DE19831315A1 - Injection molding of prototype products, prototype tools or tool inserts by a rapid powder injection molding which uses a negative tool insert produced by rapid prototyping for the powder molding stage - Google Patents

Injection molding of prototype products, prototype tools or tool inserts by a rapid powder injection molding which uses a negative tool insert produced by rapid prototyping for the powder molding stage

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Falk Lindner
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Abstract

A negative tool insert of the component is manufactured by a rapid tooling method and mounted in a tool. In the subsequent powder injection molding stage, a powder filled plastic is injection molded in the tool insert to give a preform which is then sintered to remove the plastic binder, stabilize the powdered material and form a positive prototype tool insert. Preferred Features: Molding of the prototype tool may also be effected by compression-injection, transfer or compression molding processes.

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Die Herstellung von Prototypwerkzeugen (Rapid Tooling) für Spritzgießprozesse bietet die Möglichkeit, in einem frühen Stadium der Produktentwicklung Prototypenformteile mit dem für die spätere Fertigung vorgesehenen Material und Verfahren herzustellen. Für eine höhere Stabilität und eine seriennähere Temperaturführung sind metallische Prototypwerkzeuge notwendig. Urformende Verfahren haben gegenüber generierenden Verfahren den Vorteil, daß die Komplexität keinen großen Einfluß auf die Fertigungszeit des Werkstücks hat. Zu den Urformverfahren zählenThe production of prototype tools (rapid tooling) for injection molding processes is provided by Possibility of using the prototype molded parts at an early stage of product development to manufacture materials and processes intended for later production. For a higher one Stability and temperature control closer to series production are metallic prototype tools necessary. Prototype processes have the advantage over generating processes that the complexity does not have a major impact on the manufacturing time of the workpiece. To the Original molding processes count

  • - das Feingießen, bei dem ein Wachsurmodell durch mehrfaches, abwechselndes Tauchen in einem keramischen Binder und anschließendem Besanden ummantelt wird. Hat diese Sand-Keramik-Schale eine Dicke von 6-15 mm erreicht, kann der Wachskern herausgeschmolzen und der Gießwerkstoff in die Form gefüllt werden. Zur Entformung wird die Schale von dem Werkstück abgeschlagen /1, 2/.- the investment casting, in which a wax model by multiple, alternating diving in is encased in a ceramic binder and then sanded. Have this Sand ceramic shell reaches a thickness of 6-15 mm, the wax core can melted out and the casting material filled into the mold. For demolding the shell is knocked off the workpiece / 1, 2 /.
  • - Ein weiteres Urformverfahren ist das Sandgußverfahren. Hierzu wird ein zweiteiliges Urmodell benötigt. Die Trennebene ist dabei mit der späteren Trennebene der Gußform identisch. Die Modellhälften werden jeweils in den Unter- und Oberkasten der Form in Sand eingefaßt. Nachdem das Urmodell aus dem Formsand herausgelöst wurde, können die Formhälften zusammengesetzt und ausgegossen werden. Zur Entformung wird die Gußform wieder geteilt /3-9/.- Another primary molding process is the sand casting process. This will be a two part Original model needed. The parting plane is the later parting plane of the mold identical. The model halves are in the lower and upper box of the form in Edged sand. After the original model has been removed from the molding sand, the Mold halves are put together and poured out. For demolding, the Mold again divided / 3-9 /.
  • - Zur Fertigung von Metallprototypwerkzeugen mit dem Gipsguß-Verfahren wird zunächst eine Negativform des Werkzeugs benötigt, in der ein Urmodell in Silikon abgeformt wird. Dieses wird in Gips eingeformt. Nach der Trocknung der Gipsform kann das Silikonpositiv entnommen und die Metallschmelze eingefüllt werden. Zur Entformung muß die Gipsform zerstört werden /3, 5/.- For the production of metal prototype tools with the plaster casting process is first a negative form of the tool is required, in which a master model is molded in silicone. This is molded in plaster. After the plaster mold has dried, the silicone positive  removed and the metal melt are filled. The plaster mold must be used for demolding be destroyed / 3, 5 /.
  • - Bei dem Rapid Tooling-Verfahren der Firma Keltool wird nicht mit Metallschmelzen sondern mit metallpulvergefüllten Harzen gearbeitet. Hier wird aus einem Modell des Werkzeugs eine Silikon-Gußform erstellt, in die das Metallpulver-Harz-Gemisch gegossen wird. Nach der Entformung des konsolidierten Werkzeuggrünlings, wird in einem Sinterprozeß das Harz ausgetrieben und das Bauteil verdichtet. Abschließend wird das Werkzeug infiltriert /10/.- The Rapid Tooling process from Keltool does not use molten metal but worked with metal powder filled resins. Here a model of the Tool created a silicone mold in which the metal powder-resin mixture is poured becomes. After the demolding of the consolidated tool green, it is made in one Sintering process expels the resin and compresses the component. In conclusion, that will Tool infiltrates / 10 /.

