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Formwerkzeuge mit Formschalen aus Metall sowie
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Verfahren zur Herstellung solcher Formwerkzeuge Die Erfindung bezieht
sich auf Formwerkzeuge mit Formschalen aus Metall sowie auf ein Verfahren zur Herstellung
solcher Formwerkzeuge.
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Durch die SW-PS 222 276 ist es bereits bekannt, zum Formpressen von
Blech Formwerkzeuge zu gebrauchen, die im wesentlichen aus Kunststoff bestehen und
eine Pressfläche besitzen, die mit einer Schale aus zur Form der Pressfläche gepresstem
Blech bekleidet ist. Durch Unterstützung der Blechschale mittels eines Stützkörpers
aus Kunststoff will man in dieser Weise Blech pressen können, das dicker ist als
die Blechschale selbst. Gemäss dieser Patentschrift wurde es für notwendig befunden,
zwischen der Blechschale und dem Kunststoffkörper ein wärmeleitendes Metallbett
zu gebrauchen, welches durch Metalllsierung der Rückseite der Schale aufgetragen
wird und zusammen mit der Formschale eine Verbundschale grösserer Dicke als das
zu pressende Blech bildet sowie eine für die erforderliche Wärmeaufnahme und -ableitung
ausreichende Menge Metall enthält.
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Die Schwierigkeit dieses Verfahrens liegt in der Ausbildung der Blechschale
und der Empfindlichkeit der dünnen Blechschale sowie deren Neigung, während des
Metallisierens und des Verbindens mit dem Kunststoffkörper deformiert zu werden.
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Ferner ist es durch die US-PS 3 631 745 bekannt, durch sog.
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Flammspritzen (Flammspritzen ist bekanntlich ein Verfahren zum Schmelzen
eines metallischen oder keramischen Zusatzstoffes, üblicherweise in der Form von
Draht oder Pulver, in einer Wärmequelle, bei dem der Werkstoff in der Form von feinen
Tröpfchen auf eine Fläche zur Bildung einer Schicht gespritzt wird) ein Formpresswerkzeug
(Formwerkzeug) auf einer Matrize herzustellen, die durch Abgiessen eines Werkzeugmodells
aus Holz oder Gips hergestellt
wird. Nach Abnahme der Matrize (des
Abgusses) vom Modell wird die Matrize erhitzt, wonach auf sie das das künftige Werkzeug
bildende Metall durch Flammspritzen aufgetragen wird, während die Matrizentemperatur
bei derselben Temperatur wie das Metall gehalten wird. Die Matrize mit dem aufgespritzten
Metall wird dann in einem vorgewärmten Ofen zum langsamen Kühlen angebracht. Das
Matrizenmaterial und das Formwerkzeugmaterial (ein der Matrize aufgetragener Körper
aus Titan) sollen gemäss diesem bekannten Verfahren verschiedene Kontraktionsgeschwindigkeiten
aufweisen, damit sich die Oberfläche des Formwerkzeugmaterials von der beim Kühlen
berstenden Matrize lösen kann. Durch diese Trennung erhält man eine Metallform,
deren Hohlraum mit einem Materialgemisch gefüllt wird, das nach Kühlen und Härten
der Metallrc-l-m die erforderliche Festigkeit verleihen soll.
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Dieses auf Spezialwerkzeuge aus Titan gerichtete Verfahren verlangt
mehrere Formfertigungsvorgänge, ein Vorwärmen im Ofen und ein Kühlen, und würde
man mit diesem Verfahren eine grosse, jedoch dünne Metallform herstellen, so würde
sie nach der Trennung von der Matrize und vor dem Erstarren der Füllung deformiert
werden können.
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Gemäss einem anderen, durch die US-PS 2 250 246 bekannten Verfahren
wird eine Matrize eines Modells durch Aufspritzen von Metall auf das Modell hergestellt.
Das Material des Modells soll aus einer Legierung bestehen, die bei Umwandlung von
fester zu flüssiger Form nicht ihr Volumen steigert und einen höheren Schmelzpunkt
und Erweichungspunkt als das zum Spritzen benutzte Metall hat. Durch Aufspritzen
des Metalls auf das Modell, was bei einem im wesentlichen starren Zustand des Modells
erfolgt, wird auf dem Modell ein im wesentlichen selbsttragender, zusammenhängender
Metallbelag hergestellt. Dann wird das Modell zumindest oberflächlich geschmolzen,
um die Trennung des Metallbelags vom Modell als eine intakte Formschale zu ermöglichen.
