DE102021111984A1

DE102021111984A1 - Modularer additiv gefertigter werkzeugaufbau

Info

Publication number: DE102021111984A1
Application number: DE102021111984.7A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Gonzalez Gillis; Paul TANIS; Robert C. Portugaise
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2022-06-23
Also published as: US20220193789A1; CN114643477B; US11759866B2; CN114643477A

Abstract

Eine modulare, additiv gefertigte Werkzeuganordnung umfasst ein vergängliches Werkzeug und einen Werkzeughalter, der mit dem vergänglichem Werkzeug gekoppelt ist. Die Werkzeuganordnung ist so konfiguriert, dass sie mit einer Maschinenspindel gekoppelt werden kann. Die Werkzeuganordnung umfasst auch eine Spindelverbindung, die mit dem Werkzeughalter gekoppelt ist. Der Spindelanschluss ist so konfiguriert, dass er mit einer Maschinenspindel gekoppelt werden kann. Sowohl der Werkzeughalter als auch das vergängliche Werkzeug enthalten ein vergängliches Material. Sowohl der Werkzeughalter als auch das vergängliche Werkzeug werden in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt.

Description

TECHNIKBEREICH
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Werkzeuge und insbesondere auf eine modulare, additiv hergestellte Werkzeuganordnung mit einem Werkzeughalter zur Aufnahme eines additiv hergestellten Werkzeugs.
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine modulare additiv gefertigte Werkzeuganordnung, die einen Werkzeughalter und ein mit einem oder mehreren additiven Fertigungsverfahren hergestelltes Werkzeug umfasst. Die Werkzeuganordnung umfasst auch einen Spindelanschluss, der für den automatischen Betrieb in Produktionsanlagen geeignet ist und die erforderliche Hardware, wie z. B. Chip-Lesegerät und Kühlmittelrohr, enthält.
Die Validierung von Anlagen für maschinelle Prozesse ist manchmal kostspielig und zeitaufwendig. Es ist daher wünschenswert, Baugruppen und Verfahren zur Validierung von Bearbeitungsprozessen zeitnah und kostengünstig zu entwickeln. Die hier vorgestellte Werkzeuganordnung nutzt die Technologie der additiven Fertigung, um die Gesamtzeit für die Validierung von Bearbeitungsprozessausrüstungen zu reduzieren und dies zu geringeren Kosten zu tun. Dies soll die Erzeugung von Prototypenwerkzeugen und Werkzeuganordnungen mittels additiver Fertigungsmethoden ermöglichen, die schnell zur Unterstützung der Gerätevalidierung eingesetzt werden können.
Bei anderen Bearbeitungsverfahren kann der Werkzeughalter mit unterschiedlichen Materialien, Toleranzen und einer für einen Validierungslauf/eine Prozessvalidierung akzeptablen Fertigungsqualität hergestellt werden; die Spindelverbindung sollte jedoch nach bestimmten Standards für Material, Feinbearbeitung und Funktion gebaut werden. Daher sind diese anderen Bearbeitungsprozesse zeitaufwendig und teuer.
Die vorliegende Werkzeuganordnung bietet eine Lösung für eine Verbindung zwischen dem Werkzeughalter und dem Spindelanschluss unter Verwendung der additiven Fertigungstechnologie. Die vorliegende Werkzeuganordnung bietet auch interne und externe Stütz- und Wachstumskontrollkomponenten sowie Testmess- und/oder Anzeigevorrichtungen, die zur Durchführung eines vollständigen Validierungsprozesses erforderlich sind. Auf diese Weise ermöglicht die vorliegende Werkzeuganordnung dem Anwender, die Validierungsphase für die Ausrüstung und den Bearbeitungsprozess (Bewegungen, Programme, Kollisionsstörungen usw.) parallel zu oder sogar vor dem Beginn der Schneidwerkzeugproduktion durchzuführen. Dies kann den Zeitrahmen für die Gesamtvalidierung der Ausrüstung erheblich verkürzen und die zusätzlichen Kosten für die Verwendung von Produktionsschneidwerkzeugen während der Validierung reduzieren.
In einem Aspekt der vorliegenden Anwendung umfasst die modulare additiv gefertigte Werkzeuganordnung ein vergängliches Werkzeug und einen mit dem vergänglichen Werkzeug gekoppelten Werkzeughalter. Die Werkzeuganordnung ist so konfiguriert, dass sie mit einer Maschinenspindel gekoppelt werden kann. Die Werkzeuganordnung umfasst ferner eine Spindelverbindung, die mit dem Werkzeughalter gekoppelt ist. Die Spindelverbindung ist so konfiguriert, dass sie mit einer Maschinenspindel gekoppelt werden kann. Sowohl der Werkzeughalter als auch das vergängliche Werkzeug enthalten ein vergängliches Material. Sowohl der Werkzeughalter als auch das vergängliche Werkzeug werden in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt. Die Spindelverbindung kann ein Verbindungspositionierungsmerkmal umfassen, und der Werkzeughalter kann ein Halterpositionierungsmerkmal umfassen, das so geformt und bemessen ist, dass es mit dem Verbindungspositionierungsmerkmal zusammenpasst.
