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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Formwerkzeug, aufweisend mindestens einen Kühlkörper mit mindestens einem darin ausgebildeten Kühlkanal.
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Stand der Technik
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Ganz besonders findet die Offenbarung Anwendung bei Spritzgusswerkzeugen, insbesondere als sogenannter Kern. Solche Kerne können bei der Herstellung von Gussbauteilen dazu eingesetzt werden, innenliegende Hohlräume auszubilden. Dabei wird ein solcher Kern üblicherweise, zumindest teilweise an seiner Außenoberfläche mit (schmelzfähigem bzw. geschmolzenem) Gussmaterial umgeben, welches dann dort aushärtet bzw. erstarrt. Die Kerne können nach Erstarren des Gussmaterials bevorzugt wieder aus der Gussform entfernt werden (wiederverwendbare Kerne).
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Zusammenfassung
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Hieraus ergibt sich die besondere Anforderung, dass derartige Formwerkzeuge unter den gegebenen Bedingungen ein positives Erstarrungsverhalten des Gussmaterials bewirken. Dafür wird insbesondere angestrebt, dass eine gleichmäßige Temperatur mittels des Formwerkzeugs bereitgestellt wird bzw. die Wärme des Gussmaterials schnell und/oder gleichmäßig abtransportiert werden kann.
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Damit einher geht die Anforderung an ein solches Formwerkzeug, eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen. Zu diesem Zweck ist bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien zur Herstellung solcher Formwerkzeuge vorgeschlagen worden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines Formwerkzeuges;
- 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines Formwerkzeuges;
- 3 zeigt eine dritte Ausführungsvariante eines Formwerkzeuges;
- 4 zeigt eine vierte Ausführungsvariante eines Formwerkzeuges;
- 5 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung eines Kühlkörpers mittels eines additiven Fertigungsverfahrens; und
- 6 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung des Kühlkörpers.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Darüber hinaus ist gewünscht, die Kühlleistung eines solchen Formwerkzeuges möglichst zu erhöhen, um damit die Abkühlraten des Gussmaterials während des Gießvorganges zu steigern und damit den Herstellungsprozess für Gussbauteile deutlich zu beschleunigen. Dies kann jedoch dazu führen, dass eine besonders komplexe Innenstruktur bezüglich des mindestens eines Kühlkanals ausgebildet werden muss, um ein möglichst optimales Einströmen des Kühlmediums bzw. einen möglichst guten Abtransport der aufgenommenen Wärmeenergie zu ermöglichen. Dies spielt insbesondere auch bei komplexen Außengeometrien für das Formwerkzeug und/oder das herzustellende Gussbauteil eine zunehmende Rolle.
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Schließlich ist noch anzumerken, dass im Rahmen der Gießproduktion die Formwerkzeuge teilweise auch erheblichen Kräften bzw. Drücken ausgesetzt sind, sodass auch hier dem Einsatz von Materialien und/oder den Designs der Formwerkzeuge Grenzen gesetzt scheinen. Insoweit unterliegen solche Formwerkzeuge auch erheblichen Anforderungen hinsichtlich des Verschleißschutzes und/oder der strukturellen Integrität.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zunächst teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Formwerkzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers angegeben werden, mit dem der Gießprozess begünstigt wird, insbesondere die Erstarrungszeiten für die Gussbauteile reduziert werden können. Dabei soll gleichzeitig eine hohe Lebensdauer für das Formwerkzeug und ein flexibler Einsatz innerhalb der verschiedenen Gießverfahren ermöglicht werden.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Formwerkzeug bzw. einem Verfahren zur Herstellung eines zentralen Kühlkörpers gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Offenbarung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere in Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Offenbarung und führt weitere Ausführungsbeispiele an.
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Hierzu trägt ein Formwerkzeug bei, welches mindestens einen Kühlkörper mit mindestens einem darin ausgebildeten Kühlkanal hat. Der Kühlkörper ist dabei mit einem Material, welches Kupfer umfasst, mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt.
