-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Formbacke für einen Corrugator und eine nach dem Verfahren hergestellte Formbacke.
-
Die
DE 11 2016 003 471 T5 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional geformten Formerzeugnisses und ein nach diesem Verfahren hergestelltes Formerzeugnis. Das Formerzeugnis wird schichtweise hergestellt, indem eine Pulverschicht abschnittsweise mit einem Lichtstrahl bestrahlt und auf diese Weise versintert wird. Durch die Bestrahlung wird das Pulver verfestigt, sodass anschließend eine weitere Pulverschicht aufgetragen werden kann. Durch Wiederholen dieser Schritte kann eine dreidimensionale Struktur erzeugt werden, die einen Strömungsweg für Kühlmittel aufweisen kann.
-
Die
DE 27 53 297 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung eines thermoplastischen Schlauchs oder Rohrs. Der Schlauch oder das Rohr wird kontinuierlich in einem hohlzylindrischen Formtunnel extrudiert, indem der Schlauch oder das Rohr durch Blähen expandiert wird. Der hohlzylindrische Formtunnel, der auch als Corrugator bezeichnet wird, wird durch eine Vielzahl von je zwei zusammenwirkend aneinander angreifende Formblöcke gebildet, die in einem Umlauf bewegt werden.
-
In der
DE 100 13 474 A1 wird ein Temperiersystem für thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile vorgeschlagen. Dazu weist das Temperiersystem Temperierkanäle oder Temperierhohlräume auf, die durch ein Temperiermittel durchströmt werden können.
-
Die Herstellung von Kunststoffwellrohren erfolgt mittels eines Extruders, in dem eine Kunststoffschmelze zu einem Schlauch geformt wird. Das Ausformen der aus dem Extruder austretenden schlauchartigen, verformbaren Kunststoffschmelze zu einem Kunststoffwellrohr erfolgt durch einen Corrugator. Ein Corrugator umfasst eine Mehrzahl von paarweise angeordneten Formbacken, die jeweils eine halbkreisförmige Innenfläche besitzen und zu einem Kreis zusammengesetzt sind, sodass sie den aus dem Extruder in dem erwärmten, verformbaren Zustand austretenden Schlauch außenseitig umgeben. Die Innenflächen der Formbacken dienen dabei als Negativkontur für das herzustellende Wellrohr. Die schlauchförmige, aus dem Extruder austretende Kunststoffschmelze wird durch eine Vakuumpumpe über Vakuumschlitze in den Formbacken nach außen an die Innenflächen der Formbacken gesaugt, sodass der verformbare Schlauch die gewünschte Kontur eines Wellrohrs erhält, bei dem sich Abschnitte mit zwei unterschiedlichen Durchmessern in Längsrichtung abwechseln.
-
Die paarweise angeordneten Formbacken werden so angetrieben, dass sie den aus dem Extruder austretenden Abschnitt des Schlauchs beim Austreten aus dem Extruder mitnehmen. Im Anschluss daran trennen sich beide Formbacken und werden auf entgegengesetzten Bahnen von dem hergestellten Wellrohr wegbewegt. Die Formbacken mit den halbkreisförmigen Innenflächen werden in einem Umlauf bewegt, sodass sie am Extruder wieder zusammengeführt werden und gemeinsam die kreisförmige Negativkontur bilden. Der Corrugator weist eine Vielzahl derartiger Paare von Formbacken auf. Auf diese Weise wird ein endloses Kunststoffwellrohr hergestellt.
-
Herkömmliche Formbacken werden aus Vollmaterial durch Fräsen oder Drehen hergestellt. Teilweise werden bei Formbacken auch Vakuumschlitze durch Erodieren erzeugt, um den erwärmten, plastisch verformbaren Schlauch durch Beaufschlagen mit Unterdruck nach außen an die Innenseite der Formbacken zu „saugen“. Die Herstellung der Vakuumschlitze durch Erodieren ist aufwendig, langsam und teuer.
