DE19701078C1

DE19701078C1 - Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen, für die Formgebung von thermoplastifiziertem Kunststoff bestimmten Werkzeugen

Info

Publication number: DE19701078C1
Application number: DE19701078A
Authority: DE
Inventors: Gabriele Dipl Ing Alscher; Ernst Prof Schmachtenberg
Original assignee: IKM INST fur KUNSTSTOFFE IM M
Current assignee: IKM INST fur KUNSTSTOFFE IM M
Priority date: 1997-01-15
Filing date: 1997-01-15
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2017-01-16

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen, für die Formgebung von thermoplastifiziertem Kunststoff bestimmten Werkzeugen nach Maßgabe von gespeicherten, werkzeugtypischen, geometrischen Daten in einer mit Laserstrahlen arbeitenden, computergestützten Rapid-Prototyping-Anlage. Formgebung von thermoplastifiziertem Kunststoff meint insbesondere die Formgebung durch Spritzgießen, aber auch durch Strangpressen oder andere Formgebungsmaßnahmen. Werkzeuge meint insbesondere Spritzgießwerkzeuge und Strangpreßwerkzeuge und Werkzeugteile, auch solche, die in besondere Werkstoffaufnahmen der entsprechenden Formgebungsmaschinen eingesetzt werden. Rapid-Prototyping- Anlage bezeichnet im Rahmen der Erfindung ein bekanntes computergestütztes Modellbauverfahren (Gebhardt "Rapid Prototyping", Carl Hanser Verlag 1996), wobei das sogenannte Laser-Sintern zum Einsatz kommt.

Zwar ist Rapid-Prototyping in der Praxis bereits auf dem Wege zur direkten Herstellung von Werkzeugen und Werkstücken eingesetzt worden, jedoch sind die insoweit bekannten Maßnahmen mit großen Problemen behaftet (Gebhardt, 1 c., Seite 61), da insoweit mit bei hohen Temperaturen schmelzenden Metallen gearbeitet wird. In diesem Zusammenhang ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Formwerkzeugen nach Maßgabe von gespeicherten, werkzeugtypischen geometrischen Daten bekannt (PatG § 3(2) - DE 195 33 960 A1), bei dem das Werkzeug mittels eines Laserstrahls aus metallhaltigem Pulver aufgebaut wird, wobei das metallhaltige Pulver in einem Schmelzbereich schichtweise aufgeschmolzen und aufgebrachte Schichten spanend nachbearbeitet werden. Während der Laserbearbeitung kann das Formwerkzeug gekühlt werden.

Bei dem bekannten Verfahren, von dem die Erfindung ausgeht (Gebhardt, 1. c., Seite 65), das aber bisher in der Praxis lediglich zum Modellbau eingesetzt wird, erfolgt die Versinterung des Metallpulvers über Polymerverbindungen. Insoweit werden besondere Verfahrensschritte verwirklicht. Die Metallpulverteilchen sind von polymeren Substanzen umgeben. Die Polymerhüllen werden beim Rapid-Prototyping zunächst aufgeschmolzen und verkleben die Metallteilchen zu einem sogenannten Grünling. Danach werden die Polymeranteile ausgetrieben und durch eine in den Grünling eindringende niedrigschmelzende Metallegierung ersetzt. Das ist aufwendig. Auch kann nicht verhindert werden, daß störende Restporen verbleiben. Das stört möglicherweise weniger, wenn es sich um die Herstellung von Modellen handelt, jedoch unter Umständen erheblich, wenn fertige Werkzeuge oder Werkstücke hergestellt werden sollen.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Werkzeuge für die Formgebung von thermoplastifiziertem Kunststoff, auf sehr einfache Weise, gleichsam einsatzbereit hergestellt werden können. Einsatzbereit schließt nicht aus, daß die hergestellten Werkzeuge noch eine Oberflächenbearbeitung erfahren.

