DE19926322A1

DE19926322A1 - Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE19926322A1
Application number: DE19926322A
Authority: DE
Inventors: Detlef Kochan; Peter Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2000-12-14

Abstract

Die Erfindung betrifft Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze zu schaffen, die gleichmäßig kühlbar sind, bei denen keine Leckverluste an Kühlflüssigkeit auftreten und die Herstellung dieser Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze soll dabei schneller und kostengünstiger erfolgen als mit bisher üblichen Verfahren. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist dabei die innere Wand des Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes 1 analog der Kontur der Gravur/Kavität ausgeformt. Bei nur teilweiser Hinterformung folgen die Kühlkanäle 2 ebenfalls in konturparallelem Abstand der Kontur der inneren Wand des Werkzeuges bzw. des Werkzeugeinsatzes. Das Werkzeug bzw. der Werkzeugeinsatz ist vollständig geschlossen ausgeformt und bilden einen kompakten Werkzeug- bzw. Werkzeugeinsatzblock. In ihm sind mindestens eine Kühlmitteleintrittsöffnung und mindestens eine Kühlmittelaustrittsöffnung angeordnet. Er wird hergestellt, indem das Ur-, Fertigungs- und Kernmodell mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens oder mittels Hochgeschwindigkeitsfräsen HSC so gefertigt wird, daß die Gießkerne der Kavität des Werkzeuges angepaßt sind. Der eigentliche Guß erfolgt mittels Coldbox, V-Prozeß oder Feinguß. Der Kernsand der Gießformen wird anschließend wieder vollständig entfernt. Vorzugsweise erfolgt noch eine Feinschlichtbearbeitung und/oder ein Polieren der Kavität ...

Description

Die Erfindung betrifft Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik, z. B. Spritzgießwerkzeuge und Blasformwerkzeuge sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik werden vorwiegend aus Vollmaterial hergestellt. Bevorzugte Werkstoffe sind Stahl und Aluminium. Für geometrisch komplizierte Objekte, insbesondere solche mit Freiformflächen, ist ein hoher Bearbeitungsaufwand in der Regel mit spanabhebender bzw. senkerodierender Bearbeitung erforderlich. Kühlkanäle, die durch nachträgliches Bohren eingebracht werden, sind so nah wie möglich an der Werkzeuginnenkontur (Gravur, Kavität) angeordnet, um dort einen maximalen Kühleffekt zu erzielen.

Es gibt verschiedene Erfindungen mit dem Ziel, die Kühlung darüber hinaus zu verbessern. Derartige Patente gehen nach wie vor von Kühlkanälen - wenn auch verbesserten - aus und betreffen immer nur ein spezielles Verfahren (z. B. Spritzguß). Solche Lösungen sind aus den Schriften DE 42 34 961, DE 44 44 796 und DE 195 21 733 bekannt. Zur Herstellung von Werkzeugen bzw. Werkzeugeinsätzen aus Blockmaterial ist ein hoher Bearbeitungsaufwand (Zeit und Kosten) für das Schruppen, Schlichten, eventuell notwendiges Senkerodieren und das Einbringen von Kühlkanälen kennzeichnend.

Es ist keine optimale, gleichmäßige Kühlung der Werkzeuggravuren möglich, da sich die Kühlkanäle, die aufgrund ihrer Herstellung durch Bohren grundsätzlich linear verlaufen, der Gravur nur sehr grob und ungleichmäßig annähern. Insbesondere für geometrisch komplizierte Objekte mit Freiformflächen kann durch die unvollständige Annäherung an die Kavitäten keine gleichmäßige Kühlung erreicht werden. Je nach der Materialdicke zwischen Gravur und Kühlkanal unterscheiden sich die Werkzeugtemperaturen im Gravurbereich; es bilden sich thermische Zentren (Bereiche mit besonders hoher Temperatur).