-
Formbacken besitzen üblicherweise Kühlkanäle, die während des Betriebs von einem Kühlfluid durchströmt werden, um den Abkühlvorgang des geformten Wellrohrs zu beschleunigen. Diese Kühlkanäle werden durch konventionelle spanende Metallverarbeitungsverfahren wie Bohren oder Drehen erzeugt. Allerdings ermöglichen diese Herstellungsverfahren nur die Herstellung von Kühlkanälen mit einfacher Geometrie. Herkömmliche Herstellungsverfahren schränken somit die Möglichkeiten für die Formgebung der Kühlkanäle ein. Zudem weisen die üblicherweise aus einer Stahllegierung hergestellten Formbacken eine beachtliche Masse auf, sodass die dadurch hervorgerufenen Fliehkräfte einen entsprechend stabil gebauten Antriebsmechanismus erfordern.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Formbacke für einen Corrugator anzugeben, bei dem eine größere Freiheit hinsichtlich der Formgebung der Kanäle besteht.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Auftragen einer ersten Schicht eines Metallpulvers in Form eines Pulverbetts auf ein Substrat, selektives Versintern des aufgetragenen Metallpulvers durch ein Strahlwerkzeug zum Erzeugen einer Formbackenschicht, schrittweises Auftragen weiterer Metallpulverschichten auf das Pulverbett und selektives Versintern der jeweiligen Metallpulverschicht durch das Strahlwerkzeug, wobei durch das selektive Versintern Kanäle in der Formbacke ausgebildet werden, Erzeugen einzelner oder zusammenhängender Hohlräume beim schrittweisen Versintern im Inneren der dreidimensionalen Formbacke; Bilden einer dreidimensionalen, die Hohlräume aufweisenden Fachwerkstruktur beim Versintern und Nachbearbeiten zumindest einer halbzylinderförmigen Innenfläche der Formbacke durch ein spanendes Metallverarbeitungsverfahren.
-
Die Erfindung beruht auf der Idee, dass eine Formbacke mit einer praktisch beliebigen Struktur durch ein additives Verfahren hergestellt werden kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen eine Formbacke durch ein spanendes Verfahren aus einem quaderförmigen oder zylinderförmigen Halbzeug hergestellt wird, sind durch das erfindungsgemäße Verfahren beliebige dreidimensionale Strukturen realisierbar. Insbesondere besteht die Möglichkeit, Vakuumkanäle und/oder Kühlkanäle im Inneren einer Formbacke zu erzeugen, die einen praktisch beliebigen Verlauf besitzen. Beispielsweise kann ein Kühlkanal abschnittsweise in Längsrichtung und abschnittsweise in Umfangsrichtung im Inneren einer Formbacke verlaufen. Ein Kühlkanal kann auch mäanderförmig in einem bestimmten Abstand von der Innenseite einer Formbacke verlaufen. Mit einem herkömmlichen, spanenden Verfahren können derartige Verläufe von Kanälen, die als Vakuumkanäle oder Kühlkanäle dienen, hingegen nicht erzeugt werden.
-
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Kanäle abschnittsweise in einem im Wesentlichen konstanten Abstand von der halbzylinderförmigen Innenfläche verlaufen. Auf diese Weise kann eine definierte, konturnahe Kühlung bewirkt werden. Die Kühlung des herzustellenden endlosen Wellrohrs kann somit besonders effizient erfolgen.
-
Es ist auch möglich, dass ein Kanal oder mehre Kanäle als Kühlkanal ausgebildet ist oder sind und einen Einlass und einen Auslass für ein Kühlfluid aufweist oder aufweisen.