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Bei dem Formwerkzeug handelt es sich insbesondere um einen sogenannten Gießkern. Insbesondere ist das Formwerkzeug in der Funktion als Gießkern wiederverwendbar. Das Formwerkzeug kann mehrteilig ausgeführt sein, wobei beispielsweise zwei gegenüberliegende zentrale Kühlkörper vorgesehen sind, die sich beispielsweise stirnseitig (nahezu) berühren. Das Formwerkzeug kann beispielsweise eine stift- oder stabförmige Gestalt aufweisen.
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Es ist möglich, dass das Formwerkzeug im Wesentlichen nur aus dem Kühlkörper bzw. den Kühlkörpern besteht. Es ist möglich, dass das Formwerkzeug noch weitere Bestandteile hat, wie beispielsweise die nachher aufgeführte Hülse, weitere Anschlusselemente etc., wobei der Kühlkörper gleichwohl bevorzugt das zentrale Element ist, also praktisch die Basis für alle weiteren Komponenten des Formwerkzeuges bilden kann. Insbesondere wird aufgrund der Form bzw. Gestalt des Kühlkörpers, der insbesondere rotationssymmetrisch ist, eine Achse definiert, die auch als Zentrumsachse bezeichnet werden kann.
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Der Kühlkörper ist mit einem Material gebildet, vorzugsweise ausschließlich metallisch, wobei dieses Material Kupfer umfasst. Kupfer kann in Reinform und/oder als Legierung vorliegen. Insbesondere ist der Kühlkörper ebenfalls in all den Bereichen, in denen der Kühlkanal ausgebildet ist, stofflich einheitlich mit diesem Material gebildet. Mit anderen Worten heißt das insbesondere auch, dass der mindestens eine Kühlkanal im Inneren des Kühlkörpers ausschließlich durch dieses Material und/oder ohne weitere Materialgrenze gebildet ist. Folglich wird der Kühlkanal, ausgehend von einem Zulauf bis hin zu einem Ablauf, ausschließlich von diesem Material gebildet bzw. umgeben. Es ist möglich, dass der Kühlkanal klein, z. B. nach Art von Kapillaren, ausgeführt ist, wobei dieser von einem relativ massiven Materialabschnitt im Bereich des Kühlkörpers umgeben werden kann. Es ist zudem möglich, kumulativ oder alternativ, den mindestens einen Kühlkanal mit einem großen Durchmesser auszuführen, der dann von relativ dünnwandigen Wandabschnitten, gebildet aus diesem Material, umgeben sind. Es ist also möglich, dass die den mindestens einen Kühlkanal umgebenden Wandbereiche mit einer Materialstärke ausgeführt sind, die deutlich größer und/oder deutlich kleiner als der Durchmesser des Kühlkanals ist. Der Größenunterschied kann beispielsweise einen Faktor von mindestens 2, mindestens 3, mindestens 5 oder sogar mindestens 10 betragen.
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Zudem ist der Kühlkörper mittels eines 3D-Duckverfahrens hergestellt. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein sogenanntes additives Fertigungsverfahren, wobei z. B. aus einem 3D-Computermodell aus einem Materialreservoir ein fertiges Produkt erzeugt werden kann. Als Ausgangswerkstoff kann hierfür insbesondere ein Pulver bereitgestellt werden, wobei der pulverförmige Werkstoff durch Belichtung mit einem Laserstrahl zonenweise verfestigt werden kann und durch Abfahren ebener Bahnkurven jeweils in übereinanderliegenden Schichten die Fertigung solcher komplexen Kühlkörper erfolgt.