Daraus resultieren:

- lange Zykluszeiten.
- geringe Werkzeugstandzeit,
- Verzug des Werkzeugs bzw. Werkzeugeinsatzes,
- Spannungen und Verzug im Werkstück (Guß- bzw. Kunststoffteil)
- Einfallstellen und Porositäten.

Für größere Werkzeuge oder Werkzeugeinsätze wird das Problem der punktgenauen Kühlung noch problematischer. Zudem können durch den Verzug des Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes Dichtigkeitsprobleme im Dauerbetrieb auftreten, da in der Regel auch größere Drücke zum Einsatz gebracht werden. Leckverluste an Kühlflüssigkeit können Störungen im direkten Fertigungsprozeß (Spritzgießen bzw. Druckgießen) verursachen.

Der Erfindung liegt der Aufgabe zugrunde, Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze zu schaffen, die derart gestaltet sind, daß über das gesamte Werkzeug bzw. den gesamten Werkzeugeinsatz vorzugsweise eine gleichmäßige und genau steuerbare Kühlung möglich ist, Leckverluste an Kühlflüssigkeit zuverlässig vermieden werden können und die Herstellung dieser Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze soll dabei schneller und kostengünstiger erfolgen als mit bisher üblichen Verfahren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der ersten beiden Patentansprüche gelöst. Dabei ist, wie an sich bekannt, die innere Wand des Werkzeuges bzw. des Werkzeugeinsatzes analog der Kontur der Gravur/Kavität ausgeformt. Das bedeutet, daß die innere Wand ein Konturnegativ des herzustellenden Erzeugnisses darstellt und in konturparalellem Abstand mit definierter Wandstärke ganz oder teilweise hinterformt ausgebildet ist. Bei nur teilweiser Hinterformung folgen die Kühlkanäle ebenfalls in konturparalellem Abstand der Kontur der inneren Wand des Werkzeuges bzw. des Werkzeugeinsatzes. Vorzugsweise sind dabei ein oder mehrere Kühlkanäle in konturparalellem Abstand analog der Kontur der Gravur/Kavität mäanderförmig im Werkzeug bzw. Werkzeugeinsatz angeordnet.

Das Werkzeug bzw. der Werkzeugeinsatz ist vollständig geschlossen ausgeformt und bildet einen kompakten Werkzeug- bzw. Werkzeugeinsatzblock. Im vollständig geschlossenen Werkzeug bzw. Werkzeugeinsatz sind mindestens eine Kühlmitteleintrittsöffnung und mindestens eine Kühlmittelaustrittsöffnung angeordnet. Dieser kompakte Werkzeug- bzw. Werkzeugeinsatzblock wird hergestellt, indem das Ur-, Fertigungs- und Kernmodell mittels eines Rapid-Prototyping- Verfahrens oder mittels Hochgeschwindigkeitsfräsen HSC so gefertigt wird, daß die Gießkerne der Kavität des Werkzeuges angepaßt sind. Der eigentliche Guß erfolgt mittels Coldbox, V-Prozeß oder Feinguß. Der Kernsand der Gießformen wird anschließend wieder vollständig aus dem geschlossenen Werkzeug bzw. Werkzeugeinsatz entfernt. Vorzugsweise erfolgt noch eine Feinschlichtbearbeitung und/oder ein Polieren der Kavität des gegossenen und geschlossenen Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes.