-
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können alternativ oder zusätzlich zu dem wenigstens einen Kühlkanal ein oder mehrere Vakuumkanäle erzeugt werden, der oder die an Vakuumöffnungen an der Innenfläche der Formbacke mündet oder münden. Indem die Kühlkanäle oder Vakuumkanäle gleichzeitig mit dem Körper der Formbacke erzeugt werden, entfällt eine nachträgliche Bearbeitung einer Formbacke, um die inneren Konturen herzustellen.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Nachbearbeiten der halbzylinderförmigen Innenfläche der gesinterten Formbacke durch Drehen und/oder Fräsen erfolgt. Die Innenfläche wird einer spanenden Nachbearbeitung unterzogen, um eine Oberfläche mit einer gewünschten Qualität, insbesondere einer geringen Oberflächenrauigkeit, zu erzielen. Eine derartige Nachbearbeitung kann einfach, schnell und somit kostengünstig durchgeführt werden.
-
Die Erfindung sieht vor, dass beim schrittweisen Versintern im Inneren der dreidimensionalen Formbacke einzelne oder zusammenhängende Hohlräume erzeugt werden. Die Hohlräume werden in dem an die halbzylinderförmige Innenfläche angrenzenden Bereich, abgesehen von den Kühlkanälen und gegebenenfalls den Vakuumkanälen, gebildet. Der hier verwendete Begriff „Hohlraum“ bezeichnet Ausnehmungen bzw. „Löcher“, an denen sich kein versintertes Metallpulver befindet. Diese Hohlräume bewirken die gewünschte Gewichtsreduzierung im Vergleich zu einer herkömmlichen Formbacke, die aus Vollmaterial oder als Gussteil hergestellt ist.
-
Erfindungsgemäß wird beim Versintern eine dreidimensionale, die Hohlräume aufweisende Fachwerkstruktur gebildet. Eine derartige Fachwerkstruktur zeichnet sich durch eine besonders geringe Masse aus. Dementsprechend kann durch Herstellen der Fachwerkstruktur die Masse der Formbacke reduziert werden.
-
Vorzugsweise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine dreidimensionale Fachwerkstruktur aus axialen Fachwerkabschnitten, in Umfangsrichtung verlaufenden Fachwerkabschnitten und aus schräg dazu ausgebildeten Fachwerkabschnitten gebildet, wobei ein axialer Fachwerkabschnitt, ein in Umfangsrichtung verlaufender Fachwerkabschnitt und ein schräg dazu ausgebildeter Fachwerkabschnitt ein Dreieck bilden. Ein derartiger Aufbau der Fachwerkstruktur zeichnet sich durch eine geringe Masse bei gleichzeitig hoher Festigkeit aus. Derartige, aus Fachwerkabschnitten bestehende „Dreiecke“ können in verschiedenen Richtungen in der dreidimensionalen Formbacke ausgebildet sein.
-
Um die Masse einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formbacke weiter zu reduzieren, können äußere Bereiche aus Stahl enthaltendem Metallpulver und innere Bereiche aus Aluminium enthaltendem Metallpulver hergestellt werden. Durch die Wahl unterschiedlicher Metallpulver bzw. Metallpulvermischungen kann die lokale Dichte und Festigkeit beliebig eingestellt werden. Demnach können Formbacken hergestellt werden, die im Hinblick auf Parameter wie Festigkeit und Masse optimiert sind.
-
Daneben betrifft die Erfindung eine Formbacke für einen Corrugator, hergestellt durch ein Verfahren der beschriebenen Art.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine Vorderansicht zweier ein Paar bildender erfindungsgemäßer Formbacken eines ersten Ausführungsbeispiels;
- 2 eine Ansicht der Innenseite einer Formbacke;
- 3 einen Schnitt durch die in 1 gezeigten Formbacken entlang der Linie III-III;
- 4 einen Schnitt durch die in 1 gezeigten Formbacken entlang der Linie IV-IV;
- 5 einen Schnitt durch die in 3 gezeigten Formbacken entlang der Linie V-V;
- 6 eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht zweier paarweise angeordneter erfindungsgemäßer Formbacken eines zweiten Ausführungsbeispiels;
- 7 eine Seitenansicht der Schnittebene der in 6 gezeigten Formbacke und
- 8 einen Schnitt durch die in 7 gezeigte Formbacke entlang der Linie VIII-VIII.
