DE19707906C2 - Verfahren zur Herstellung von metallischen Hohlformen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Hohlformen entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung besteht in der Herstellung von metallischen Formen für das Druckgießen oder Umformen von Prototypen.

Bei der Entwicklung von Druckgußteilen werden oft ab einem bestimmten Stadium Vorserien- Gießformen benötigt, mit denen eine größere Stückzahl von Prototypen aus dem Serienwerkstoff und nach dem Serienverfahren gefertigt werden können. Dies dient insbesondere zur Verringerung der Erprobungszeiten und zur Vermeidung von Anlaufschwierigkeiten bei der Aufnahme der Serienfertigung.

Konventionelle Fertigungsverfahren für Druckgießformen, die auf der spanenden oder abtragenden Bearbeitung eines Materialblocks aus Warmarbeitsstahl basieren, sind extrem Zeit- und kostenaufwendig. Durch Verwendung von unlegiertem Stahl kann der Zeit- und Kostenaufwand bei unverändertem Fertigungsverfahren erheblich gesenkt werden, wobei die Standzeit der Druckgießformen jedoch auf etwa 100 Abgüsse begrenzt ist.

Beiden Werkstoffvarianten haftet darüber hinaus folgender Nachteil an, wenn als Verfahrensfolge bei der Fertigung der konturgebenden Teile und Einsätze konventionelles Fräsen zum Schruppen und Vorschlichten sowie Hochgeschwindigkeitsfräsen zum Schlichten genutzt wird:

Ein effektiver Einsatz des Hochgeschwindigkeitsfräsens setzt ein weitestgehend gleiches Aufhaß auf allen konturgebenden Oberflächenelementen der Einsätze voraus. Nur dann ist gewährleistet, daß unter Beachtung zulässiger Beanspruchung der Fräswerkzeuge eine gleichmäßig hohe Qualität der Oberfläche erreicht wird. Diese Voraussetzung kann derzeit mit den Fräsverfahren, die dem Hochgeschwindigkeitsfräsen vorgeschaltet sind, nur unzureichend geschaffen werden. Somit treffen die Hochgeschwindigkeitsfräser ständig auf unterschiedliche zu zerspanende Restwerkstoffmengen. Es ist damit meist erforderlich, die Spanleistung zu verringern, um ein Brechen der Fräser zu verhindern, sowie die Zahl der Vorschlichtvorgänge zu erhöhen. Insgesamt führt dies neben der höheren Fertigungszeit auch zu einer unterschiedlichen, vom möglichen Optimum abweichenden Oberflächenqualität. Darüber hinaus kann es notwendig sein, bei komplizierten Geometrien der konturgebenden Flächen zumindest Teilbereiche mittels Erodieren herzustellen, was z. B. für Hohlformen mit großem Höhen-/Breiten-Verhältnis zutrifl. Hierdurch wird der Zeit- und Kostenaufwand zusätzlich erhöht.

Ein anderer Nachteil konventioneller spangebender Fertigungsverfahren wird bei der Fertigung von metallischen Hohlformen deutlich, die Hohlräume aufweisen sollen. Dies betrifft z. B. die Fertigung von funktionell optimal gestalteten nicht-formgebenden Hohlräumen oder weitgehend geschlossenen Kanälen in Druckgießformen. Solche nicht-formgebenden Hohlräume bzw. Kanäle können insbesondere Kühl- oder Heizkanäle sein oder Hohlräume, die Sensoren und/oder Aktoren für die Steuerung des Gießprozesses aufnehmen. Mit spangebenden Fertigungsverfahren können typischerweise nur Kanäle hergestellt werden, die zumindest abschnittsweise geradlinig sind und einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Die Auslegung von funktionell optimal gestalteten Kühl- oder Heizkanälen in Druckgießformen erfordert jedoch, daß diese Kanäle hinsichtlich Lage, Abmessung und Gestalt wesentlich freizügiger dimensioniert werden können, z. B. als bogenförmiger Kanal mit variabler Krümmung und variablem Querschnitt. Dies führt z. B. zu der Forderung, die genannten Kanäle annähernd äquidistant zur formgebenden Kontur der Druckgießform verlaufen zu lassen sowie Größe und Form des Kanalquerschnitts an die vorgegebenen Wärmeübertragungsbedingungen anzupassen.

