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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente eines Spritzgießwerkzeugs sowie eine Komponente für ein Spritzgießwerkzeug. Derartige Spritzgießwerkzeuge dienen insbesondere als Form zur Herstellung von Werkstücken.
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Beim Kunststoffspritzgießen wird regelmäßig ein Kunststoff zu einer Kunststoffschmelze verflüssigt und zur Ausbildung des Werkstücks mittels einer Spritzgießmaschine in eine Kavität eines Spritzgießwerkzeugs gespritzt. Zum Kühlen der Kunststoffschmelze in dem Spritzgießwerkzeug kann das Spritzgießwerkzeug Kühlkanäle aufweisen, durch die beim Kunststoffspritzgießen eine Kühlflüssigkeit strömen kann. Um eine optimale Kühlung zu gewährleisten, müssen die Kühlkanäle häufig mit einem komplexen Verlauf ausgebildet werden. Hierzu können das Spritzgießwerkzeug bzw. eine Komponente des Spritzgießwerkzeugs mittels eines 3D-Druckers gedruckt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Herstellung des Spritzgießwerkzeugs bzw. der Komponente des Spritzgießwerkzeugs viel Zeit beansprucht.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente eines Spritzgießwerkzeugs anzugeben, durch das die Komponente mit einer höheren Geschwindigkeit herstellbar ist. Zudem soll eine Komponente für ein Spritzgießwerkzeug angegeben werden, das mit einer höheren Geschwindigkeit herstellbar ist.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren und einer Komponente gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Hierzu trägt ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente eines Spritzgießwerkzeugs bei, das zumindest die folgenden Schritte aufweist:
- a) 3D-Drucken zumindest eines Kühlkanals; und
- b) zumindest teilweises Umgießen des zumindest einen Kühlkanals.
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Das Spritzgießwerkzeug kann zumindest einen Hohlraum aufweisen, der beispielsweise nach Art einer Matrize oder Kavität ausgebildet sein kann. Der Hohlraum bildet insbesondere ein Negativ einer Außenform eines herzustellenden Werkstücks. Hierzu kann das Spritzgießwerkzeug insbesondere mehrteilig ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Spritzgießwerkzeug eine erste Werkzeughälfte und eine zweite Werkzeughälfte umfassen, die zur Entnahme des hergestellten Werkstücks voneinander trennbar sind. Zudem kann in dem Hohlraum zumindest ein Gießkern angeordnet sein. Weiterhin kann das Spritzgießwerkzeug einen Einsatz für eine Heißkanaldüse aufweisen. Der Einsatz ist insbesondere an dem Spritzgießwerkzeug bzw. der ersten Werkzeughälfte und/oder zweiten Werkzeughälfte befestigbar. Die Befestigung kann beispielsweise durch eine Steckverbindung, Gewindeverbindung und/oder Schraubenverbindung erfolgen. Zudem kann der Einsatz insbesondere zur Führung und/oder Halterung der Heißkanaldüse an oder in dem Spritzgießwerkzeug dienen. Hierzu kann der Einsatz beispielsweise nach Art eines Adapters für die Heißkanaldüse ausgebildet sein. Weiterhin kann der Einsatz insbesondere zumindest teilweise rohrförmig und/oder zumindest teilweise (rotations-)symmetrisch ausgebildet sein. Bei der Komponente kann es sich beispielsweise um einen Teil des Spritzgießwerkzeugs, die erste Werkzeughälfte, die zweite Werkzeughälfte, den Gießkern und/oder den Einsatz handeln.