Die Werkzeuganordnung kann außerdem einen Längsträger umfassen, der zwischen dem Spindelanschluss und dem Werkzeughalter gekoppelt ist. Der Längsträger kann aus einem metallischen Material bestehen. Das vergängliche Material kann ein polymeres Material umfassen. Das metallische Material hat eine erste Biegesteifigkeit, und das vergängliche Material hat eine zweite Biegesteifigkeit. Der Begriff „vergängliches Werkzeug“ bezeichnet ein Werkzeug, das nicht in der Lage ist, ein metallisches Werkstück zu bearbeiten und sich bei der Bearbeitung des metallischen Werkstücks schnell abnutzt und bricht. Die erste Biegesteifigkeit kann größer sein als die zweite Biegesteifigkeit, um die Durchbiegung des Werkzeughalters zu minimieren. Sowohl der Werkzeughalter als auch das vergängliche Werkzeug umfassen jeweils mehrere Schichten des vergänglichen Materials. Der Begriff „vergängliches Material“ bezeichnet ein Material, das sich schnell abnutzt und bricht, wenn es zur Bearbeitung eines metallischen Werkstücks verwendet wird.
Der Werkzeughalter kann einen langgestreckten Körper umfassen. Der Werkzeughalter kann eine Verstärkungsöffnung definieren, die sich durch den langgestreckten Körper erstreckt. Die Längsstütze kann ein Metallstab sein, der in der Verstärkungsöffnung angeordnet ist.
Der Werkzeughalter kann eine äußerste Halterfläche und eine innerste Halterfläche gegenüber der äußersten Halterfläche definieren. Die innerste Halterfläche kann die Verstärkungsöffnung definieren. Die Werkzeuganordnung umfasst außerdem eine radiale Stütze, die um den Werkzeughalter herum angeordnet ist. Die radiale Abstützung steht in direktem Kontakt mit der äußersten Halterfläche. Die radiale Abstützung kann das metallische Material enthalten. Die radiale Abstützung ist ein Kragen, der um den Werkzeughalter herum angeordnet ist, um die radiale Ausdehnung des Werkzeughalters zu minimieren.
Die Werkzeuganordnung kann außerdem mindestens ein Befestigungselement umfassen, das die Spindelverbindung mit dem Werkzeughalter verbindet. Die Werkzeuganordnung kann ferner eine Kühlungsdüse umfassen, die sich durch das vergängliche Werkzeug erstreckt, wobei die Kühlungsdüse so konfiguriert ist, dass sie ein Kühlmittel aufnimmt, um einen Kühlmittelfluss/eine Kühlmittelrichtung/eine Maschine durch das Werkzeug zu simulieren. Die Werkzeuganordnung kann ferner mindestens eine Entlüftungsbohrung umfassen, die sich durch die Spindelverbindung erstreckt, um den Kühlmittelfluss/die Kühlmitteleigenschaften einzustellen. Der Werkzeughalter umfasst einen ersten Halterendabschnitt und einen zweiten Halterendabschnitt gegenüber dem ersten Halterendabschnitt. Der zweite Halterendabschnitt kann das Halterpositionierungsmerkmal enthalten. Das Verbindungsanordnungsmerkmal kann eine Verbindungsöffnung sein, die so bemessen und geformt ist, dass sie den zweiten Halterendabschnitt aufnimmt. Der Werkzeughalter kann eine Werkzeughalteröffnung umfassen, die sich durch den ersten Halterendabschnitt erstreckt, und die Werkzeughalteröffnung kann so bemessen und geformt sein, dass sie einen Abschnitt des vergänglichen Werkzeugs aufnimmt, um das vergängliche Werkzeug mit dem Werkzeughalter zu verbinden. Die Werkzeuganordnung kann ferner einen Flansch umfassen, der um den Werkzeughalter herum angeordnet ist. Der Flansch liegt direkt an der Spindelverbindung an. Der Flansch kann in direktem Kontakt mit der Spindelverbindung stehen und umgibt den zweiten Halterendabschnitt des Werkzeughalters, um die Verbindung der Spindelverbindung mit dem Werkzeughalter zu erleichtern.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt auch ein Verfahren zur Validierung eines vorgegebenen Bearbeitungsplans. In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren: Herstellen eines vergänglichen Werkzeugs unter Verwendung eines additiven Herstellungsprozesses; Herstellen eines Werkzeughalters unter Verwendung des additiven Herstellungsprozesses, wobei sowohl das vergängliche Werkzeug als auch der Werkzeughalter aus einem vergänglichen Material hergestellt sind; Verbinden des Werkzeughalters mit einem Spindelanschluss; Verbinden des vergänglichen Werkzeugs mit dem Werkzeughalter; Verbinden des Spindelanschlusses mit einer Maschinenspindel; und Simulieren der Bearbeitung eines Werkstücks mit dem vergänglichen Werkzeug nach dem Verbinden des vergänglichen Werkzeugs mit dem Werkzeughalter und nach dem Verbinden des Spindelanschlusses mit der Maschinenspindel in Übereinstimmung mit dem vorbestimmten Bearbeitungsplan, um den vorbestimmten Bearbeitungsplan zu validieren. Die Simulation der Bearbeitung wird mit einem fertigen Teil und der Werkzeuganordnung durchgeführt, die ein Zyklusprogramm in der numerischen Computersteuerung (CNC) abarbeitet.