Dieser Verlauf kann durch eines der oben beschriebenen Verfahren ergänzt werden,
und alle drei Verfahren sind somit mit dem Nachteil behaftet, dass sie eine dünne,
empfindliche Metallformschale herstellen, die zu Deformation geneigt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, -verhältnismässig
billige,
jedoch genau geformte, verschleissfeste Formwerkzeuge für verschiedene Formarbeitsaufgaben
zu bieten, z.B.
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Pressen von Blech oder Formen und Formpressen von anderem formbarem
Material. Ferner soll die Erfindung durch Weiterentwicklung der bekannten Verfahren
und bei Beseitigung von deren Nachteilen eine wirtschaftliche Herstellung von Metallformschalen
und deren Unterstützung durch Stützmaterial ohne Gefahr einer Deformierung der Formschale
zur Herstellung von Formwerkzeugen gemäss der Erfindung ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Formschale
aus zumindest zwei verschiedenen Metallen besteht, die je eine von zwei Schichten
bilden, von denen zumindest die eine Schicht durch Wärmespritzen (Flammspritzen,
Plasmaspritzen oder Metallzerstäubung durch Ionenbeschuss) und/oder durch Metallverdampfung
im Vakuum hergestellt ist, und dass das eine dieser Metalle die Eigenschaft hat,
dass es verhältnismässig geschmeidig ist, während das andere Metall die Eigenschaft
hat, dass es an das erstgenannte Metall gebunden wird und dieses verstärkt, so dass
die Metalle mechanisch im wesentlichen untrennbar sind.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung dieser Formwerkzeuge,
und dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Formschale aus Metallen
in zwei verschiedenen Schichten hergestellt wird, von welchen Schichten die innerste
Schicht auf dem Modellkörper geformt ist und die vom Modellkörper geformte Oberfläche
der Formschale aufweist, und von welchen Schichten zumindest die eine durch Wärmespritzen
(Flammspritzen, Plasmaspritzen oder Metallzerstäubung durch Ionenbeschuss) und/
oder durch Metailverdampfung im Vakuum geformt wird, dass die beiden Schichten aus
zwei verschiedenen Metallen hergestellt werden, welche derart gewählt werden, dass
das eine Metall ein verhältnismässig geschmeidiges, leich#t formbares Metall und
das andere ein Metall ist, das die Eigenschaft hat, dass es an das erstgenannte
Metall gebunden wird und dieses verstärkt, so dass die Metalle durch das Auftragverfahren
derart miteinander verbunden werden, dass sie mechanisch im wesentlichen untrennbar
sind, und dass bei auf dem Modell verbleibender Schale die Rückseite,
d.h.
die Aussenseite der Schale, durch das genannte Metallauftragverfahren geformt wird,
so dass Ungleichmässigkeiten in der Oberfläche, wie Poren und/oder Vorsprünge gebildet
werden, und dann in an sich bekannter Weise mit dem genannten Stützkörper verbunden
wird.
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Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 eine gemäss der Erfindung an einem Modell hergestellte,
teilbare Form, bestehend aus zwei Metallschalen mit für diese vorgesehenen Stützmaterialkörpern,
und Fig. 2 und 3 fragmentarische Querschnitte der einen Metallschalenhälfte in Fig.
1 zur Veranschaulichung einiger möglicher Beispiele der Formschalenherstellung.
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Die in Fig. 1 gezeigte Form ist zur Verwendung als Formpresswerkzeug
zum Pressen von Blech zu einer Scheinwerfer-Reflektorhaube bestimmt, aber dieser
Gegenstand ist nur als ein die Erfindung erläuterndes Beispiel gewählt worden, und
es leuchtet ein, dass gemäss der Erfindung Formwerkzeuge nicht nur für die Blechindustrie,
sondern für viele andere Verwendungsbereiche hergestellt werden können, beispielsweise
für die Kunststoffindustrie.
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Als Modell für die in Fig. 1 gezeigte Blechpressform zur Herstellung
von Scheinwerfer-Reflektoren kann ein Modell des Scheinwerfer-Reflektors oder, wie
in der folgenden Beschreibung zur Erläuterung eines wichtigen Aspekts der Erfindung
angenommen ist, ein vorgefertigter Reflektor 1 aus Blech, d.h. ein Originalteil,
verwendet werden.
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Erfindungsgemäss ist auf diesem Originalteil aus Blech als Modell
eine zweiteilige Form hergestellt, bestehend aus einer Patrize 2 und einer Matrize
3, die beide aus einer Formschale 4 bzw. 5 aus Metall und einem Stützkörper 6 bzw.
7 bestehen, der mit der Rückseite der jeweiligen Formschale verbunden ist und aus
anderem Material als dem Formschalenmaterial besteht.