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Die Heißkanaldüse kann insbesondere Teil eines Heißkanalsystems sein. Das Heißkanalsystem umfasst insbesondere zumindest einen Heißkanal für eine Schmelze. Der zumindest eine Heißkanal kann beispielsweise eine Schmelzequelle, beispielsweise nach Art eines beheizbaren Zylinders oder Schneckenzylinders einer Spritzgießmaschine, mit der Heißkanaldüse verbinden und/oder zumindest teilweise beheizbar sein. Mittels der Schmelzequelle ist insbesondere ein Kunststoff, insbesondere nach Art eines Thermoplasts, schmelzbar. Weiterhin kann die Heißkanaldüse zumindest einen Schmelzekanal aufweisen. Der zumindest eine Schmelzekanal kann ebenfalls zumindest teilweise beheizbar sein. Die Schmelze ist in dem zumindest einen Heißkanal und/oder in dem zumindest einen Schmelzekanal der Heißkanaldüse beispielsweise auf eine Temperatur von 200 °C (Celsius) bis 300 °C erhitzbar. Hierzu kann der zumindest eine Heißkanal und/oder die Heißkanaldüse beispielsweise eine (elektrische) Heizung aufweisen.
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In einem Schritt a) wird der zumindest eine Kühlkanal durch 3D-Druck bzw. mithilfe eines 3D-Druckers hergestellt. Beim 3D-Druck handelt es sich um ein Verfahren zur Additiven Fertigung. Der 3D-Druck des zumindest einen Kühlkanals erfolgt insbesondere durch einen schichtweisen Aufbau des zumindest einen Kühlkanals. Der schichtweise Aufbau erfolgt insbesondere computergesteuert und/oder aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen. Weiterhin können beim schichtweisen Aufbau physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse stattfinden. Der zumindest eine Kühlkanal wird insbesondere aus einem ersten Metall, wie zum Beispiel Kupfer, Kupferlegierungen, Messing oder Edelstahl, gedruckt. Hierzu kann das Metall beispielsweise als Metallpulver bereitgestellt werden. Die Bereitstellung erfolgt insbesondere in einem Arbeitsraum und/oder auf einer Arbeitsfläche des 3D-Druckers. Das schichtweise Aufbauen des Werkstücks kann durch partielles Schmelzen des Metallpulvers erfolgen. Das partielle Schmelzen kann beispielsweise durch selektives Laserschmelzen oder selektives Elektronenstrahlschmelzen erfolgen. Die Verwendung eines Lasers bzw. mindestens eines Laserstrahls erlaubt beim Laserstrahlschmelzen in vorteilhafter Weise, dass das Metallpulver in hoher Geschwindigkeit schmelzbar, mit einer hohen Temperatur schmelzbar und/oder sehr präzise schmelzbar ist. Beim schichtweisen Aufbauen des zumindest einen Kühlkanals können insbesondere mehrere Schichten nacheinander, übereinander bzw. Schicht für Schicht gebildet werden. Dabei beschreibt eine Schicht im Wesentlichen einen horizontalen Querschnitt durch den zumindest einen Kühlkanal. Bei dem partiellen Schmelzen kann das sich innerhalb einer Schicht befindliches Metallpulver lokal, an vorbestimmten Punkten, an denen eine Materialverfestigung eintreten soll, solange und/oder so intensiv erwärmt werden, dass sich Pulverkörner des Metallpulver dort (kurzzeitig) verflüssigen und so dauerhaft (bzw. bis zu einem erneuten Erwärmen) miteinander verbinden. Beim 3D-Drucken des zumindest einen Kühlkanals können unterschiedliche 3D-Druckverfahren zur Anwendung kommen, wie zum Beispiel Laser-Sintern, Laser-Strahlschmelzen oder Elektronen-Strahlschmelzen.