-
Die in 1 bis 8 gezeigten Formbacken sind durch ein additives Verfahren hergestellt worden. Dazu wird eine erste Schicht eines Metallpulvers in Form eines Pulverbetts auf ein Substrat aufgetragen. Das Substrat ist eine beliebige Unterlage, die ein anschließendes Lösen der additiv erzeugten Formbacke von dem Substrat ermöglicht. Anschließend wird die erste Schicht des aufgetragenen Metallpulvers durch ein Strahlwerkzeug selektiv versintert, um eine Formbackenschicht zu erzeugen. Durch das selektive Versintern wird eine bestimmte, festgelegte Struktur der Formbacke erzeugt. Nur dort, wo das Strahlwerkzeug auf die Metallpulverschicht einwirkt, entsteht ein fester Körper durch Versintern des Metallpulvers. In den übrigen Bereichen werden hingegen Hohlräume oder Ausnehmungen erzeugt. Durch das selektive Versintern werden Kanäle in der Formbacke ausgebildet. Der hier verwendete Begriff „Kanäle“ umfasst einerseits Kühlkanäle, die von einem Kühlfluid durchflossen werden können, um die Formbacke abzukühlen, als auch Vakuumkanäle, die dazu dienen, die schlauchförmige, verformbare Kunststoffschmelze in der Formbacke durch Unterdruck nach außen zu bewegen, wodurch der Kunststoffschmelze die Form eines Wellrohrs verliehen wird.
-
Nach dem schichtweisen Herstellen einer Formbacke wird zumindest eine halbzylinderförmige Innenfläche der Formbacke durch ein spanendes Metallverarbeitungsverfahren nachbearbeitet, wodurch die Herstellung der Formbacke abgeschlossen wird.
-
Die 1 bis 5 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel. Insbesondere zeigt 1 eine Vorderansicht zweier paarweise angeordneter Formbacken 1, 2. Die beiden Formbacken 1, 2 sind so angeordnet, dass deren halbzylinderförmige Innenflächen 3, 4 gemeinsam einen Vollkreis bilden, der als Außenform für die schlauchförmige, aus dem Corrugator austretende Kunststoffschmelze dient. Jede Formbacke 1, 2 weist auf ihrer Oberseite ein Zahnstangenprofil 5, 6 auf, sodass die Formbacken 1, 2 mittels Antriebsrädern, die in die Zahnstangenprofile 5, 6 eingreifen, entlang eines vorgegebenen Umlaufwegs bewegt werden können. Mittels der Formbacken wird die schlauchförmige, verformbare Kunststoffschmelze nach dem Austreten aus dem Extruder zu einem Kunststoffwellrohr geformt. In 2 erkennt man, dass die Innenfläche 4 der Formbacke 2 ein Wellrohrprofil 7 besitzt. Die beiden Formbacken 1, 2 sind symmetrisch aufgebaut.
-
Das Verfahren zur additiven Fertigung ermöglicht die Erstellung von Formbacken, in deren Inneren einzelne oder zusammenhängende Hohlräume erzeugt werden. 3 zeigt einen Schnitt durch die in 1 gezeigte Formbacke 1 entlang der Linie III-III. Man erkennt dort, dass im Inneren der Formbacke 2 eine dreidimensionale, Hohlräume 8 aufweisende Fachwerkstruktur 9 ausgebildet ist. Durch diese Fachwerkstruktur 9 kann eine Leichtbauweise realisiert werden, die eine beträchtliche Gewichtseinsparung im Vergleich zu herkömmlichen, massiv ausgebildeten und aus Vollmaterial hergestellten Formbacken ermöglicht. Das additive Herstellungsverfahren, bei dem eine dreidimensionale Struktur schichtweise erzeugt wird, ermöglicht somit die Herstellung von Strukturen, die mit herkömmlichen Herstellungsmethoden nicht erzeugt werden können.