Das Simulieren der Bearbeitung des Werkstücks kann das Fräsen, Aufbohren und/oder Bohren des Werkstücks in Übereinstimmung mit dem vorbestimmten Bearbeitungsplan beinhalten. Das Verfahren kann ferner das Anbringen eines Längsträgers zwischen dem Spindelanschluss und dem Werkzeughalter umfassen. Die Längsabstützung kann vollständig aus einem metallischen Material bestehen. Das vergängliche Material kann ein polymeres Material sein. Sowohl der Werkzeughalter als auch das vergängliche Werkzeug können vollständig aus dem polymeren Material hergestellt sein. Das metallische Material hat eine erste Biegesteifigkeit, und das vergängliche Material hat eine zweite Biegesteifigkeit. Die erste Biegesteifigkeit kann größer sein als die zweite Biegesteifigkeit, um die Durchbiegung des Werkzeughalters zu minimieren. Der Werkzeughalter kann einen langgestreckten Körper aufweisen. Der Werkzeughalter kann eine Verstärkungsöffnung definieren. Die Verstärkungsöffnung kann sich durch den langgestreckten Körper erstrecken. Das Anbringen des Längsträgers zwischen der Spindelverbindung und dem Werkzeughalter kann das Anbringen des Längsträgers in der Verstärkungsöffnung des Werkzeughalters beinhalten. Die Längsstütze kann ein Metallstab sein.
Das Verfahren kann außerdem das Anbringen einer radialen Stütze um den Werkzeughalter herum umfassen. Der Werkzeughalter kann eine äußerste Halterfläche und eine innerste Halterfläche gegenüber der äußersten Halterfläche definieren. Die innerste Halterfläche kann die Verstärkungsöffnung definieren. Die radiale Abstützung kann in direktem Kontakt mit der äußersten Halterfläche stehen. Die radiale Abstützung kann vollständig aus dem metallischen Material bestehen. Die radiale Abstützung kann ein Kragen sein, der so konfiguriert ist, dass er um den Werkzeughalter herum angeordnet wird, um die radiale Ausdehnung des Werkzeughalters zu minimieren.
Der Werkzeughalter kann einen ersten Halterendabschnitt und einen zweiten Halterendabschnitt gegenüber dem ersten Halterendabschnitt umfassen. Der Werkzeughalter kann eine Werkzeughalteröffnung aufweisen, die sich durch den ersten Halterendabschnitt erstreckt. Die Werkzeughalteröffnung kann so bemessen und geformt sein, dass sie einen Teil des vergänglichen Werkzeugs aufnehmen kann, um das vergängliche Werkzeug mit dem Werkzeughalter zu verbinden. Das Verbinden des vergänglichen Werkzeugs mit dem Werkzeughalter kann das Einführen des Abschnitts des vergänglichen Werkzeugs in die Werkzeughalteröffnung des ersten Halterendabschnitts umfassen, um das vergängliche Werkzeug mit dem Werkzeughalter zu verbinden. Das Verbinden des Werkzeughalters mit dem Spindelanschluss kann das Einsetzen des zweiten Halterendabschnitts in eine Anschlussöffnung des Spindelanschlusses beinhalten, wobei die Anschlussöffnung so bemessen und geformt ist, dass sie den zweiten Halterendabschnitt aufnimmt, um den Spindelanschluss mit dem Werkzeughalter zu verbinden. Das Bearbeiten des Werkstücks kann das Simulieren einer Bearbeitung an dem Werkstück umfassen, wobei das Werkstück bereits gemäß dem vorbestimmten Maschinenplan bearbeitet wurde und das Werkstück vollständig aus einem Material besteht, das härter ist als ein Material, das das vergängliche Werkzeug bildet.
Die obigen Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehre sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehre in Verbindung mit den beiliegenden Figuren ohne weiteres ersichtlich.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die Bestandteil dieser Beschreibung sind, veranschaulichen Implementierungen der Offenbarung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Offenbarung.

1 ist eine perspektivische Ansicht einer modularen additiv gefertigten Werkzeuganordnung.
2 ist eine Seitenansicht der modularen additiv gefertigten Werkzeuganordnung von 1.
3 ist eine Querschnittsansicht der modularen, additiv gefertigten Werkzeuganordnung von 1, aufgenommen entlang des Abschnitts A-A von 2.
4 ist eine Seitenansicht der modularen additiv gefertigten Werkzeuganordnung aus 1, die an einer Maschinenspindel befestigt ist und einen Fräsvorgang an einem Werkstück durchführt.