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Der zumindest eine Kühlkanal wird in Schritt a) insbesondere rohrförmig ausgebildet bzw. liegt nach Schritt a) als Rohr vor. Weiterhin kann der zumindest eine Kühlkanal (insbesondere entlang seiner Längsachse) beispielsweise eine Länge von 10 mm (Millimeter) bis 1.000 mm aufweisen. Zudem kann der zumindest eine Kühlkanal (insbesondere orthogonal zu seiner Längsachse) zumindest teilweise einen runden, ovalen, rechteckigen und/oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann der zumindest eine Kühlkanal (insbesondere orthogonal zu seiner Längsachse) einen Durchmesser von 1 mm bis 50 mm aufweisen. Der zumindest eine Kühlkanal weist insbesondere zumindest einen Einlass und zumindest einen Auslass für ein Kühlfluid auf. Bei dem Kühlfluid kann es sich insbesondere um ein Kühlgas, wie zum Beispiel Luft oder Stickstoff, oder eine Kühlflüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, handeln. Durch das 3D-Drucken kann der zumindest eine Kühlkanal in einem beliebigen Bereich der Komponente ausgebildet werden. Weiterhin kann der zumindest eine Kühlkanal mit einer beliebigen Struktur und/oder einem beliebigen Verlauf in der Komponente ausgebildet werden. Dies ermöglicht insbesondere den zumindest einen Kühlkanal in Bereichen der Komponente auszubilden, in denen bei der Verwendung des Spritzgießwerkzeugs eine möglichst starke Kühlung und damit eine schnelle Erstarrung der Schmelze in dem Hohlraum gewünscht wird. Die verbesserte Kühlung erlaubt wiederum geringere Zykluszeiten bzw. höhere Produktionsgeschwindigkeiten beim Spritzgießen. Der zumindest eine Kühlkanal kann zumindest teilweise mit einem nicht-linearen Verlauf ausgebildet werden. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der zumindest eine Kühlkanal zumindest eine Biegung aufweisen kann. Die zumindest eine Biegung kann beispielsweise einen Radius von 1 mm bis 10 mm aufweisen. Weiterhin können in Schritt a) eine Mehrzahl von Kühlkanäle, beispielsweise 2 bis 20 Kühlkanäle, hergestellt werden. Die Kühlkanäle können dabei zumindest teilweise gleichzeitig hergestellt werden. Weiterhin kann der zumindest eine Kühlkanal mit zumindest einer Stützstruktur und/oder Befestigungsstruktur ausgebildet werden. Zudem kann zumindest eine Stützstruktur und/oder Befestigungsstruktur zwischen einzelnen Kühlkanälen ausgebildet werden. Die zumindest eine Stützstruktur und/oder Befestigungsstruktur kann insbesondere nach Art einer (insbesondere dünnen) Strebe ausgebildet sein.
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Nach Schritt a) wird der zumindest eine Kühlkanal in einem Schritt b) insbesondere mit einem zweiten Metall, wie zum Beispiel Kupfer, Kupferlegierung, Messing oder Edelstahl, zumindest teilweise umgossen. Hierzu kann der zumindest eine Kühlkanal in einer Gießform angeordnet werden. Anschließend kann das zweite Metall als flüssige Schmelze in die Gießform gefüllt werden und in der Gießform erstarren. Die Gießform kann beispielsweise als Negativ einer Außenfläche der Komponente des Spritzgießwerkzeugs ausgebildet oder als Negativ der Außenfläche der Komponente des Spritzgießwerkzeugs ähnlich sein. Durch das Umgießen können einzelne Kühlkanäle miteinander verbunden und/oder Freiräume zwischen den einzelnen Kühlkanälen mit dem zweiten Metall gefüllt werden, sodass insbesondere ein massiver Körper entsteht. Das zweite Metall kann dem ersten Metall entsprechen. Weiterhin kann sich das zweite Metall von dem ersten Metall unterscheiden. Durch das Umgießen des zumindest einen Kühlkanals mit dem zweiten Metall muss die Komponente des Spritzgießwerkzeugs nicht vollständig durch 3D-Drucken hergestellt werden, sodass die Komponente mit einer höheren Geschwindigkeit herstellbar ist.
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In Schritt a) kann der zumindest eine Kühlkanal zumindest teilweise mit einer Wandstärke von 0,5 mm bis 5 mm gedruckt werden. Bevorzugt kann in Schritt a) der zumindest eine Kühlkanal zumindest teilweise oder vollständig, d. h. insbesondere über seine gesamte Länge, mit einer Wandstärke von 1 mm bis 2 mm gedruckt werden. Bei der Wandstärke handelt es sich insbesondere um eine Dicke einer Rohrwand des zumindest einen Kühlkanals. Die Wandstärke des zumindest einen Kühlkanals bemisst sich insbesondere orthogonal zu einer Längsachse des Kühlkanals.