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Ganz besonders wird hier ein pulverförmiges Material eingesetzt, welches dann partiell aufgeschmolzen und somit in vorgegebenen Zonen miteinander verbunden wird. Insbesondere geht es hier also um ein Pulver verarbeitendes 3D-Druckverfahren, wobei ein Druckkopf den Pulverwerkstoff Schicht für Schicht aufbaut, beispielsweise in einem sogenannten Pulverbett. Zudem ist es dann möglich, mittels eines Lasers, die gewünschten, auszuhärtenden Bereiche der Schichten aufzuschmelzen und so miteinander partiell zu verbacken. Entsprechende Verfahren werden selektives Laserschmelzen (SLM) oder Laserstrahlschmelzen (LBM) genannt.
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Es kann sinnvoll sein, das Drucken und/oder Verfestigen des Materials in einer geschützten Umgebung, beispielsweise unter Zuführung eines Inertgases, durchzuführen.
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Der mindestens eine Kühlkörper kann zumindest überwiegend mit Messing gebildet sein. Es ist beispielsweise möglich, dass der Kühlkörper überwiegend Messing und zudem (nur) Bestandteile aus (reinem) Kupfer und/oder (reinem) Zink umfasst.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass als erstes Metall ein Kupfer-basierter Werkstoff und als zweites Metall ein Zink-basierter Werkstoff eingesetzt wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn der erste Schmelzpunkt des ersten Metalls mindestens 450°C über dem zweiten Schmelzpunkt des zweiten Metalls liegt. Dies ist beispielsweise für die bevorzugten Metallpulver der Fall, denn Kupfer hat einen Schmelzpunkt von 1085°C und Zink hat einen Schmelzpunkt von 419,5°C.
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Der mindestens eine Kühlkanal kann helixförmig ausgebildet sein und insbesondere über den überwiegenden Teil der axialen Länge des Formwerkzeugs benachbart zu einer Außenfläche des Formwerkzeugs verlaufen. Es ist möglich, dass sich (nahezu) alle Bestandteile des Kühlkanals helixförmig im Inneren des Kühlkörpers erstrecken, beispielsweise durch eine konzentrische oder eine verwundene Konfiguration. Es ist auch möglich, dass ein Kühlkanal zumindest teilweise geradlinig verläuft, beispielsweise zentral innen, und dann darum helixförmig (zurück) geführt wird. Jedenfalls ist bevorzugt, dass der Zulauf und der Ablauf für das Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser, an derselben Seite bzw. demselben Ende des Kühlkörpers positioniert sind. Das macht erforderlich, dass der Kühlkanal sich einmal von einem Ende bzw. einer Seite des Kühlkörpers entlang der Achse bis zum gegenüberliegenden Ende bzw. der gegenüberliegenden Seite erstreckt und danach wieder zurückgeführt wird.
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Es ist möglich, dass das Volumen des Kühlkörpers zu mindestens 30 %, mindestens 50 % oder sogar mindestens 75 % hohl ausgeführt ist, weil dort mindestens ein Kühlkanal hindurchgeführt wird.
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Es ist insbesondere möglich, dass der mindestens eine Kühlkanal an der Seite bzw. dem Ende des Kühlkörpers, der dem Zulauf bzw. Ablauf am weitesten entfernt ist, deutlich näher an der Außenfläche des Formwerkzeuges positioniert ist als im Bereich des Zulaufes oder Ablaufes. Insbesondere kann dort der Kühlkanal dicht unterhalb der Außenfläche verlaufen, beispielsweise mit einem Abstand von maximal 5 mm, insbesondere maximal 2 mm, oder sogar nur maximal 0,5 mm [Millimeter].