Zur Lösung dieses technischen Problems ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Werkzeugen, für die Formgebung von thermoplastifiziertem Kunststoff bestimmten Werkzeugen nach Maßgabe von gespeicherten, werkzeugtypischen geometrischen Daten in einer mit Laserstrahlen arbeitenden Rapid- Prototyping-Anlage, mit den Merkmalen

1.1) für den Aufbau der Werkzeuge in der Rapid- Prototyping-Anlage werden niedrigschmelzende Metalle und/oder Metallegierungen mit einem unter 200°C liegenden Schmelzpunkt in Form von Metallpulver oder Metallfolien frei von Kunststoffbindern oder metallischen Bindern verwendet,
1.2) die Energie der Laserstrahlen wird nach Maßgabe des Schmelzpunktes der verwendeten Metalle und/oder Metallegierungen eingerichtet,
1.3) die Werkzeuge werden mit Kühlflächen und/oder Kühlkanälen versehen, so daß ihre Temperatur im betriebsmäßigen Einsatz bei der Formgebung des thermoplastifizierten Kunststoffes eine störende Beeinträchtigung ihrer mechanischen Eigenschaften (Zug- und/oder Druckfestigkeit) nicht bewirkt,

wobei die verwendeten Metalle und/oder Metallegierungen so ausgewählt werden, daß die hergestellten Werkzeuge ohne weiteres für die Formgebung einsetzbar sind.

Die Erfindung geht zunächst von der Erkenntnis aus, daß Werkzeuge für die Formgebung von thermoplastifiziertem Kunststoff aus einem niedrigschmelzenden Metall bzw. einer niedrigschmelzenden Metallegierung hergestellt werden können, wenn sichergestellt wird, daß ihre Temperatur im betriebsmäßigen Einsatz bei der Formgebung der thermoplastifizierten Kunststoffe eine störende Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften (Zug und/oder Druckfestigkeit) nicht bewirkt. Das kann durch Kühlung der Werkzeuge im Einsatz unschwer erreicht werden. Insoweit liegt eine neue Verwendung niedrigschmelzender Metallegierungen vor. Die Erfindung geht fernerhin von der Erkenntnis aus, daß die so ausgelegten Werkzeuge im Wege des Rapid-Prototyping aus entsprechendem Metallpulver bzw. aus entsprechenden Metallfolien einfach und unmittelbar unter Verzicht auf die Zwischenschaltung von Polymerverbindungen hergestellt werden können. Insoweit erfährt auch das Rapid-Prototyping mit der Maßgabe, daß auf die Zwischenschaltung von Polymerverbindungen verzichtet wird, eine neue Anwendung, nämlich zur Herstellung der beschriebenen Werkzeuge. Wie schon ausgeführt, wird dabei mit niedrigschmelzenden Metallen und/oder Metallegierungen gearbeitet, deren Schmelzpunkt unter 200°C liegt. In diesem Falle kann das Laser-Sintern unschwer so geführt werden, daß die fertigen Werkzeuge praktisch porenfrei zur Verfügung stehen. Vorzugsweise wird im Rahmen der Erfindung mit eutektischen Metallegierungen gearbeitet, die einen definierten Schmelzpunkt aufweisen. Die Energie der Laserstrahlen kann in diesem Falle sehr genau so eingestellt werden, daß das Laser-Sintern problemlos und mit hoher Qualität erfolgt.

Die Auslegung der Werkzeuge so, daß ihre Temperatur im betriebsmäßigen Einsatz bei der Formgebung der thermoplastifizierten Kunststoffe eine störende Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften nicht bewirkt, wird dadurch erreicht, daß sie mit Kühlflächen oder Kühlkanälen versehen werden. Insoweit besteht eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Maßgabe, daß Werkzeuge in der Rapid-Prototyping- Anlage für den betriebsmäßigen Einsatz mit Kühlflächen versehen werden oder aber daß die Werkzeuge in der Rapid-Prototyping-Anlage für den betriebsmäßigen Einsatz mit Kühlkanälen versehen werden. Man kann auch sowohl Kühlflächen als auch Kühlkanäle vorsehen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Werkzeugen, für die Formgebung von thermoplastifiziertem Kunststoff bestimmten Werkzeugen nach Maßgabe von gespeicherten, werkzeugtypischen geometrischen Daten in einer mit Laserstrahlen arbeitenden Rapid-Prototyping- Anlage, mit den Merkmalen

2. Verfahren nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß mit eutektischen Metallegierungen gearbeitet wird, die einen definierten Schmelzpunkt aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 mit der Maßgabe, daß mit niedrigschmelzenden Metallegierungen auf Basis von "Wismut, Kalzium, Zink, Gallium, Titan" oder Mischungen bzw. Legierungen davon oder Legierungen mit anderen Metallen gearbeitet wird.