Das Selektive Lasersintern zählt nicht zu den Urformverfahren sondern gehört zu den generativen Verfahren. Hier wird auf einem verfahrbaren Stempel Metallpulver durch einen Laser schichtweise versintert. Nach jeder Schicht wird der Stempel um eine Schichtdicke abgesenkt und das Metallpulver für die nächste Schicht aufgetragen. Nach dem Fertigungsprozeß kann das überschüssige, nicht versinterte Metallpulver abgeklopft werden. Dieses Grünteil wird anschließend nachgesintert und mit niedrigschmelzenden Metallen infiltriert /11-23/.Selective laser sintering is not one of the original molding processes but one of the generative processes. Here metal powder is placed on a movable stamp Laser sintered in layers. After each layer, the stamp is one layer thick lowered and the metal powder applied for the next layer. After this Manufacturing process, the excess, not sintered metal powder can be knocked off. This green part is then sintered and with low-melting metals infiltrated / 11-23 /.

Das Powder Injection Moulding (PIM) ist eine Variante des Spritzgießens, mit dem kompakte Bauteile aus einem sinterbaren Werkstoff hergestellt werden können. Hierzu wird ein mit Pulver gefüllter Kunststoff in Granulatform auf einer Spritzgießmaschine verarbeitet und so Grünlinge des späteren Bauteil erstellt. Diese Grünlinge werden nachfolgend debindert und gesintert /24-27/.Powder Injection Molding (PIM) is a variant of injection molding with which compact Components can be made from a sinterable material. For this, a with Powder-filled plastic in granulate form processed on an injection molding machine and so Green parts of the later component created. These green compacts are subsequently debinded and sintered / 24-27 /.

Nachteile des Standes der TechnikDisadvantages of the prior art

Das Feingießen ist durch die Prozeßschritte "Eintauchen in einem keramischen Binder, Besanden und Trocknen", die sich über Tage erstrecken können, ein sehr zeitaufwendiges Verfahren. Zusätzlich werden Urmodelle aus Wachs benötigt, die unter Umständen ebenfalls über Urformverfahren hergestellt werden müssen. The investment casting is through the process steps "immersion in a ceramic binder, Sanding and drying ", which can take days, is very time consuming Method. In addition, master models made of wax are required, which may also be necessary have to be manufactured using primary molding processes.  

Hier bietet das Sandguß-Verfahren zwar zeitliche und finanzielle Vorteile, dieses läßt aber aufgrund der schlechten Oberflächenqualität und der begrenzten Abbildegenauigkeit keine detailreichen Modelle zu.Here, the sand casting process offers time and financial advantages, but this does not due to the poor surface quality and the limited image accuracy none detailed models too.

Mit dem Gipsguß-Verfahren können auch detaillierter Strukturen abgeformt werden. Aufgrund der geringeren Temperaturbeständigkeit ist allerdings nur die Verarbeitung von Leichtmetallen möglich. Zusätzlich weisen die hergestellten Bauteile aufgrund der geringen Wärmeleitung des Gipses und der daraus resultierenden geringeren Abkühlgeschwindigkeit ein um ca. 20% geringere Festigkeit im Vergleich von z. B. Druckgußbauteilen auf.With the plaster casting process, detailed structures can also be molded. Due to the lower temperature resistance, only the processing of Light metals possible. In addition, the components manufactured have due to the small Thermal conduction of the gypsum and the resulting lower cooling rate a 20% lower strength compared to e.g. B. die cast components.