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Nach Schritt a) kann der zumindest eine Kühlkanal entpudert werden. Unter „Entpudern“ ist insbesondere ein Entfernen von Resten des Metallpulvers aus dem zumindest einen Kühlkanal zu verstehen. Das Metallpulvers kann beispielsweise über den Einlass und/oder Auslass des zumindest einen Kühlkanals aus dem zumindest einen Kühlkanal entfernt werden.
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In den zumindest einen Kühlkanal kann zumindest ein Loch zum Entpudern des zumindest einen Kühlkanals eingebracht werden. Das Einbringen des zumindest einen Lochs erfolgt insbesondere nach Schritt a) und vor Schritt b). Das zumindest eine Loch kann beispielsweise durch Bohren erzeugt werden. Insbesondere kann das zumindest eine Loch im Bereich einer Biegung des zumindest einen Kühlkanals in den zumindest einen Kühlkanal eingebracht werden. Hierdurch kann insbesondere das Entfernen des Metallpulvers aus den Biegungen erleichtert werden, insbesondere wenn die Biegung einen geringen Radius aufweist. Das Loch kann einen Lochdurchmesser von beispielsweise 1 mm bis 5 mm aufweisen. Das zumindest eine Loch wird insbesondere in der Rohrwand des zumindest einen Kühlkanals ausgebildet.
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Das zumindest eine Loch kann nach dem Entpudern geschlossen werden. Das Schließen des zumindest einen Lochs kann beispielsweise durch Schweißen erfolgen.
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Das Entpudern kann mithilfe von mechanischen Stößen oder Ultraschall erfolgen.
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Nach Schritt a) kann der zumindest eine Kühlkanal zumindest teilweise mit einer Schutzschicht versehen werden. Hierzu kann der zumindest eine Kühlkanal beispielsweise in flüssiges Zink getaucht werden.
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In Schritt b) kann der zumindest eine Kühlkanal mit einem Kühlfluid durchströmt werden. Hierdurch kann der zumindest eine Kühlkanal gekühlt werden, während der zumindest eine Kühlkanal in Schritt b) mit dem zweiten Metall umgossen wird. Bei dem Kühlfluid kann es sich insbesondere um das Kühlgas, wie zum Beispiel Luft oder Stickstoff, oder die Kühlflüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, handeln.
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In Schritt b) kann ein Block gegossen werden. Der Block kann beispielsweise zumindest teilweise in Form eines Quaders und/oder Zylinders ausgebildet werden. Bei dem Block kann es sich insbesondere um einen massiven Körper handeln, durch den der zumindest eine Kühlkanal zumindest teilweise verläuft.
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In einem Schritt c) kann eine mechanische Bearbeitung erfolgen. Im Schritt c) kann insbesondere der Block mechanisch bearbeitet werden. Die mechanische Bearbeitung kann beispielsweise mittels eines spanenden Fertigungsverfahrens erfolgen. Beispielsweise kann die mechanische Bearbeitung Fräsen, Drehen, Bohren und/oder Erodieren umfassen. Durch die mechanische Bearbeitung wird insbesondere die endgültige Form der Komponente erzeugt.
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Einem weiteren Aspekt folgend wird auch eine Komponente für ein Spritzgießwerkzeug vorgeschlagen, die zumindest einen 3D-gedruckten Kühlkanal aus einem ersten Metall aufweist, der zumindest teilweise mit einem zweiten Metall umgossen ist.
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Für weitere Einzelheiten zu der Komponente wird vollumfänglich auf die Beschreibung des Verfahrens verwiesen.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Dabei sind gleiche Bauteile in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen beispielhaft und schematisch:
- 1: das Verfahren in einem Ablaufdiagramm;
- 2: eine Mehrzahl von Kühlkanälen in einer perspektivischen Darstellung; und
- 3: eine Komponente eines Spritzgießwerkzeugs in einer perspektivischen Darstellung.
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1 zeigt das Verfahren zur Herstellung einer Komponente 1 (vgl. 3) eines Spritzgießwerkzeugs in einem Ablaufdiagramm. In einem Schritt a) wird zumindest ein Kühlkanal 2.1, ..., 2.8 mit einem hier nicht gezeigten 3D-Drucker aus einem ersten Metall gedruckt (vgl. 2). Anschließend wird in einem Schritt b) der zumindest eine Kühlkanal 2.1, ..., 2.8 mit einem zweiten Metall umgossen, sodass ein Block 3 entsteht (vgl. 3). Der Block 3 wird anschließend in einem Schritt c) mechanisch bearbeitet.
