621 A1 [0002]
DE 102011121336 A1 [0007]
WO 2005/077639 A1 [0007]
WO 0211928 A1 [0021]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 1.33XX [0049]
DIN 1.3343 [0049]
DIN 3.71XX [0049]
DIN 3.7165 [0049]
DIN 1.23XX [0049]
DIN 1,2379 [0049]
DIN 1.44XX [0049]
DIN 1.4404 [0049]
DIN 1.45XX [0049]
DIN 1.4562 [0049]
DIN 1.27XX [0049]
DIN 1.2709 [0049]
Norm DIN EN 10027-2 [0054]
DIN EN 10027-2 [0054]

Claims

Umformmatrize (10, 10') für das Druckumformen von metallischen Werkstücken (4, 4') mit einer Umformpresse, an deren verschiebbar angetriebenen Stempelfuß (1) ein Formstempel (2, 2') angeordnet ist, der das umzuformende Werkstück (4, 4') trägt, wobei die Umformmatrize (10) ein werkstück-berührtes Umformprofil (18) aufweist, das formgebend an einer zugeordneten Oberfläche des Werkstücks (4, 4') relativ zum Werkstück bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformmatrize (10, 10') im additiven Herstellverfahren schichtweise im selektiven Schmelzverfahren hergestellt ist und dass ein oder mehrere Schmiernuten (22) und/oder ein oder mehrere Kühlmittelkanäle (13) im Material der Umformmatrize (10) integriert sind.
Umformmatrize (10, 10') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Selectiv Laser Melting (SLM)-Verfahren und/oder im SLS-Verfahren (Lasersintern) und/oder mittels Laserauftragsschweissen hergestellt ist.
Umformmatrize (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer zusammengesetzten Eisenpulverlegierung, bevorzugt aus einer Stahlpulverlegierung, besteht, und dass Keramikpulver mit bis zu 80%, bevorzugt 30% M-% unter das Eisenpulver gemischt ist und im SLM- oder SLS-Verfahren verarbeitet wird.
Umformmatrize (10, 10') für das Druckumformen von metallischen Werkstücken (4, 4') mit einer Umformpresse, an deren verschiebbar angetriebenen Stempelfuß (1) ein Formstempel (2, 2') angeordnet ist, der das umzuformende Werkstück (4, 4') trägt, wobei die Umformmatrize (10) ein Umformprofil (18) aufweist, das formgebend an einer zugeordneten Oberfläche des Werkstücks (4, 4') relativ zum Werkstück (4, 4') bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die werkstückberührten Oberflächen (18) der Umformmatrize (10, 10') ein oder mehrere Schmiermittelauslässe (19) flüssigkeitsleitend münden.
Umformmatrize nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittelauslässe (19) im Material der Umformmatrize (10, 10') mit radial verlaufenden Schmiermittelkanälen (12) flüssigkeitsleitend verbunden sind, die im Winkel zur Längserstreckung der den Materialquerschnitt der Umformmatrize (10, 10') durchsetzen.
Umformmatrize (10, 10') nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittelauslässe (19) im Bereich von ein oder mehreren halboffenen Schmiernuten (22) angeordnet sind, welche in die werkstückberührte Oberfläche der Umformmatrize (10, 10') münden.
Umformmatrize (10, 10') für das Druckumformen von metallischen Werkstücken (4, 4') mit einer Umformpresse, an deren verschiebbar angetriebenen Stempelfuß (1) ein Formstempel (2, 2') angeordnet ist, der das umzuformende Werkstück (4, 4') trägt, wobei die Umformmatrize (10, 10') ein glattes oder gezahntes Umformprofil (18) aufweist, das formgebend an einer zugeordneten Oberfläche des Werkstücks (4, 4') relativ zum Werkstück (4, 4') bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umformmatrize (10, 10') ein oder mehrere zirkulare Kühlmittelkanäle (13) angeordnet sind, in welche annähernd axial ausgerichtete Ein- und Auslasskanäle (25, 26) eines Kühlkreislaufes flüssigkeitsleitend münden.
Umformmatrize (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem kreisring-förmigen, legierten Metallkörper (6) besteht, dessen Innenaufnahme die Umformmatrize (10) aufnimmt, welche die radial einwärts gerichtete formgebende Oberfläche (18) aufweist.
Umformmatrize (10') nach einem der Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformmatrize (10') am Außenumfang die radial auswärts gerichtete, formgebende Oberfläche (18) aufweist, (20).
Verfahren zur Herstellung von Kaltumformwerkzeugen, Kaltfließpressstempeln oder Umformmatrizen (10, 10') durch Laserschmelzen oder Lasersintern eines Pulvermaterials, das aus einer Mischung von mindestens zwei Pulverelementen besteht, wobei die Pulvermischung durch den Hauptbestandteil Eisenpulver und weitere Pulverlegierungselemente gebildet ist, die in elementarer, vorlegierter oder teilweise vorlegierter Form vorliegen, wobei die Pulverelemente jedes für sich oder in beliebiger Kombination in folgenden Mengen gemäß der Norm DIN EN 10027-2 Nr. 1.3343 mit dem Kurznamen HS6-5-2C oder DIN EN 10027-2 Nr. 1.2709 zugegeben werden: 1.1 Eisen bis zu 79,50 M.-% 1.2 Kohlenstoff: von 0,86 bis zu 0,94 M.-%, 1.3 Chrom: von 3,80 bis zu 4,50 M.-%, 1.4 Mangan: weniger als 0,40 M.-%, 1.5 Phosphor: bis zu 0,03 M.-%, 1.6 Schwefel bis zu 0,03 M.-%, 1.7 Silizium: weniger als 0,45 M.-%, 1.8 Vanadium von 1,70 bis zu 2,00 M.-%, 1.9 Wolfram: von 5,9 bis zu M.-6,7% 1.10 Molybdän: von 4,7 bis 5,2 M.-% wobei im Verlaufe des Laserschmelzprozesses aus diesen Pulverelementen eine Pulverlegierung entsteht, wobei folgende, in elementarer, legierter oder vorlegierter Form vorliegende Pulverelemente jedes für sich oder in beliebiger Kombination der Legierung zusätzlich beigegeben werden: 1.11 Wolfram im Bereich zwischen 0,7, 10 und 35 M.-%, bevorzugt 10 M.-%, 1.12 Titan im Bereich zwischen 0,2, 3,2 bis 10,7 M.-%, bevorzugt 3,2 M.-%, 1.13 Kohlenstoff im Bereich zwischen 0,08, 1,23 bis zu 4,1 M.-%, bevorzugt 1,23 M.-%, 1.14 O im Bereich zwischen 0,00 bis zu 0,02 M.-%, 1.15 N im Bereich zwischen 0,00 bis zu 0,02 M.-% 1.16 Nicht definierte Reststoffe weniger als 0,05 M.-%,
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der im Verfahren nach Anspruch 10 hergestellten Pulverzusammensetzung noch zusätzlich Karbidpulver und/oder Diamantpulver zugesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgenannte Stahl- oder Eisenpulver durch nicht-metallische Pulverzusammensetzungen ersetzt und/oder ergänzt ist.
Umformmatrize (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 hergestellt ist.