Um die notwendigen Zwischenschritte bei Verfahren zur Erzeugung von Werkzeugkonturen für die Prototypenherstellung aus Kunststoffen und Elastomeren zu reduzieren, ist es z. B. gemäß DE 44 31 985 A1 bekannt, diese Werkzeugkonturen unter Verwendung stereolithographischer Verfahren zu erzeugen. Hierzu werden zunächst von einem vorgegebenen Muster des zu fertigenden Teils computertechnisch Raumkoordinaten ermittelt. Danach erfolgt eine Korrektur dieser Werte zur Kompensierung des Volumenschwundes der zu verarbeitenden Kunststoffe, anschliessend die räumliche Festlegung von Formteilungsebene sowie notwendiger Freiräume für Angusssystem, Auswerferelemente und Einlegeteile. Mit diesen Geometriedaten wird danach auf stereolithographischem Weg ein Formkonturmuster erzeugt. Durch Umgießen des Formkonturmodells mit Hochleistungsverbundwerkstoffen entstehen temperatur- und druckbelastbare Formkonturen für Spritzgießmaschinen, Pressen u. dgl.

Weiterhin ist es gemäß DE 44 10 046 C1 bekannt, ein Feinguß-Urmodell durch Lasersintern herzustellen. Ein ähnliches Konzept beschreibt die DE 44 18 466 A1 Herstellung verlorener Formen und Kerne hier den Gießereieinsatz. Letzlich wird mit den beiden vorgenannten Verfahren jedoch nur die Phase der Modellherstellung für das Feingieß-Verfahren bzw. die Phase der Form- und Kernherstellung für das Gießen unter Schwerkrafteinfluß verbessert.

Gemäß EP 0104839 A1 ist es auch bekannt, Metallformen mittels Metallschmelzspritzen herzustellen. Der Herstellungsprozeß besteht aus folgenden Schritten: ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt wird auf ein erstes Modell gespritzt, um eine Negativ-Form zu erzeugen. Danach wird das erste Modell entfernt und die Negativ-Form mit flüssigem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt gefüllt, um das zweite Modell zu erzeugen. Nun wird ein Metall mit hohem Schmelzpunkt auf dieses zweite Modell gespritzt und dieses zweite Modell entfernt, indem es auf Schmelztemperatur erhitzt wird. Die konturgebenden Flächen der fertigen Gießform bestehen somit aus gespritztem Metall mit hohem Schmelzpunkt. Aufgrund der zahlreichen Fertigungsschritte ist dieses Verfahren jedoch äußerst aufwendig, so daß es nicht in größerem Umfang angewendet wird.

In jüngster Zeit wurde bekannt, daß mit Laser-Sinterverfahren unter Verwendung von extrem feinkörnigem Stahlpulver direkt einsatzfähige Werkzeugeinsätze für Spritzgießformen hergestellt werden können (Giesserei 83 (1996) Nr. 23, S 26). Hierzu werden die mittels Laser-Sintern erzeugten Grünlinge zunächst mit einem flüssigem Polymer getränkt und in einem Wärmeofen nachvernetzt. In nachfolgenden Verfahrensschritten werden die Grünlinge kontrolliert versintert, wobei der Kunststoff vergast und die Bauteile schrumpfen. Anschließend werden die porösen Bauteile mit einer flüssigen Kupferlegierung infiltriert, wodurch ein dichtes Bauteil entsteht, das nach entsprechender Nacharbeit wie Feinerodieren und Polieren in Vorserien-Formen für Magnesium- bzw. Aluminium-Druckgußteile einsetzbar ist.