5 ist eine vergrößerte Querschnitts-Seitenansicht der modularen, additiv gefertigten Werkzeuganordnung aus 1, die an der Maschinenspindel befestigt ist und einen Fräsvorgang an einem Werkstück durchführt.
6 ist eine Seitenansicht der modularen additiv gefertigten Werkzeuganordnung aus 1, die an einer Maschinenspindel befestigt ist und einen Bohrvorgang an einem Werkstück durchführt.
7 ist eine vergrößerte Querschnitts-Seitenansicht der modularen, additiv gefertigten Werkzeuganordnung von 1, die an der Maschinenspindel befestigt ist und einen Bohrvorgang an einem Werkstück durchführt.
8 ist eine Seitenansicht der modularen, additiv gefertigten Werkzeuganordnung aus 1, die an einer Maschinenspindel befestigt ist und einen Bohrvorgang an einem Werkstück durchführt.
9 ist eine vergrößerte Querschnitts-Seitenansicht der modularen, additiv gefertigten Werkzeuganordnung von 1, die an der Maschinenspindel befestigt ist und einen Bohrvorgang an einem Werkstück durchführt.
10 ist ein Verfahren zur Validierung eines vorgegebenen Bearbeitungsplans.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorstehende Zusammenfassung sowie die folgende detaillierte Beschreibung bestimmter Ausführungsformen werden besser verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden. Wie hierin verwendet, ist ein Element oder ein Schritt, der in der Einzahl rezitiert wird und dem das Wort „ein“ oder „eine“ vorangestellt ist, so zu verstehen, dass der Plural der Elemente oder Schritte nicht notwendigerweise ausgeschlossen ist. Ferner sind Verweise auf „eine Ausführungsform“ nicht so zu verstehen, dass sie die Existenz weiterer Ausführungsformen ausschließen, die ebenfalls die genannten Merkmale aufweisen. Darüber hinaus können Ausführungsformen, die ein Element oder eine Mehrzahl von Elementen mit einer bestimmten Eigenschaft „umfassen“ oder „aufweisen“, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, zusätzliche Elemente enthalten, die diese Eigenschaft nicht aufweisen.
Mit Bezug auf 1 kann eine modulare, additiv gefertigte Werkzeuganordnung 100 verwendet werden, um einen Fertigungsprozess auf kostengünstige Weise zu validieren. Aus diesem Grund umfasst die Werkzeuganordnung ein vergängliches Werkzeug 102 und einen Werkzeughalter 104, die jeweils ganz oder teilweise aus einem vergänglichen Material bestehen. Bei dem vergänglichen Material kann es sich um ein polymeres Material handeln. Dementsprechend sind das vergängliche Werkzeug 102 und der Werkzeughalter 104 ganz oder teilweise aus einem polymeren Material hergestellt. Um die Herstellung zu vereinfachen, können sowohl der Werkzeughalter 104 als auch das vergängliche Werkzeug 102 mit einem additiven Fertigungsverfahren, wie z. B. 3D-Druck, hergestellt werden. Während des additiven Herstellungsverfahrens werden Schichten des vergänglichen Materials hinzugefügt, um den Werkzeughalter 104 und/oder das vergängliche Werkzeug 102 zu bilden. Dementsprechend umfasst sowohl das vergängliche Werkzeug 102 als auch der Werkzeughalter 104 eine Vielzahl von Schichten des vergänglichen Materials. Die Werkzeuganordnung 100 umfasst ferner einen Spindelanschluss 106, der so konfiguriert ist, dass er mit einer Maschinenspindel 108 (4) einer Maschine verbunden werden kann. Aus diesem Grund ist die Maschinenspindel 108 nicht aus einem vergänglichen Material hergestellt. Beispielsweise kann der Spindelanschluss 106 ganz oder teilweise aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
Der Werkzeughalter 104 ist so konfiguriert, dass er das vergängliche Werkzeug 102 hält. In einer montierten Konfiguration ist der Werkzeughalter 104 direkt mit dem vergänglichen Werkzeug 102 gekoppelt, und der Spindelanschluss 106 ist direkt mit dem Werkzeughalter 104 gekoppelt. Zu diesem Zweck umfasst der Spindelanschluss 106 ein Verbindungspositionierungsmerkmal 110, und der Werkzeughalter 104 umfasst ein Halterpositionierungsmerkmal 112, das so geformt und bemessen ist, dass es mit dem Verbindungspositionierungsmerkmal 110 zusammenpasst, um den Spindelanschluss 106 mit dem Werkzeughalter 104 zu verbinden. Der Werkzeughalter 104 umfasst einen ersten Halterendabschnitt 116 und einen zweiten Halterendabschnitt 118 gegenüber dem ersten Halterendabschnitt 116. Der zweite Halterendabschnitt 118 enthält das Halterpositionierungsmerkmal 112. Das Verbindungspositionierungsmerkmal 110 kann eine Verbindungsöffnung 120 sein, die so bemessen und geformt ist, dass sie den zweiten Halterendabschnitt 118 aufnimmt, der als das Halterpositionierungsmerkmal 112 dient.