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Gemäss der Erfindung wird die Metallformschale nach dem eingangs
erwähnten, bekannten Verfahren hergestellt, welches als Wärmespritzen bezeichnet
wird, und Patrize und Matrize werden in derselben Weise, vorzugsweise auf einem
und demselben Modell, hergestellt.
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Die Herstellung der Formschalen der beiden Formhälften wird vorzugsweise
derart vorgenommen, dass zunächst die eine Schalenhälfte auf dem Modell 1 geformt
wird. Danach, oder alternativ nach dem Formen der anderen Schalenhälfte auf demselben
Modell, und während die Schalenhälften noch auf dem Modell sitzen, werden die Stützkörper
auf den Schalenhälften geformt.
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Zur Herstellung der einen Schalenhälfte wird der einen Seite des
gut gereinigten Blechmodells 1 zunächst eine dünne Deckschicht 8 eines Materials
aufgetragen, welches die folgenden Eigenschaften besitzen muss: a) das Material
muss imstande sein, in einer dünnen Schicht einen einwandfrei deckenden Belag zu
bilden, dessen Anliegefläche gegen die Modellfläche dieser genau folgen soll und
dessen entgegengesetzte Seite annähernd denselben Umriss haben soll; b) das Material
darf nicht die Modellfläche angreifen und auch nicht von dieser angegriffen werden
und soll bei dem verwendeten Auftragverfahren lösbar mit der Modellfläche durch
Verbindungskräfte verbindbar sein, welche die Deckschicht 8 an der Modellfläche
festhalten, ohne dass diese Schicht beim nachfolgenden Auftragen von Metall durch
Wärmespritzen gemäss dem oben beschriebenen Verfahren und mittels bekannter Ausrüstungen
an irgendeinem Punkt von der Oberfläche abgeschält wird; c) das Material soll die
Bildung einer zusammenhängenden Metallschicht auf der Deckschicht 8 durch Wärmespritzen
gewährleisten; d) das Material soll die Trennung der Form (Formschale mit Stützkörper)
vom Modell mit völlig intakter Metallschale durch ein einfaches Trennverfahren gewährleisten;
e) das Material soll das Auftragen von Metall gemäss den Punkten b) und c) ermöglichen,
ohne dass die aufgespritzten
Metallteilchen durch die Deckschicht
8 zur Modellfläche hindurchdringen, wobei das Material 1) entweder eine versäulbare
Dicke und eine ebene, formumrissgetreue Aussenseite aufweisen soll, die das Eindringen
von gespritzten Metallteilchen verhindert und ein Trennen von der Metallschale gestattet,
oder 2) eine Verbindung mit dem gespritzten Metall und vorzugsweise das Eindringen
der gespritzten Metallteilchen zu einer gewissen Tiefe gestatten soll, jedoch ohne
dass die Metallteilchen bis zur Modellfläche vordringt und mit dieser verschweisst
werden, wobei das Deckschichtmaterial in diesem Falle einen Teil der eigentlichen
Formschale bilden und von der Modellfläche trennbar sein soll.
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Der Deckschicht 8 wird Metall durch Wärmespritzen in einer oder mehreren
Schichten zur Herstellung einer Metallschale 9 aufgetragen. Das aufgespritzte Metall
soll die folgenden Eigenschaften besitzen: f) das Metall soll imstande sein, entweder
eine von einer gemäss Punkt el hergestellten Deckschicht 8 leicht trennbare Metallschale
zu bilden oder zusammen mit der gemäss Punkt e2 hergestellten Deckschicht 8 eine
Metallschale zu bilden, wobei die Metallschale in beiden Fällen eine dem Umriss
des Modells folgende Innenseite besitze#n soll; g) das Metall soll bei dem benutzten
Auftragverfahren (Wärmespritzen) eine rauhe oder porige Rückseite bilden, um die
feste Verbindung mit einem einen Stützkörper bildenden Material zu erleichtern;
h) das Metall soll in der gewählten Dicke eine stabile Schale mit für die Arbeitsaufgabe
des betreffenden Formwerkzeugs ausreichenden Festigkeitseigenschaften bilden, und
falls an diese Eigenschaften grosse Anforderungen gestellt werden, kann es vorteilhaft
oder notwendig sein, die Metallformschale als eine aus mehreren Metallen oder Metallegierungen
bestehende Verbundschale herzustellen, beispielsweise mit einer verschleissfesten
Oberflächenschicht 9' und einer harten, starken Hauptschicht 9", in welchem Falle
die Metalle bei dem gewählten Auftragverfahren einen stabilen Verband miteinander
bilden sollen.