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Zudem kann mindestens eine Hülse vorgesehen sein, die an dem mindestens einen (zentralen) Kühlkörper wenigstens in einem Abschnitt anliegt. Eine solche Hülse kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, einen Verschleißschutz auszubilden. Wichtig ist dabei ggf., dass auch in diesem Fall ein Wärmetransport von der (äußeren) Hülse hin zum (zentralen) Kühlkörper gut ist. Hierfür ist ein inniger Kontakt des Kühlkörpers mit der Hülse vorteilhaft. Die Hülse ist insbesondere dort vorgesehen bzw. in dem Abschnitt positioniert, in dem die Materialstärke zur Außenfläche des Formwerkzeuges dünnwandig ist. Ebenso kann ein Abschnitt gewählt werden, in dem während des Gießprozesses die höchste Beanspruchung bzw. Temperatureinwirkung stattfindet.
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Die mindestens eine Hülse kann mit einem Material umfassend Stahl, gebildet sein. Eine Stahlhülse kann besonders verschleißfest ausgeführt sein.
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Es ist möglich, dass der Kühlkörper in die mindestens eine Hülse (allein) eingepresst ist. Das kann beispielsweise bedeuten, dass die Hülse auf den Abschnitt des Kühlkörpers aufgeschrumpft wurde. Insbesondere kann die Stahlhülse so hergestellt werden, dass deren Wandstärke zwar sehr klein ist und damit von dem Kühlkörper gut abgestützt werden kann, andererseits aber auch solche Schrumpfeigenschaften hat, dass ein inniger Kontakt mit dem Kühlkörper während der Herstellung erzeugbar ist, der dann auch während der Gießprozesse aufrechterhalten bleibt.
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Einem weiteren Aspekt folgend wird hier auch ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers mit mindestens einem darin ausgebildeten Kühlkanal für ein Formwerkzeug vorgeschlagen, das zumindest die folgenden Schritte umfasst, wie in 6 dargestellt:
- a) Bereitstellen mindestens eines Kupfer umfassenden Metallpulvers,
- b) Schichtweises Aufbauen und partielles Verfestigen des Metallpulvers mittels eines Lasers.
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Das hier genannte Verfahren dient insbesondere zur Herstellung eines Kühlkörpers mit einem Material umfassend Kupfer mittels eines 3D-Druckverfahrens. Insbesondere ist hier ausgeführt, dass das Druckverfahren von einem Metallpulver ausgeht. Auch hier kann das Kupfer in Reinform und/oder als Legierung, beispielsweise zumindest teilweise als Messing, vorliegen. Für Schritt b) kommen insbesondere die Verfahren SLM oder LBM zum Einsatz.
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Offensichtlich werden die Schritte a) und b) mehrfach wiederholt, wobei es beispielsweise auch möglich ist, Schritt b) häufiger durchzuführen als Schritt a). Ebenso ist es möglich, dass in Schritt b) der Prozess des Verfestigens mittels eines Lasers für denselben Bereich einer Schicht wiederholt durchgeführt wird.
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Zur weiteren Charakterisierung des Verfahrens kann auf die vorstehenden Erläuterungen vollständig Bezug genommen werden, die bereits zum damit hergestellten Kühlkörper angeführt wurden.
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Das Verfahren ist dann vorteilhaft, wenn Schritt a) die Bereitstellung eines Metallpulvers, bestehend aus Kupferpulver und Zinkpulver umfasst. Mit anderen Worten ist hier insbesondere gemeint, dass als Hauptausgangsstoff bzw. für diesen Herstellungsprozess kein zusätzliches Bindemittel verwendet wird. Stattdessen werden (nur) Kupferpulver und Zinkpulver miteinander gemischt und somit im Schritt b) mit dem Laser bearbeitet, dass diese selbst eine Legierung eingehen, insbesondere Messing bilden.