-
4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie IV-IV von 1. In 4 erkennt man, dass die dreidimensionale Fachwerkstruktur 9 aus axialen Fachwerkabschnitten 10, in Umfangsrichtung verlaufenden Fachwerkabschnitten 11 und schräg dazu verlaufenden Fachwerkabschnitten 12 gebildet ist, wobei ein axialer Fachwerkabschnitt 10, ein in Umfangsrichtung verlaufender Fachwerkabschnitt 11 und ein schräg dazu ausgebildeter Fachwerkabschnitt 12 ein Dreieck bilden. Der Bereich im Inneren des auf diese Weise gebildeten Dreiecks ist ein Hohlraum. Hohlräume können als separate Hohlräume oder miteinander verbundene Hohlräume ausgebildet sein.
-
5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie V-V von 3. Die Schnittebene verläuft orthogonal zu der Schnittebene von 3 und orthogonal zu der Schnittebene von 4. In der 5 ist ebenfalls erkennbar, dass die Fachwerkstruktur 9 aus einer Vielzahl von Fachwerkabschnitten und Hohlräumen 13 gebildet ist.
-
Die 6 bis 9 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Formbacke für einen Corrugator, die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt ist. 6 ist eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht zweier paarweise angeordneter Formbacken 14, 15. 7 zeigt die Schnittebene der Formbacke 15. Dort erkennt man, dass die Formbacke 15 Kühlkanäle 16 aufweist, die mäanderförmig ausgebildet sind und im Wesentlichen in einem konstanten Abstand zur Innenfläche angeordnet sind. Dadurch kann die Formbacke 15 gezielt gekühlt werden. Ein Kühlkanal 16 ist mit einem Zulauf und einem Ablauf (nicht gezeigt) verbunden und wird während des Betriebs von einer Kühlflüssigkeit durchströmt. Auf diese Weise kann Wärme, die von der aus dem Extruder austretenden schlauchförmigen Kunststoffschmelze auf die Formbacke übertragen wird, abgeführt werden, sodass die Kunststoffschmelze soweit abgekühlt wird, dass sie erstarrt. 8 zeigt einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII von 7, in dem zusätzlich Vakuumkanäle 17 zu sehen sind. Beide symmetrisch ausgebildeten Formbacken 14, 15 weisen einen derartigen Vakuumkanal 17 auf. Der Vakuumkanal 17 ist näher an der Innenfläche 18 der Formbacken 14, 15 angeordnet als die Kühlkanäle 16. Jeder Vakuumkanal 17 besitzt ein äußeres Ende, das an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist. Das innere Ende jedes Vakuumkanals 17 mündet in in der Ansicht von 8 nicht sichtbaren Vakuumschlitzen im Bereich der als Wellrohr geformten Innenfläche 18. Über die Vakuumschlitze wird die schlauchförmige, verformbare Kunststoffschmelze nach dem Austreten aus dem Extruder allseitig radial durch Unterdruck nach außen gegen die als Wellrohr geformten Innenflächen gezogen, wodurch sich die gewünschte Form des Kunststoffwellrohrs ergibt.
-
Das beschriebene additive Verfahren, bei dem eine Formbacke schichtweise durch selektives Versintern eines Metallpulvers hergestellt wird, ermöglicht die Herstellung besonders leichter Formbacken, bei denen der Verlauf der Kühlkanäle und der Verlauf der Vakuumkanäle gezielt gewählt werden kann, wodurch Strukturen hergestellt werden können, die mit herkömmlichen spanenden Fertigungsverfahren nicht herstellbar sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Formbacke
- 2
- Formbacke
- 3
- Innenfläche
- 4
- Innenfläche
- 5
- Zahnstangenprofil
- 6
- Zahnstangenprofil
- 7
- Wellrohrprofil
- 8
- Hohlraum
- 9
- Fachwerkstruktur
- 10
- Fachwerkabschnitt
- 11
- Fachwerkabschnitt
- 12
- Fachwerkabschnitt
- 13
- Hohlraum
- 14
- Formbacke
- 15
- Formbacke
- 16
- Kühlkanal
- 17
- Vakuumkanal
- 18
- Innenfläche