Beim Keltool-Verfahren werden relativ viele Prozeßschritte benötigt, um zum Prototyp- Werkzeug zu gelangen. Neben der Fertigung eines Urmodells ist hier zusätzlich eine Silikonform notwendig. Nach der Abformung schließen sich weiterhin ein Sinterprozeß und die Infiltrierung des Werkzeugs an. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß dieses Verfahren nur auf kleine Geometrien beschränkt ist.The Keltool process requires a relatively large number of process steps to become a prototype Tool. In addition to the production of a master model, there is also one here Silicone mold necessary. After the impression, a sintering process and continue the infiltration of the tool. Another disadvantage is that this method only is limited to small geometries.

Das Selektive Lasersintern bietet aufgrund der Möglichkeit, direkt aus den CAD-Daten das Werkzeug oder die Werkzeugschale zu fertigen, zeitliche Vorteile. Nachteilig ist aber, daß die erzeugten Oberflächen sehr rauh sind und sich das Bauteil aufgrund der großen Temperatur­ unterschiede beim Bauprozeß schnell verzieht, so daß diese meist recht massiv aufgebaut sind. Die massive Bauweise verlängert allerdings wieder die Fertigungszeit.Selective laser sintering offers this because it is possible to do this directly from the CAD data Manufacturing tools or the tool tray, time advantages. The disadvantage, however, is that the generated surfaces are very rough and the component due to the high temperature Differences in the building process quickly warped, so that these are usually built quite massive are. However, the massive construction lengthens the manufacturing time again.

Das PIM-Verfahren wird zur Zeit zur Herstellung von gesinterten Metall- und Keramikteilen verwendet. Zur Formgebung werden bei diesem Verfahren Stahlwerkzeuge eingesetzt.The PIM process is currently used to manufacture sintered metal and ceramic parts used. Steel tools are used for shaping in this process.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, welches es ermöglicht, Prototypen, Prototypwerkzeuge oder -einsätze mit dem PIM-Verfahren herzustellen. Dazu muß ein Negativ dieser Werkzeuge mit einem RP-Verfahren als Werkzeugeinsatz gefertigt werden. Weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein geeignetes Material zu verwenden, welches beim PIM-Prozeß eine adäquate Fließfähigkeit aufweist, um eine hohe Abbildegenauigkeit zu erreichen und die Kavität beim Füllvorgang nicht zu schädigen. Dieses Material muß weiterhin einen genügend hohen Pulveranteil aufweisen, um bei dem anschließ­ enden Sinterprozeß ausreichend verdichtet werden zu können. Die so hergestellten Prototyp­ werkzeuge sollen eine gute Oberflächenqualität und eine geringe Porösität sowie eine hohe Festigkeit aufweisen.The object of the invention is to develop a method which enables Manufacture prototypes, prototype tools or inserts using the PIM process. To a negative of these tools must be manufactured using an RP process as a tool insert become. Another object of this invention is to use a suitable material which has an adequate flowability in the PIM process to a high  To achieve image accuracy and not to damage the cavity during the filling process. This Material must also have a sufficiently high proportion of powder in order to then end sintering process to be sufficiently compressed. The prototype so produced tools should have a good surface quality and low porosity, as well as high Have strength.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by a method having the features of claim 1.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Herstellung von Prototypwerkzeugen, -werkzeugschalen oder Werkzeugeinsätzen mit dem Powder Injection Moulding bietet folgende Vorteile:The production of prototype tools, tool shells or tool inserts with Powder Injection Molding offers the following advantages:

Durch die Direktherstellung des Werkzeugnegativs mittels Rapid Prototyping Verfahren (z. B. Stereolithographie) läßt sich der aufwendige Verfahrensschritt der Modellherstellung einsparen. Je nach verwendetem RP-Verfahren und Ausstattung des Anwenders kann die Herstellung des Werkzeugnegativs ggf. auch intern erfolgen. Andernfalls kann der Anwender auf ein großes Dienstleisterangebot zurückgreifen.Through the direct production of the tool negative using rapid prototyping processes (e.g. Stereolithography) can be the complex process step of model production save on. Depending on the RP process used and the equipment of the user, the The tool negative may also be produced internally. Otherwise the user can fall back on a large range of service providers.