Als Ergebnis der Erfindung entsteht ein Werkzeug bzw. Werkzeugeinsatz mit einem konturbezogenen Kühlsystem mit den Vorteilen einer wesentlichen Verkürzung der Zykluszeiten und der damit verbundenen bedeutenden Steigerung der Produktivität. Da im Werkzeug bzw. Werkzeugeinsatz keine ungleichmäßige Wärmeausdehnung mehr entstehen kann, wird die Qualität des zu fertigenden Produktes verbessert und es treten keine Dichtigkeitsprobleme mehr auf. Im Produkt selbst, dem Spritzling, Druckguß- oder Kokillengußteil werden durch die gleichmäßige Temperaturführung und gleichmäßige Abkühlung die Spannungen und der Wärmeverzug durch Temperaturdifferenzen innerhalb des Produktes zuverlässig vermieden. Die Zeit, in dem das Werkzeug bzw. der Werkzeugeinsatz thermisch belastet wird, verringert sich und die Standzeit des Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes erhöht sich. Weitere Einsparungen ergeben sich aus dem Wegfall der spanenden Bearbeitung für die Werkzeugherstellung. Mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug bzw. Werkzeugeinsatz und dem zugehörigen Herstellungsverfahren ist erstmals ein konsequenter Leichtbau realisierbar.

Vorteilhafterweise sind im ganz oder teilweise hinterformten Bereich Formelemente angeordnet, wobei die Formelemente als Verstärkungselemente und/oder Kühlmittelsteuerungselemente und/oder Kühlelemente ausgebildet sein können. Dadurch wird ein gezielter Durchfluß des Kühlmittels ermöglicht. Indem die Formelemente mit einer Außenwandung des Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes verbunden sind, wird es möglich mehrere Kühlkammern auszubilden, die unterschiedlich von Kühlmedien durchströmt werden können. Eine beliebige Anzahl von Kühlmittelanschlüssen lassen sich realisieren, wenn in den anderen Wänden ebenfalls Kühlmittelanschlußbohrungen angeordnet sind. Im Gegensatz zu einer Großraumkühlung mit teilweise in den Eckbereichen und Winkeln stehenden Kühlmitteln wird durch die erfindungsgemäße Lösung eine gleichmäßigere Temperaturführung vor allen in den kritischen Bereichen erreicht.

Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der Fig. 1 und 2 näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes teilweise hinterformtes Werkzeug zur Fertigung einer Halbschale für eine Fahrzeugarmatur.

Fig. 2 zeigt die Modellierung eines erfindungsgemäßen Kühlkanals einschließlich der erforderlichen Stützfüße.

Ausgehend von 3D-CAD-Daten eines Werkzeuges für das Spritzgießen wird in das Innere des Werkzeuggrundkörpers 1 der Kühlkanal 2 der äußeren Form folgend konstruiert und ebenfalls als 3D-CAD-Datenmodell erzeugt. Sowohl der Kühlkanal 2, als Kern für den Gießprozeß ausgebildet, als auch die innere Wand des Werkzeuges werden ausgehend von den 3D-CAD- Daten mittels einem Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt. Für derartig kompakte Modelle ist das LOM (Laminated Object Manufakturing)-Verfahren besonders geeignet. Bei höheren Genauigkeitsanforderungen kann zur Modell- und Kernkastenherstellung auch die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung genutzt werden. So werden zum Beispiel auch Modelle aus Epoxidharzformmassen mit diesen Verfahren hergestellt.

Auf den gesamten Werkzeuggrundkörper 1 wird für den nachfolgenden Gießprozeß das notwendige Bearbeitungsaufmaß (1 bis 3 mm in Abhängigkeit von der Teilegröße) als sogenannte Offset-Fläche ebenfalls datentechnisch modelliert und bei der Herstellung des Sandgußmodells berücksichtigt. Im Ausführungsbeispiel, unter Beachtung der Form des speziell zu fertigenden Teils, ist der Kühlkanal 2 mäanderförmig in konturparallelem Abstand mit definierter Wandstärke im Inneren des Werkzeuggrundkörpers 1 angeordnet. Bei vorliegender Dimensionierung des mäanderförmigen Kühlkanals 2 müssen zur Stabilisierung für den Grießprozeß spezielle Stützfüße 3 vorgesehen werden. Gleichzeitig dienen die beiden außen an den Enden des Kühlkanals 2 liegenden Stützfüße 3 vorzugsweise als Kühlmitteleintritts- bzw. Kühlmittelaustrittsöffnungen. Aber es können auch andere Kühlmittelöffnungen eingebracht werden.