Der Werkzeughalter 104 umfasst einen länglichen Körper 122, der sich entlang einer Längsachse X erstreckt. Der Werkzeughalter 104 definiert eine Verstärkungsöffnung 126, die sich durch den länglichen Körper 122 entlang der Längsachse X erstreckt. Die Werkzeuganordnung 100 umfasst ferner eine Längsstütze 124, die zwischen der Spindelverbindung 106 und dem Werkzeughalter 104 gekoppelt ist. Die Längsstütze 124 kann zumindest teilweise in der Verstärkungsöffnung 126 des Werkzeughalters 104 angeordnet sein und kann als ein Metallstab konfiguriert sein. Unabhängig von seiner Konfiguration kann die Längsstütze 124 teilweise oder ganz aus einem metallischen Material bestehen, um die Biegung des Werkzeughalters 104 zu minimieren. Dieses metallische Material hat eine Biegesteifigkeit (d.h. die erste Biegesteifigkeit), die größer ist als die Biegesteifigkeit (d.h. die zweite Biegesteifigkeit) des vergänglichen Materials (z.B. Polymermaterial), aus dem der Werkzeughalter 104 besteht, um die Biegung des Werkzeughalters 104 zu minimieren und gleichzeitig zu ermöglichen, dass der Werkzeughalter 104 aus dem vergänglichen Material hergestellt werden kann, um die Kosten zu minimieren. Der Werkzeughalter 104 hat eine äußerste Halterfläche 128 und eine innerste Halterfläche 130 gegenüber der äußersten Halterfläche 128. Die innerste Halterfläche 130 definiert die Verstärkungsöffnung 126.
Die Werkzeuganordnung 100 umfasst außerdem eine radiale Abstützung 132, um die radiale Ausdehnung des Werkzeughalters 104 während des Gebrauchs zu minimieren. Die radiale Abstützung 132 ist um den Werkzeughalter 104 herum angeordnet. Beispielsweise kann die radiale Abstützung 132 in direktem Kontakt mit der äußersten Halterfläche 128 des Werkzeughalters 104 stehen, um die radiale Ausdehnung zu minimieren. Die radiale Abstützung 132 kann als Kragen ausgebildet sein und ganz oder teilweise aus einem metallischen Werkstoff bestehen. Die Biegesteifigkeit des metallischen Materials, aus dem die radiale Abstützung 132 besteht, kann größer sein als die des polymeren Materials, aus dem der Werkzeughalter 104 besteht, um die radiale Ausdehnung des Werkzeughalters 104 während des Gebrauchs zu minimieren.
Die Werkzeuganordnung 100 umfasst außerdem einen Flansch 134, der um den Werkzeughalter 104 herum angeordnet ist. Der Flansch 134 stößt an die Spindelverbindung 106 an (und kann in direktem Kontakt mit dieser stehen), um die Verbindung zwischen der Spindelverbindung 106 zu erleichtern, oder kann integral mit der Spindelverbindung 106 gekoppelt sein, wodurch eine einteilige Struktur gebildet wird, um die Anzahl der Teile zu minimieren. Der Flansch 134 kann den zweiten Halterendabschnitt 118 des Werkzeughalters 104 umgeben. Der Flansch 134 kann sich weiter in die Spindelverbindung 106 hinein erstrecken, damit der Werkzeughalter 104 länger darin Platz hat und somit Halt bietet.
Die Werkzeuganordnung 100 umfasst auch ein oder mehrere Befestigungsmittel 136, wie z. B. Bolzen, die den Spindelanschluss 106 mit dem Werkzeughalter 104 verbinden. Zu diesem Zweck kann/können das/die Befestigungselement(e) 136 durch den Spindelanschluss 106 und den Werkzeughalter 104 eingeführt werden.
Wie oben beschrieben, umfasst die Werkzeuganordnung 100 das vergängliche Werkzeug 102, bei dem es sich um einen Bohrer 102a, eine Fräse 102b, eine Bohrstange 102c, eine Reibahle, Gewindebohrer oder ein anderes Werkzeug handeln kann, das für die Bearbeitung eines Werkstücks 200 geeignet ist (4). Das vergängliche Werkzeug 102 wird mit einem additiven Fertigungsverfahren, wie z. B. 3D-Druck, hergestellt und besteht ganz oder teilweise aus einem vergänglichen Material, wie z. B. einem polymeren Material. Die Werkzeuganordnung 100 kann Positionsauswertevorrichtungen 144, wie Markierungen oder Positionssensoren, enthalten, die an dem vergänglichen Werkzeug 102 (z.B. Fräser 102b oder Bohrstange 102c) angebracht sind, um die Position des vergänglichen Werkzeugs 102 zu bestimmen.