Die Verwendung von RP-Negativformen zur Abformung der Prototypwerkzeuge hat weiterhin erhebliche zeitliche und finanzielle Vorteile gegenüber den beim PIM sonst eingesetzten Metallwerkzeugen.The use of RP negative molds to take the prototype tools continue to have considerable time and financial advantages over those at PIM used metal tools.

Durch die Verwendung von Kunststoffen als Binder, lassen sich Viskositäten erzielen, die eine Verarbeitung im Spritzgießprozeß ermöglichen. Dies bietet die Vorteile bei der Abformgenauigkeit, dem Ausfüllen von kleinsten Strukturen und dem maximalen erreichbaren Pulveranteil. Das Füllen kleiner Strukturen wird durch den Einsatz einer Spritzgießmaschine unterstützt, da hiermit die Kavität zuerst mit hohen Drücken gefüllt werden kann und anschließend durch den Nachdruck die Volumenschwindung ausgeglichen wird. Insbesondere mit Stereolithographiekavitäten lassen sich so höchste Genauigkeiten erzielen, da die Stereolithographie bei Verwendung von Epoxidharzen die kleinste Auflösung und die glattesten Oberflächen unter den RP-Verfahren bietet.By using plastics as binders, viscosities can be achieved that enable processing in the injection molding process. This offers the advantages of Impression accuracy, the filling of the smallest structures and the maximum achievable powder content. The filling of small structures is done by using a Injection molding machine supports, since this first fills the cavity with high pressures can be compensated for and then the volume shrinkage by the emphasis  becomes. With stereolithography cavities in particular, this enables the highest levels of accuracy achieve because stereolithography has the lowest resolution when using epoxy resins and offers the smoothest surfaces among RP processes.

Da durch den Sinterprozeß die Verdichtung von der Formgebung entkoppelt wird, können auch Pulver verwendet werden, die höhere Verarbeitungstemperaturen benötigen, (z. B. Stahl), die aber auch gleichzeitig eine höhere Festigkeit aufweisen. Dies bietet den Vorteil, daß mit dem späteren Prototypwerkzeug auch schwierig zu verarbeitende Materialien wie z. B. glasfaserverstärktes Polyamid verarbeitbar sind. Durch die Verdichtung beim Sinterprozeß wird auch keine Infiltrierung mit niedrigschmelzenden Metallen, wie beim Keltool-Verfahren z. B. mit Kupfer, notwendig, was eine weitere Schwächung des Werkzeugs bedeuten würde. Die aus dem Verdichtungsprozeß resultierende Schwindung muß bei der Konstruktion und der Herstellung des Werkzeugnegativs berücksichtigt werden, was bei der Herstellung von PIM-Bau­ teilen aber eine übliche Vorgehensweise darstellt.Since the compression is decoupled from the shape by the sintering process powders are also used that require higher processing temperatures (e.g. steel), but which also have a higher strength at the same time. This has the advantage that with the later prototype tool also difficult to process materials such. B. glass fiber reinforced polyamide can be processed. Due to the compression during the sintering process there is also no infiltration with low-melting metals, as with the Keltool process e.g. B. with copper, necessary, which would mean a further weakening of the tool. The shrinkage resulting from the compression process must be in the construction and Manufacture of the tool negative are taken into account in the manufacture of PIM construction but sharing is a common practice.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawing and is in the following described in more detail. It shows

Fig. 1 Schema des Prozeßablaufs für das PIM-Spritzgießen von Metallprototypwerkzeugen, werkzeugschalen oder -werkzeugeinsätzen. Fig. 1 Scheme of the process flow for the PIM injection molding of metal prototype tools, tool shells or tool inserts.