Das Modell des Werkzeuges wird in Sand abgeformt, der Kern unter Beachtung der Kernmarken eingeordnet und die gesamte Form mit einem geeigneten hochlegierten Werkzeugstahl ausgegossen. Bei der Abformung des Modells und insbesondere für die Abformung des innenliegenden Kerns erfolgt die Bindung des Sandes für die Gußform mittels wasserlöslicher, biologisch und umweltverträglicher Bindemittel. Dadurch ist ein schnelles Entfernen des Kernsandes gewährleistet. Anschließend wird der Kern vorzugsweise durch Auswaschen oder Ausblasen wieder entfernt. Anschließend erfolgt eine Feinschlichtbearbeitung und zusätzlich ein Polieren der Kavität des nunmehr gegossenen und geschlossenen Werkzeuges. Sollen die Standzeiten des Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes verbessert werden, ist es sinnvoll die Oberfläche oder auch das Werkzeug bzw. den Werkzeugeinsatz insgesamt durch geeignete Vergütungsverfahren zu vergüten.

Insbesondere durch die Hauptformgebung der Werkzeugkonturen mittels eines Genau- Gießverfahrens wird die Materialökonomie verbessert und es erfolgt eine gravierende Reduzierung der spanenden Bearbeitung des Werkzeuggrundkörpers 1, da die gesamte Vorbearbeitung durch Schrupp-Fräsen der Formkonturen wegfällt.

Die Erfindung ist anwendbar in der Kunststoff- und Gießwerktechnik, z. B. für Spritzgieß- Blasform- und Druckgießwerkzeuge und andere abformende Fertigungsverfahren, bei denen die Erwärmung und Kühlung des zu verarbeitenden Materials in schnellem Wechsel beherrscht werden muß.

Claims

1. Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik, dadurch gekennzeichnet, daß wie an sich bekannt, die innere Wand des Werkzeuges bzw. des Werkzeugeinsatzes (1) analog der Kontur der Gravur/Kavität, die das Konturnegativ des herzustellenden Erzeugnisses darstellt, in konturparalellem Abstand mit definierter Wandstärke ganz oder teilweise hinterformt ist, daß das Werkzeug bzw. der Werkzeugeinsatz vollständig geschlossen ist, daß im geschlossenen Werkzeug bzw. Werkzeugeinsatz mindestens eine Kühlmitteleintrittsöffnung und mindestens eine Kühlmittelaustrittsöffnung angeordnet ist.

2. Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen bzw. Werkzeugeinsätzen für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik dadurch gekennzeichnet, daß Ur-, Fertigungs- und Kernmodelle der Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze (1) mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens oder mittels Hochgeschwindigkeitsfräsen HSC so gefertigt werden, daß die Gießkerne der Kavität des Werkzeuges angepaßt sind, der Guß mittels Coldbox, V-Prozeß oder Feinguß erfolgt und der Kernsand der Gießformen wieder aus dem vollständig geschlossenen Werkzeug bzw. Werkzeugeinsatz entfernt wird und vorzugsweise eine Feinschlichtbearbeitung und/oder Polieren der Kavität des gegossenen und geschlossenen Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes erfolgt.

3. Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Kühlkanäle in konturparalellem Abstand analog der Kontur der Gravur/Kavität mäanderförmig im Werkzeug bzw. Werkzeugeinsatz angeordnet sind.

4. Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ganz oder teilweise hinterformten Bereich Formelemente angeordnet sind.

5. Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formelemente als Verstärkungselemente und/oder Kühlmittelsteuerungselemente und/oder Kühlelemente ausgebildet sind.

6. Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formelemente mit einer Außenwandung des Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes verbunden sind.

7. Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den anderen Wänden Kühlmittelanschlußbohrungen angeordnet sind.