Die Festigkeitseigenschaften der mit diesem Verfahren hergestellten konturgebenden Teile entsprechen etwa denen von Aluminiumlegierungen. Dies begrenzt das Einsatzgebiet des Verfahrens. Insbesondere sind mit diesem Verfahren keine Hohlformen herstellbar, die etwa die Festigkeitseigenschaften von Eisenwerkstoffen erreichen.

Insofern besteht unverändert ein Bedarf an einem kostengünstigen Verfahren zur Herstellung von metallischen Hohlformen oder ihrer konturgebenden Teile und Einsätze.

Insbesondere besteht unverändert ein Bedarf an einem kostengünstigen Verfahren zur Herstellung von Hohlformen aus Eisenwerkstoffen wie Gießformen für den Druckguß von metallischen Prototypen oder Hohlformen für andere Fertigungsverfahren, wie Umformwerkzeuge und dergleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Hohlformen oder ihrer konturgebenden Teile und Einsätze aus Gußwerkstoffen zu schaffen, das die Vorteile bekannter Sinterverfahren bei der Herstellung von Bauteilen mit komplizierter Geometrie nutzt, ohne auf den Einsatz solcher Werkstoffe für diese Hohlformen verzichten zu müssen, deren Festigkeitseigenschaften denen von Eisenwerkstoffen entsprechen. Ein spezieller Aspekt dieser Aufgabe besteht darin, daß mit dem Verfahren auch metallische Hohlformen, konturgebende Teile und Einsätze, insbesondere Druckgießformen herstellbar sein sollen, die Hohlräume mit nicht-formgebender Funktion enthalten, deren Lage, Abmessung und Gestalt weitgehend frei dimensionierbar ist. Dies betrifft z. B. Kühl- oder Heizkanäle mit insbesondere variabler Krümmung, Hohlräume für die Aufnahme von Sensoren usw. Insbesondere soll es das Verfahren ermöglichen, Kühl- oder Heizkanäle in Druckgießformen herzustellen, die äquidistant zur formgebenden Kontur der Druckgießform verlaufen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht demnach darin, daß mittels Abguß von im Sinterverfahren hergestellten Zwischenformen solche Ausgangsformen für die metallischen

Hohlformen oder ihre konturgebenden Teile und Einsätze hergestellt werden, die nur ein geringes Aufmaß auf die Endabmessungen dieser Hohlformen oder ihrer konturgebenden Teile und Einsätze in Form einer annähernd äquidistante Materialschicht aufweisen. Dadurch wird es möglich, dieses Aufmaß bei der Endbearbeitung bevorzugt mittels Hochgeschwindigkeitsfräsens abzuarbeiten.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Laser-Sintern von Werkzeugeinsätzen besteht in der größeren Auswahlmöglichkeit unter verschiedenen Werkstoffen zur Herstellung der Hohlformen. Deshalb sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere Prototypen-Druckgießformen herstellbar, die bezüglich ihrer Festigkeitseigenschaften und Standzeit den mittels Laser-Sintern erzeugten Druckgießformen überlegen sind. Dies gilt insbesondere beim Einsatz von Gußeisen mit Kugelgraphit als Werkstoff für die herzustellenden Hohlformen.

Gegenüber den konventionellen Verfahren, bei denen die Druckgießformen im wesentlichen aus dem vollen Material gefräst werden, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine wesentliche Verkürzung der Bearbeitungszeit möglich. Diese Zeiteinsparung resultiert daraus, daß sich die Kontur der Ausgangsformen für die metallischen Hohlformen oder ihre konturgebenden Teile und Einsätze von der Sollkontur im wesentlichen nur durch eine etwa äquidistante Materialschicht unterscheidet. Die Bearbeitungsschritte Schruppen und Vorschlichten entfallen daher.

Damit liegen, insbesondere mit dem Einsatz von Gußeisen mit Kugelgraphit als Werkstoff für die herzustellenden Hohlformen, ausgezeichnete Voraussetzungen für eine Abarbeitung dieser Materialschicht mittels Hochgeschwindigkeitsfräsens vor. Zugleich ermöglicht es der Einsatz des Hochgeschwindigkeitsfräsens, die erforderliche Oberflächenqualität zu erreichen.