Der Werkzeughalter 104 kann eine Werkzeughalteröffnung 138 aufweisen, die so bemessen und geformt ist, dass sie das vergängliche Werkzeug 102 teilweise aufnimmt, um das vergängliche Werkzeug 102 mit dem Werkzeughalter 104 zu verbinden. Das vergängliche Werkzeug 102 kann eine Kühlungsdüse 140 aufweisen, die so konfiguriert ist, dass sie ein Kühlmittel C aufnimmt und an das Werkstück abgibt, um die Strömung/Zielgenauigkeit des Werkstücks 200 (4) und des vergänglichen Werkzeugs 102 zu überprüfen und dadurch die Lebensdauer des vergänglichen Werkzeugs 102 zu maximieren. Das Kühlmittel C kann Wasser, Öl, MLQ (Lufttröpfchen) oder eine andere geeignete Flüssigkeit sein. Der Spindelanschluss 106 kann Entlüftungsbohrungen 142 aufweisen, die sich durch ihn hindurch erstrecken, um den Spindelanschluss 106 zu kühlen.
Mit Bezug auf 4 und 5 kann das vergängliche Werkzeug 102 die Fräse 102b sein. Der Fräser 102b ist mit dem Werkzeughalter 104 gekoppelt, und der Werkzeughalter 104 ist mit dem Spindelanschluss 106 gekoppelt. Der Spindelanschluss 106 ist mit der Maschinenspindel 108 gekoppelt. Der Fräser 102b ist vergänglich und besteht aus einem polymeren Material, damit er das Werkstück während der Validierung des Fertigungsprozesses nicht beschädigt. Die Validierung umfasst das Testen des Fertigungsprozesses (z. B. das Testen der Bewegung des vergänglichen Werkzeugs 102), um sicherzustellen, dass das Werkstück 200 in Übereinstimmung mit den vorgegebenen Spezifikationen bearbeitet wird.
Mit Bezug auf 6 und 7 kann das vergängliche Werkzeug 102 die Fräse 102b sein. Der Fräser 102b ist mit dem Werkzeughalter 104 gekoppelt, und der Werkzeughalter 104 ist mit dem Spindelanschluss 106 gekoppelt. Der Spindelanschluss 106 ist mit der Maschinenspindel 108 gekoppelt. Der Fräser 102b ist vergänglich und besteht aus einem polymeren Material, damit er das Werkstück während der Validierung des Fertigungsprozesses nicht beschädigt. Die Validierung umfasst das Testen des Fertigungsprozesses (z. B. das Testen der Bewegung des vergänglichen Werkzeugs 102), um sicherzustellen, dass das Werkstück 200 in Übereinstimmung mit den vorgegebenen Fertigungsspezifikationen bearbeitet wird.
Mit Bezug auf die 8 und 9 kann das vergängliche Werkzeug 102 die Bohrstange 102c sein. Die Bohrstange 102c ist mit dem Werkzeughalter 104 gekoppelt, und der Werkzeughalter 104 ist mit dem Spindelanschluss 106 gekoppelt. Der Spindelanschluss 106 ist mit der Maschinenspindel 108 gekoppelt. Die Bohrstange 102c ist vergänglich und besteht aus einem polymeren Material, damit sie das Werkstück während der Validierung des Fertigungsprozesses nicht beschädigt. Die Validierung umfasst das Testen des Fertigungsprozesses (z.B. das Testen der Bewegung des vergänglichen Werkzeugs 102), um sicherzustellen, dass das Werkstück 200 in Übereinstimmung mit den vorgegebenen Fertigungsspezifikationen bearbeitet wird.
Unter Bezugnahme auf 10 beschreibt die vorliegende Offenlegung auch ein Verfahren 300 zur Validierung eines vorgegebenen Bearbeitungsplans. Während 10 eine bestimmte Reihenfolge zeigt, kann das Verfahren 300 in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden. Das Verfahren 300 beginnt in Block 302. Block 302 umfasst die Herstellung des vergänglichen Werkzeugs 102 mit einem additiven Fertigungsverfahren, wie z. B. 3D-Druck. Das vergängliche Werkzeug 102 ist ganz oder teilweise aus einem polymeren Material oder einem anderen geeigneten vergänglichen Material hergestellt. Anschließend geht das Verfahren 300 zu Block 304 über.
In Block 304 wird der Werkzeughalter 104 mit einem additiven Fertigungsverfahren, wie z. B. 3D-Druck, hergestellt. Der Werkzeughalter 104 besteht ganz oder teilweise aus einem polymeren Material oder einem anderen geeigneten vergänglichen Material. Block 304 kann auch das Anbringen des Längsträgers 124 zwischen dem Spindelanschluss 106 und dem Werkzeughalter 104 umfassen. Der Längsträger 124 kann ganz oder teilweise aus einem metallischen Material bestehen, und das vergängliche Material kann ganz oder teilweise ein polymeres Material sein. Das metallische Material, das den Längsträger 124 bildet, hat eine Biegesteifigkeit (d.h. die erste Biegesteifigkeit), die größer ist als die Biegesteifigkeit (d.h. die zweite Biegesteifigkeit) des polymeren Materials (oder eines anderen vergänglichen Materials), das den Werkzeughalter 104 bildet, um die Biegung des Werkzeughalters 104 zu minimieren. Die Längsstütze 124 kann ein Metallstab sein und kann innerhalb der Verstärkungsöffnung 126 des Werkzeughalters 104 angeordnet werden. In Block 304 wird auch die Radialstütze 132 um einen Teil der äußersten Halterfläche 128 des Werkzeughalters 104 gelegt, um die radiale Ausdehnung des Werkzeughalters 104 während des Gebrauchs zu minimieren. Dann geht das Verfahren 300 zu Block 306 über.