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Es kann hierbei auch vorteilhaft sein, dass in Schritt b) ein Aufschmelzen eines Metallpulvers oder Metallpulververbundes mittels des Lasers vorgesehen ist bzw. eintritt. Insbesondere kann die Laserführung derart erfolgen, dass einmal bereits eingegangene Metallverbindungen inzwischen Kupfer und Zink und/oder von diesen Rohmaterialien mit Messing erneut aufgeschmolzen werden, bevor sie nochmals erstarren. Dies kann den Legierungsprozess und damit die umfassende Bildung von Messing deutlich begünstigen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass wenigstens teilweise Verbindungen zwischen mehreren Pulverkörnern des Kupfer-Werkstoffs erzeugt werden. Die Laserparameter und/oder die Belichtungsstrategien können in diesem Zusammenhang so ausgelegt werden, dass sich (gezielt bzw. kontrolliert) (nur) die Pulverkugeln Kupfer-Werkstoffs partiell miteinander verbinden. Der Zink-Werkstoff kann sich in Schritt b) teilweise an oder um den Kupfer-Werkstoff fest anlagert. Der Zink-Werkstoff kann beispielsweise (nur) als Wärmeleiter und/oder Stützmatrix fungierend ungelöst um den Kupfer-Werkstoff herum angelagert werden bzw. bleiben oder ggf. teilweise mit dem Kupfer-Werkstoff Mischkristalle bilden. In diesem Zusammenhang kann der Zink-Werkstoff beispielhaft als reiner „Metall-Binder“ fungieren, welcher ausgeschmolzen und nach dem Ausschmelzen ggf. wiederverwendet werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird hier die Verwendung eines solchen Formwerkzeuges in Verkühlung und partieller Erstarrung eines Gussteils während der Herstellung des Gussteils vorgeschlagen. Die Verwendung bietet sich insbesondere dann an, wenn das Gussteil mit einem Material hergestellt wird, welches aus der Gruppe Metall und Kunststoff ausgewählt ist. Die Verwendung wird insbesondere dann vorgeschlagen, wenn das Gussteil ein Sanitärgehäusebauteil ist. Ein Sanitärgehäusebauteil kann beispielsweise das einer Sanitärarmatur sein, also beispielsweise ein Gehäuse eines Wasserhahnes oder dergleichen.
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Es wurde erkannt, dass Messing im Zusammenhang mit einem 3D-Druckverfahren geeignet ist, entsprechende Kühlkörper bzw. Formwerkzeuge bereitzustellen. Auf diese Weise wird nun ermöglicht, dass beispielsweise ein Spritzgusskern fertig gedruckt wird, ggf. noch ergänzt durch die Montage eines nachher anzubringenden Hülsenbauteils.
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Je nach Anforderung an die Kühlleitung und/oder die Geometrie des Formwerkzeuges bzw. Kühlkörpers ist es möglich, insbesondere aufgrund des Einsatzes des Metallpulvers bzw. des Kupferpulvers und Zinkpulvers den Kupfergehalt des fertigen Bauteils zielgenau einzustellen.
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Der Einsatz eines derartigen Formwerkzeuges hat eine signifikante Reduzierung der Zykluszeit für den Gießprozess des Gussbauteils zur Folge. Dies liegt insbesondere daran, dass das Gussmaterial aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers und der ggf. kompletten Geometrie des Kühlkanals in den Heizkanälen deutlich schneller erstarrt, wodurch final das Gusswerkzeug schneller wieder geöffnet werden kann. Dies resultiert in einer signifikanten Qualitätsverbesserung, nicht nur hinsichtlich des Prozesses, sondern in den meisten Fällen auch hinsichtlich des Gussbauteils. Insbesondere kann eine geometrisch vollständige Erstarrung in kritischen Bereichen des Gussbauteils erreicht werden. Insbesondere können so auch einige Gussfehler vermieden werden.
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Die Offenbarung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigen, auf die die Offenbarung nicht beschränkt sein soll. Zudem ist anzumerken, dass, soweit nichts anderes explizit hier vorgetragen, die Merkmale aus einer Figur extrahierbar und ggf. mit anderen Aspekten aus anderen Figuren bzw. der vorherigen Beschreibung kombinierbar sind. Es zeigt schematisch.