Ein weiterer Vorteil gegenüber den konventionellen Verfahren besteht darin, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Druckgießformen herstellbar sind, die bereits Hohlräume mit nicht­ formgebender Funktion enthalten, deren Lage, Abmessung und Gestalt weitgehend frei dimensionierbar ist. Ohne das Erfordernis einer aufwendigen spanenden Bearbeitung sind daher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Druckgießformen mit Kühl- oder Heizkanälen herstellbar, die z. B. äquidistant zur formgebenden Kontur der Druckgießform verlaufend und deren Krümmung insbesondere variabel sein kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele für die Herstellung einer Druckgießform näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung dient zur Veranschaulichung der einzelnen Phasen des Verfahrens. In einer stark schematisierten Darstellung zeigt

Fig. 1a die Kontur eines Fertigteils,

Fig. 1b die vom Fertigteil (Fig. 1a) abgeleitete Kontur des Rohteils,

Fig. 1c die vom Rohteil (Fig. 1b) abgeleitete Geometrie der Druckgießform,

Fig. 1d die Geometrie der Druckgießform mit einem Aufmaß auf den konturbildenden Teilen entsprechend der äquidistanten Materialschicht gem. Fig. 2c,

Fig. 2a eine mittels Laser-Sintern hergestellte Zwischenform,

Fig. 2b die mit Gußwerkstoff gefüllte Zwischenform aus Fig. 2a,

Fig. 2c die Lage der äquidistanten Materialschicht an der als Abguß der Zwischenform erhaltenen Ausgangsform für die Hohlform,

Fig. 3a die Kontur der fertigen Druckgußform,

Fig. 3b die Kontur des Druckguß-Rohteils

Fig. 4a die Geometrie der vom Rohteil (Fig. 1b) abgeleiteten Druckgießform mit der Geometrie des integrierten Heiz-/Kühlkanals,

Fig. 4b die Geometrie der Druckgießform mit der Geometrie des integrierten Heiz-/Kühlkanals sowie einem Aufmaß auf den konturbildenden Teilen entsprechend der äquidistanten Materialschicht gem. Fig. 5c,

Fig. 5a eine mittels Laser-Sintern hergestellte Zwischenform mit integriertem Kern für den Heiz-/Kühlkanal,

Fig. 5b die mit Gußwerkstoff gefühlte Zwischenform aus Fig. 5a,

Fig. 5c die Lage der äquidistanten Materialschicht an der als Abguß der Zwischenform aus Fig. 5a erhaltenen Ausgangsform für die Hohlform,

Fig. 6 die Kontur der fertigen Druckgußform mit integriertem Kern für den Heiz-/Kühlkanal.

Anhand der Geometriedaten eines Rohteils (Fig. 1b), die auf den Geometriedaten des Fertigteils (Fig. 1a) basieren, werden die Geometriedaten der Druckgießform (Fig. 1c) als "räumliches Negativ" des Rohteils ermittelt. Im Bereich der konturbildenden Teile müssen die Geometriedaten der Druckgießform entsprechend der Erfindung durch ein zusätzliches Aufmaß modifiziert werden (in Fig. 1d schraffiert dargestellt), um auf dem Abguß (Fig. 2c) der Zwischenform (Fig. 2a) die Ausbildung einer äquidistanten Materialschicht zu gewährleisten. Die Geometriedaten der gemäß der Erfindung herzustellenden Zwischenform (Fig. 2a) werden daher aus diesen so modifizierten Geometriedaten der Druckgießform (Fig. 1d) ermittelt.

Alternativ ist es auch möglich, aus den unmodifizierten Geometriedaten der Druckgießform (Fig. 1c) zunächst vorläufige Geometriedaten der gemäß der Erfindung herzustellenden Zwischenform zu bestimmen. Diese vorläufige Geometriedaten können dann durch das Aufmaß modifiziert werden, das zur Ausbildung einer äquidistanten Materialschicht (in Fig. 2c schraffiert dargestellt) auf dem Abguß der Zwischenform nötig ist.