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Die 2 zeigt die Kühlkanäle 2.1, ..., 2.8 nach Schritt a). Die Kühlkanäle 2.1 bis 2.4 erstrecken sich von einem ersten Einlaufrohr 4 zu einem ersten Auslaufrohr 6 und die Kühlkanäle 2.5 bis 2.8 von einem zweiten Einlaufrohr 5 zu einem zweiten Auslaufrohr 7. Die Einlaufrohre 4, 5 und die Auslaufrohre 6, 7 werden in Schritt a) ebenfalls 3D-gedruckt. Die Kühlkanäle 2.1, ..., 2.8 weisen eine Mehrzahl von Biegungen 14 auf. Die Einlaufrohre 4, 5 sind demgegenüber gerade ausgebildet und weisen jeweils sich gegenüberliegende erste längsseitige Enden 8 und zweite längsseitige Enden 10 auf. Die Auslaufrohre 6, 7 sind ebenfalls gerade ausgebildet und weisen jeweils sich gegenüberliegende dritte längsseitige Enden 12 und vierte längsseitige Enden 13 auf. Zudem verlaufen die Einlaufrohre 4, 5 und Auslaufrohr 6, 7 parallel zueinander. Die Einlaufrohre 4, 5 weisen jeweils an den ersten längsseitigen Enden 8 einen Fluideinlass 9 auf. Die Kühlkanäle 2.1 bis 2.8 sind mit den zweiten längsseitigen Enden 10 der Einlaufrohre 4, 5 verbunden. Weiterhin weisen die Auslaufrohre 6, 7 jeweils an den dritten längsseitigen Enden 12 Fluidauslässe 11 auf. Die Kühlkanäle 2.1 bis 2.8 sind zudem mit den vierten längsseitigen Enden 13 der Auslaufrohre 6, 7 verbunden. Somit sind die Einlaufrohre 4, 5, die Kühlkanäle 2.1, ..., 2.8 und die Auslaufrohre 6, 7 von den Fluideinlässen 9 bis zu den Fluidauslässen 11 mit Kühlfluid durchströmbar.
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Die in der 2 gezeigten Kühlkanäle 2.1, ..., 2.8, die Einlaufrohre 4, 5 und die Auslaufrohre 6, 7 werden in dem Schritt b) mit einem zweiten Metall umgossen, sodass ein in der 3 gezeigter Block 3 entsteht. Der Block 3 ist in der 3 exemplarisch quaderförmig dargestellt. Nach Schritt b) wird der Block 3 im Schritt c) mechanisch bearbeitet, sodass die Komponente 1 für ein hier nicht dargestelltes Spritzgießwerkzeug entsteht. Während Schritt c) werden in der Komponente 1 zudem Auswurflöcher 15 ausgebildet, durch die beim Kunststoffspritzgießen Auswurfstempel zum Auswerfen eines erzeugten Werkstücks aus dem Spritzgießwerkzeug bewegbar sind. Die Auswurflöcher 15 erstrecken sich parallel zu den in der 2 gezeigten Einlaufrohre 4, 5 und Auslaufrohren 6, 7 sowie vollständig durch die Komponente 1.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung der Komponente 1 mit einer höheren Fertigungsgeschwindigkeit.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Komponente
- 2.1, ..., 2.8
- Kühlkanal
- 3
- Block
- 4
- erstes Einlaufrohr
- 5
- zweites Einlaufrohr
- 6
- erstes Auslaufrohr
- 7
- zweites Auslaufrohr
- 8
- erstes längsseitiges Ende
- 9
- Fluideinlass
- 10
- zweites längsseitiges Ende
- 11
- Fluidauslass
- 12
- drittes längsseitiges Ende
- 13
- viertes längsseitiges Ende
- 14
- Biegung
- 15
- Auswurfloch