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1 zeigt ein Formwerkzeug 1, welches links und rechts jeweils einen (zentralen) Kühlkörper aufweist. Die beiden Kühlkörper 2 sind stirnseitig (während des Gießprozesses) in Kontakt und können horizontal verfahren werden, insbesondere auseinander für den Entnahmevorgang und zueinander für den Gießprozess. In den gegenüberliegenden Endbereichen weisen die Kühlkörper jeweils einen Zulauf und einen Ablauf für Kühlmedium, insbesondere Wasser, auf. Jeder der hier gezeigten Kühlkörper 2 ist mit mehreren Kühlkanälen 3 ausgebildet. Der Kühlkörper 2 ist jeweils mit einem Material, umfassend Kupfer, hier insbesondere Messing, ausgeformt. Beide Kühlkörper 2 sind mittels eines 3D-Druckverfahrens, insbesondere wie hier beschrieben, hergestellt. 1 veranschaulicht zudem, dass darum umliegend ein Gussteil 11 geformt werden kann, was beispielsweise zunächst flüssig zugegeben wird und dann in der Umgebung bzw. durch Kontakt mit dem Kühlkörper 2 erstarrt.
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2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Formwerkzeuges 1, wobei dies hier mit einem zentralen Kühlkörper 2 und einer in einem Abschnitt 6 der Austrittsfläche 4 anliegenden Hülse 5 gestaltet ist. Links (an einem Ende) des Kühlkörpers 2 sind der Zulauf 13 und der Ablauf 14 für das Kühlmedium dargestellt. Der Kühlkörper 2 hat einen wesentlichen stiftartigen Aufbau mit einer zentralen Achse 15. Um diese Achse 15 herum sind die Kühlkanäle 3 helixartig ausgebildet, wobei diese insbesondere aun den gegenüberliegenden Enden, wo sich auch der Abschnitt 6 mit der Hülse 5 befindet, sehr dicht zur Außenfläche 4 des Formwerkzeuges positioniert. Hier ist ein Beispiel gezeigt, wobei der Kühlkanal einen relativ großen Durchmesser hat und die Wandabschnitte 16 sehr dünnwandig dazwischen ausgestaltet sind. Die Hülse 5 ist bevorzugt aus Stahl und auf die Außenfläche 4 des Kühlkörpers 2 aufgeschrumpft.
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Eine etwas andere Ausgestaltung des Kühlkörpers 2 ist in 3 dargestellt. Hierbei ist insbesondere ein zentraler, relativ großer Kühlkanal 3 vorgesehen, über den kaltes Kühlmedium bis vorne in die Spitzen, die üblicherweise hoch temperaturbelastet ist, geführt wird. Daran anschließend ist ein helixförmiger Abschnitt des Kühlkanals vorgesehen, der die Achse 15 und den großen geraden Mittelabschnitt umgibt, so dass das Kühlmittel zum Auslass nahe der Außenoberfläche 4 zurückgeführt wird.
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4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Kühlkörpers 2 mit einem Kühlkanal 3, wobei hier der Kühlkanal 3 im Wesentlichen vollständig helixförmig ausgeführt ist und dabei der hinlaufende Helix und der rücklaufende Helix ineinander verschachtelt sind, sodass sie beispielsweise auf einem gemeinsamen Zylinder liegen.
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5 veranschaulicht schematisch den Prozess des 3D-Druckverfahrens. Hierbei ist gezeigt, dass der Kühlkörper 2 schichtweise aufgebaut wird mit einem Metallpulver 7, welches in diesem Fall ein Kupferpulver 9 und ein Zinkpulver 10 umfasst. Die einzelnen Lagen 12 des Pulvermaterials werden aufeinander mit einem Druckkopf positioniert und anschließend mit einem Laser 8 verfestigt. Nach Fertigstellung des Kühlkörpers 2 kann das restliche, nicht benötigte Metallpulver 7 entfernt und ggf. für weitere Prozesse wiederverwendet werden.