Die Zwischenform (Fig. 2a) wird in einer Laser-Sinteranlage hergestellt und für den Abguß (Fig. 2b) vorbereitet. Mit diesem Abguß soll ein Gußrohling (Fig. 2c) der Kontur der Druckgießform hergestellt werden. Der verwendete metallische Gußwerkstoff soll sowohl eine gute Vergießbarkeit und Spanbarkeit als auch eine ausreichende Standzeit der herzustellenden Druckgießform gewährleisten. Als erfindungsgemäßes Charakteristikum weist der Gußrohling (Fig. 2c) der Kontur der Druckgießform eine etwa äquidistanten Materialschicht auf (in Fig. 2c schraffiert dargestellt), die sehr vorteilhaft mittels Hochgeschwindigkeitsfräsens auf Endmaß und erforderliche Oberflächenqualität bearbeitet wird.

Aus den so erhaltenen Teilen kann die Prototypen-Druckgießform (Fig. 3a) gefügt werden. Deren Abguß mit dem Serienwerkstoff liefert das erwünschte Rohteil (Fig. 3a).

Das zweite Ausführungsbeispiel (Fig. 4a bis Fig. 6) betrifft die Herstellung einer Prototypen- Druckgießform, die einen Hohlraum in Form eines integrierten Heiz-/Kühlkanals enthält. Das mit dieser Variante zu fertigende Rohteil ist mit dem in Fig. 1b dargestellten Rohteil identisch. Die in Fig. 4a dargestellte, als CAD-Daten vorliegende Geometrie der Druckgießform enthält als Geometrie-Objekte die die beiden Formhälften 1 und 2, wobei die Formhälfte 2 einen integrierten Heiz-/Kühlkanal 3 aufweist. Um auf dem Abguß (Fig. 5c) der Zwischenform (Fig. 5a) die Ausbildung einer für den Einsatz des Hochgeschwindigkeitsfräsens notwendigen äquidistanten Materialschicht zu gewährleisten, müssen die Geometriedaten der Druckgießform im Bereich der konturbildenden Teile durch das zusätzliche Aufmaß 4 modifiziert werden (in Fig. 4b schraffiert dargestellt).

Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren notwendige, in einer Laser-Sinteranlage hergestellte zweiteilige Zwischenform (Fig. 5a) besteht aus den beiden Zwischenformen 5 und 6 für die Formhälften 1 und 2. Die Zwischenform 6 weist zusätzlich einen ebenfalls lasergesinterten Kern 7 für einen Heiz-/Kühlkanal der zu fertigenden Druckgießform auf. Fig. 5a versteht sich als stark schematisierte Darstellung, da am Kern 7 in Abhängigkeit von den konkreten Anwendungsbedingungen z. B. auch Mittel angeordnet sein können, die seine Lage stabilisieren. Die Zwischenform gemäß Fig. 5a wird nach entsprechender Vorbereitung mit einem metallischen Gußwerkstoff abgegossen, der in Fig. 5b das Bezugszeichen 8 erhält. Mit diesem Abguß wird ein Gußrohling (Fig. 5c) der Druckgießform hergestellt, die aus den beiden Formhälften 9 und 10 besteht. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß bereits der Gußrohling der Formhälfte 10 einen Heiz-/Kühlkanal 11 mit einer relativ komplizierten Geometrie aufweist, die mit konventionellen spanenden Fertigungsverfahren nicht herstellbar ist.