Block 306 umfasst das Verbinden des Werkzeughalters 104 mit dem Spindelanschluss 106. Dazu kann der zweite Halterendabschnitt 118 des Werkzeughalters 104 in die Verbindungsöffnung 120 des Spindelanschlusses 106 eingeführt werden. Dann fährt das Verfahren 300 mit Block 308 fort.
In Block 308 wird das vergängliche Werkzeug 102 mit dem Werkzeughalter 104 verbunden. Dazu wird ein Teil des vergänglichen Werkzeugs 102 in die Werkzeughalteröffnung 138 des Werkzeughalters 104 eingesetzt. Dann fährt das Verfahren 300 mit Block 310 fort.
In Block 310 wird der Spindelanschluss 106 mit der Maschinenspindel 108 verbunden. Dazu können Befestigungsmerkmale der Maschinenspindel 108 genutzt werden, um diese mit dem Spindelanschluss 106 zu verbinden. Das Verfahren 300 fährt dann mit Block 312 fort.
Block 312 beinhaltet die Validierung eines vorbestimmten Bearbeitungsplans durch Bearbeitung oder simulierte Bearbeitung des Werkstücks 200 mit dem vergänglichen Werkzeug 102. In Block 312 kann die maschinelle Bearbeitung oder die Simulation der maschinellen Bearbeitung Aufbohren, Bohren, Fräsen oder einen anderen geeigneten Bearbeitungsprozess umfassen. Dieser Validierungsschritt kann die tatsächliche Bearbeitung des Werkstücks 200 beinhalten. In diesem Fall besteht das Werkstück 200 ganz oder teilweise aus einem Material, das weicher ist als das vergängliche Material, aus dem das vergängliche Werkzeug 102 besteht. Zur Validierung vergleicht der Anwender das bearbeitete Werkstück mit der Fertigungsvorgabe. Wenn das bearbeitete Werkstück den Fertigungsvorgaben entspricht, dann ist der Bearbeitungsplan validiert. Andernfalls sollte der Bearbeitungsplan überarbeitet werden. Alternativ kann der Validierungsschritt darin bestehen, die Bearbeitung an einem Werkstück zu simulieren, das bereits gemäß dem vorgegebenen Maschinenplan bearbeitet wurde. Zur Validierung beobachtet der Anwender, ob das vergängliche Werkzeug 102 irgendeinen Teil des bereits bearbeiteten Werkstücks 200 berührt. Wenn das vergängliche Werkzeug 102 einen Teil des bereits bearbeiteten Werkstücks 200 berührt, dann sollte der Bearbeitungsplan überarbeitet werden. Andernfalls wird der Bearbeitungsplan validiert.
Ein System, eine Vorrichtung, eine Struktur, ein Artikel, ein Element, eine Komponente oder eine Hardware, die für die Ausführung einer bestimmten Funktion „konfiguriert“ ist, ist in der Tat in der Lage, die bestimmte Funktion ohne jegliche Änderung auszuführen, und hat nicht nur das Potenzial, die bestimmte Funktion nach einer weiteren Änderung auszuführen. Mit anderen Worten: Das System, der Apparat, die Struktur, der Artikel, das Element, die Komponente oder die Hardware, die zur Ausführung einer bestimmten Funktion „konfiguriert“ ist, wird speziell für die Ausführung der bestimmten Funktion ausgewählt, erstellt, implementiert, verwendet, programmiert und/oder entworfen. Wie hierin verwendet, bezeichnet „konfiguriert für“ vorhandene Eigenschaften eines Systems, einer Vorrichtung, einer Struktur, eines Artikels, eines Elements, einer Komponente oder Hardware, die es dem System, der Vorrichtung, der Struktur, dem Artikel, dem Element, der Komponente oder der Hardware ermöglichen, die angegebene Funktion ohne weitere Modifikation auszuführen. Für die Zwecke dieser Offenlegung kann ein System, eine Vorrichtung, eine Struktur, ein Artikel, ein Element, eine Komponente oder eine Hardware, das/die als „konfiguriert, um“ eine bestimmte Funktion auszuführen, beschrieben wird, zusätzlich oder alternativ als „angepasst, um“ und/oder als „betriebsfähig, um“ diese Funktion auszuführen, beschrieben werden.