Grundsätzlich können zur Herstellung des Werkzeugnegativs alle Rapid Prototyping- Verfahren eingesetzt werden. Ebenfalls können zum Füllen des Werkzeugnegativs prinzipiell alle Varianten des Spritzgießens eingesetzt werden. Möglich sind zusätzlich auch Preßverfahren. Als Binder sind alle Kunststoffe (z. B. Harze, Thermoplaste, Wachse) und als Füllstoff alle sinterbaren Materialien (z. B. Metallpulver, Keramikpulver) denkbar. In principle, all rapid prototyping Procedures are used. In principle, you can also fill the tool negative all types of injection molding can be used. It is also possible Pressing process. All plastics (e.g. resins, thermoplastics, waxes) and as Filler all sinterable materials (e.g. metal powder, ceramic powder) conceivable.  

Beispiel: Herstellung des Werkzeugeinsatznegativs mittels der Stereolithographie und Fertigung des Prototypwerkzeugeinsatzes mit dem Metalpowder Iniection Moulding- ProzeßExample: Production of the tool insert negative using stereolithography and Production of the prototype tool insert with the Metalpowder Iniection Molding Process

Aus den CAD-Daten (1) des späteren Bauteils wird ein CAD-Modell des Werkzeugeinsatznegativs generiert, über das das spätere Prototypwerkzeug abgeformt werden soll. Mit diesen CAD-Daten wird ein File im STL-Format erzeugt (2) und das Werkzeugnegativ unter Berücksichtigung der für den späteren Sinterprozeß notwendigen Maßzugabe auf einer Stereolithographieanlage hergestellt (3). Das Negativ des Werkzeug­ einsatzes wird anschließend in ein Stammwerkzeug für das Spritzgießen eingesetzt (4), in einem MIM-Prozeß mit einem metallpulvergefüllten Wachs abgeformt (5) und anschließend entformt. Nach dem Debindern des Grünlings wird dieser durch einen Sintervorgang verdichtet (7). Gegebenenfalls muß eine Nachbehandlung (z. B. Oberflächenbehandlungen) zum fertigen Prototypwerkzeugeinsatz erfolgen (8). From the CAD data (1) of the later component, a CAD model of the Tool insert negatives are generated, via which the later prototype tool is molded should. With this CAD data a file in STL format is created (2) and that Tool negative taking into account those necessary for the later sintering process Dimensional allowance produced on a stereolithography system (3). The negative of the tool insert is then inserted into a master tool for injection molding (4), in a MIM process with a metal powder filled wax (5) and then demolded. After the green body has been debindered, it is sintered condensed (7). If necessary, a post-treatment (e.g. surface treatments) for the finished prototype tool insert (8).  

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Claims (3)

1. Verfahren zum Spritzgießen von Prototypwerkzeugen, nach dem Powder Injection Moulding (PIM)-Prozeß, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) ein Werkzeug für das PIM mittels Rapid Tooling-Verfahren hergestellt wird,
  • b) dieses in einem Spritzgießprozeß nach dem Powder Injection Moulding eingesetzt wird,
  • c) hierbei ein mit Pulver gefüllter Kunststoffen als Formmasse verwendet wird,
  • d) dadurch nach der Formgebung ein Grünling des späteren Werkzeugs entsteht,
  • e) dieses anschließend debindert und
  • f) abschließend in einem Sintervorgang verdichtet wird.
1. A method for injection molding prototype tools, according to the Powder Injection Molding (PIM) process, characterized in that
  • a) a tool for the PIM is produced using the rapid tooling process,
  • b) this is used in an injection molding process after powder injection molding,
  • c) a powder-filled plastic is used as the molding compound,
  • d) this creates a green body of the later tool after shaping,
  • e) this then debinds and
  • f) is finally compacted in a sintering process.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abformung des Prototypwerkzeugs mit dem Spritzprägeverfahren, dem Spritzpressen oder einem Preßverfahren erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the impression of the prototype tool with the Injection stamping, injection molding or a pressing process. 3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Werkzeugeinsätze oder Werkzeugschalen für das Rapid Tooling gefertigt werden, die anschließend mit geeigneten Werkstoffen hinterfüttert werden.3. The method according to claims 1 or 2, characterized in that tool inserts or tool shells for the Rapid Tooling are manufactured, which are then made with suitable materials be back-fed.
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