Analog zum ersten Ausführungsbeispiel weist der Gußrohling der Druckgießform (Fig. 5c) entlang der Kontur der Druckgießform eine etwa äquidistanten Materialschicht auf (in Fig. 5c schraffiert dargestellt), die sehr vorteilhaft mittels Hochgeschwindigkeitsfräsens auf Endmaß und erforderliche Oberflächenqualität bearbeitet wird. Aus den so erhaltenen Teilen kann die Prototypen-Druckgießform (Fig. 6) gefügt werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von metallischen Hohlformen oder ihrer konturgebenden Teile und Einsätze aus Gußwerkstoffen, einschließlich ihrer funktionell notwendigen, nicht-formgebenden Hohlräume wie Kühl- und/oder Heizkanäle, insbesondere zur Herstellung von Gießformen für den Druckguß von metallischen Prototypen sowie für die Fertigung von Kunststoff, Glas- oder Keramik-Teilen oder von Hohlformen für andere Fertigungsverfahren, wie Umformwerkzeuge und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß

• A) die Geometriedaten der metallischen Hohlformen oder ihrer konturgebenden Teile und Einsätze einschließlich ihrer funktionell notwendigen, nicht-formgebenden Hohlräume wie Kühl- und/oder Heizkanäle entsprechend den vorgegebenen Geometrie- und Werkstoffdaten der Rohteile bestimmt werden, die mittels der Hohlformen gegossen, umgeformt oder anderweitig bearbeitet werden, wobei die Geometriedaten der Hohlformen oder ihrer konturgebenden Teile und Einsätze berücksichtigen
  • a) die Teilung der Hohlformen und ihrer Einsätze entsprechend bekannten technologischen Grundsätzen sowie den Fertigungsmöglichkeiten von Zwischenformen gemäß Schritt II)
  • b) die Schwindmaße für den Gußwerkstoff der Rohteile und/oder
  • c) ein Aufmaß für die Bearbeitung der gegossenen, umgeformten oder anderweitig bearbeiteten Rohteile,
  • d) den Verlauf funktionell notwendiger, nicht-formgebender Hohlräume wie Kühl- und/oder Heizkanäle
• B) Zwischenformen vorgesehen sind, deren Abguß die Ausgangsformen für die metallischen Hohlformen oder ihre konturgebenden Teile und Einsätze gemäß Ziff I liefern, und die Geometriedaten der Zwischenformen entsprechend den Geometrie- und Werkstoffdaten der vorgenannten Ausgangsformen bestimmt werden, wobei die Geometriedaten der Zwischenformen insbesondere berücksichtigen
  • a) die Maßänderung der Zwischenformen im Verlauf ihrer Herstellung gemäß Schritt III),
  • b) die Schwindmaße für den gemäß Schritt IV) verwendeten Gußwerkstoff und/oder
  • c) ein Aufmaß für die Bearbeitung der Ausgangsformen, das einer gegenüber der Sollkontur der metallischen Hohlformen oder ihrer konturgebenden Teile und Einsätze etwa äquidistanten Materialschicht entspricht,
  • d) den Verlauf funktionell notwendiger, nicht-formgebender Hohlräume wie Kühl- und/oder Heizkanäle
• C) die Zwischenformen entsprechend den im Schritt II) ermittelten Geometriedaten mittels Sintern von pulverfoermigem, koernigem oder granuliertem Formstoff und nachfolgender Härtung hergestellt werden, wobei der Formstoff so auszuwählen ist, daß er der Beanspruchung durch mindestens einmaliges Abgießen mit dem gemäß Schritt IV) verwendeten Gußwerkstoff standhält,
• D) die Zwischenformen mit einem metallischen Gußwerkstoff abgegossen werden, der sowohl eine gute Vergießbarkeit und Spanbarkeit als auch eine ausreichende Standzeit der herzustellenden metallischen Hohlformen oder ihrer konturgebenden Teile und Einsätze sichert, und
• E) die im vorhergehenden Schritt erhaltenen Ausgangsformen auf Endmaß und erforderliche Oberflächenqualität bearbeitet und aus ihnen die Hohlform gefügt wird.

2. Verfahren zur Herstellung von metallischen Hohlformen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlformen oder ihre konturgebenden Teile und Einsätze aus Gußeisen mit Kugelgraphit bestehen.

3. Verfahren zur Herstellung von metallischen Hohlformen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung der Ausgangsformen auf Endmaß und erforderliche Oberflächenqualität mittels Hochgeschwindigkeitsfräsens erfolgt.