Die Figuren der hier beschriebenen Ausführungsformen sollen ein allgemeines Verständnis für den Aufbau der verschiedenen Ausführungsformen vermitteln. Die Abbildungen sind nicht dazu gedacht, als vollständige Beschreibung aller Elemente und Merkmale von Geräten und Systemen zu dienen, die die hier beschriebenen Strukturen oder Methoden verwenden. Viele andere Ausführungsformen können für den Fachmann bei der Durchsicht der Offenbarung offensichtlich sein. Andere Ausführungsformen können verwendet und aus der Offenbarung abgeleitet werden, so dass strukturelle und logische Substitutionen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend sind die Offenbarung und die Figuren eher als illustrativ denn als einschränkend zu betrachten.

Claims

Eine modulare, additiv gefertigte Werkzeuganordnung, umfassend: ein vergängliches Werkzeug; einen Werkzeughalter, der mit dem vergänglichen Werkzeug gekoppelt ist, wobei die Werkzeuganordnung so konfiguriert ist, dass sie mit einer Maschinenspindel gekoppelt werden kann, einen Spindelanschluss, der mit dem Werkzeughalter gekoppelt ist, wobei der Spindelanschluss so konfiguriert ist, dass er mit der Maschinenspindel gekoppelt werden kann; wobei sowohl der Werkzeughalter als auch das vergängliche Werkzeug ein vergängliches Material enthalten; und wobei sowohl der Werkzeughalter als auch das vergängliche Werkzeug eine Vielzahl von Schichten des vergänglichen Materials enthalten.
Die Werkzeuganordnung nach Anspruch 1, wobei die Spindelverbindung ein Verbindungsanordnungsmerkmal aufweist und der Werkzeughalter ein Halteranordnungsmerkmal aufweist, das so geformt und bemessen ist, dass es mit dem Verbindungsanordnungsmerkmal zusammenpasst.
Die Werkzeuganordnung nach Anspruch 2, die ferner einen Längsträger umfasst, der zwischen der Spindelverbindung und dem Werkzeughalter gekoppelt ist, wobei der Längsträger ein metallisches Material umfasst, das vergängliche Material ein polymeres Material umfasst, das metallische Material eine erste Biegesteifigkeit aufweist, das vergängliche Material eine zweite Biegesteifigkeit aufweist und die erste Biegesteifigkeit größer ist als die zweite Biegesteifigkeit, um die Biegung des Werkzeughalters zu minimieren.
Die Werkzeuganordnung nach Anspruch 3, wobei der Werkzeughalter einen langgestreckten Körper aufweist, der Werkzeughalter eine Verstärkungsöffnung definiert, die sich durch den langgestreckten Körper erstreckt, und die Längsstütze ein Metallstab ist, der in der Verstärkungsöffnung angeordnet ist.
Die Werkzeuganordnung nach Anspruch 4, wobei der Werkzeughalter eine äußerste Halterfläche und eine innerste Halterfläche gegenüber der äußersten Halterfläche definiert, die innerste Halterfläche die Verstärkungsöffnung definiert, die Werkzeuganordnung ferner eine radiale Stütze umfasst, die um den Werkzeughalter herum angeordnet ist, die radiale Stütze in direktem Kontakt mit der äußersten Halterfläche steht, die radiale Stütze das metallische Material umfasst und die radiale Stütze ein Kragen ist, der um den Werkzeughalter herum angeordnet ist, um die radiale Ausdehnung des Werkzeughalters zu minimieren.
Die Werkzeuganordnung nach Anspruch 5, ferner umfassend mindestens ein Befestigungselement, das die Spindelverbindung mit dem Werkzeughalter verbindet.
Die Werkzeuganordnung nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Kühlungsdüse, die sich durch das vergängliche Werkzeug erstreckt, wobei die Kühlungsdüse so konfiguriert ist, dass sie ein Kühlmittel aufnimmt, um die Abgabe des Kühlmittels durch die Werkzeuganordnung zu überprüfen.
Die Werkzeuganordnung nach Anspruch 7, ferner umfassend mindestens eine Entlüftungsbohrung, die sich durch den Spindelanschluss erstreckt, um die Fluss-/Druckverteilung der Abgabe des Kühlmittels einzustellen.
Die Werkzeuganordnung nach Anspruch 8, wobei der Werkzeughalter einen ersten Halterendabschnitt und einen zweiten Halterendabschnitt gegenüber dem ersten Halterendabschnitt aufweist, der zweite Halterendabschnitt das Halterpositionierungsmerkmal aufweist und das Verbindungspositionierungsmerkmal eine Verbindungsöffnung ist, die so bemessen und geformt ist, dass sie den zweiten Halterendabschnitt aufnimmt.
Die Werkzeuganordnung nach Anspruch 9, wobei der Werkzeughalter eine Werkzeughalteröffnung aufweist, die sich durch den ersten Halterendabschnitt erstreckt, und die Werkzeughalteröffnung so bemessen und geformt ist, dass sie einen Abschnitt des vergänglichen Werkzeugs aufnimmt, um das vergängliche Werkzeug mit dem Werkzeughalter zu verbinden.