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Die in dieser Weise hergestellte Metallschale wird dann stabilisiert,
indem ihre Rückseite durch ein einen Stützkörper bildendes Material, beispielsweise
7, unterstützt wird. Dieses
Material soll die folgenden Eigenschaften
aufweisen: i) das Stützkörpermaterial soll in einem einfachen Arbeitsvorgang zu
einem festen Verband mit der Metallschale 9 auf deren Rückseite geformt und gebunden
werden können; j) das Stützkörpermaterial soll verhindern, dass die Formschale durch
die bei Verwendung des Formwerkzeugs auftretenden Arbeitskräfte deformiert wird,
und darf nicht selbst die Formschale beim Härten des Stützkörpermaterials oder durch
die vorkommenden Arbeitstemperaturen deformieren; k) das Stützkörpermaterial muss
selbstverständlich selbst den Druckkräften widerstehen können, denen es ausgesetzt
wird; 1) falls die Metallschale während der Arbeit stark erhitzt wird, muss das
Stützkörpermaterial ausserdem wärmeleitend sein oder ein wärmeableitendes Mittel
enthalten.
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Zweifellos gibt es viele Materialkombinationen, die in Abhängigkeit
von dem für das hergestellte Formwerkzeug#beabsichtigten Verwendungsbereich und
in Abhängigkeit vom Modellmaterial und dem Modellumriss den oben unter den Punkten
a-l beschriebenen Anforderungen in hinreichendem Ausmass genügen, und die im folgenden
beschriebenen Materialwahlen und Ausführungsformen sind deshalb nur als bevorzugte
Beispiele der Erfindung bei Anwendung auf die Herstellung von Werkzeugformen für
anspruchsvolle Arbeitsaufgaben zu betrachten, wie das Formpressen von Metall, beispielsweise
Blech zum Pressen von Kraftwagenaufbauteilen oder anderen Kraftwageneinzelteilen,
wo an die Werkzeugausrüstung grosse Anfordemngen gestellt werden, oder z.B. das
Formpressen von Kunststoff unter hohem Druck.
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In dem angenommenen Ausführungsbeispiel, bei dem als Modell ein Originalteil
aus Blech benutzt wird, wird vorzugsweise auch die erste Deckschicht oder Trennschicht
8 durch Wärmespritzen von Metall hergestellt. Dieses Metall soll weich sein und
einen verhältnismässig niedrigen Schmelzpunkt haben, wie beispielsweise Zinn, Blei
und Zink, von denen Blei jedoch weitmöglichst zu vermeiden ist, da dieses Metall
beim Wärmespritzen die Luft verunreinigt und im Verhältnis zu Zinn keine nennenswerten
Vorteile
bietet. Von den beiden übrigen Metallen, Zinn und Zink,
erfüllt keines in völlig befriedigender Weise einige der unter Punkt a-e genannten
Bedingungen. Zinn ermöglicht zwar die Herstellung einer dünnen, umrissgetreuen Schicht
mit dichter, ebener Oberflächenstruktur, aber reines Zinn neigt dazu, infolge der
während des Schichtaufbaus und des darauffolgenden Spritzens zur Herstellung der
Formschale 9 aus härteren Metallen auftretenden Wärmespannungen von der Unterlage
abzublättern und diese härteren Metallteilchen hindurchzulassen, so dass sie an
das Blechmodell 1 herangelangen und damit verschweisst werden. Ausserdem können
in der Arbeitsfläche der Formschale Grübchen entstehen, indem Teilchen härteren
Metalls bis an die Modellfläche herandringen, und dies erhöht die Neigung der Zinnschicht,
während des Spritzens zu zerreissen. Anderseits lässt eine dünne Zinkschicht nicht
so leicht wie eine dünne Zinnschicht die auf sie gesprühten Teilchen härteren Metalls
hindurch, sondern fängt sie auf und wird mit ihnen verschweisst. Es ist jedoch schwierig,
durch Wärmespritzen von Zink eine befriedigende, gleichmässige Oberfläche herzustellen,
die nicht mit einer Blechfläche verschweisst wird und dadurch die Trennung erschwert
oder bei der Trennung beschädigt wird.
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Es hat sich nun gezeigt, dass ein zweckdienliches Gemisch von Zink
und Zinn ein ausgezeichnetes Material für die Herstellung einer gut deckenden, verhältnismässig
leicht trennbaren Schicht 8 ist, die nicht von Teilchen eines vorsichtig auf sie
gespritzten, härteren Metalls durchbrochen wird und somit verhindert, dass das letztgenannte
Metall mit der Modellfläche verschweisst wird. In einer Zinn/Zinkschicht scheint
somit das Zink die härteren Metallteilchen aufzufangen und an sie gebunden zu werden,
während das Zinn zur Bildung einer gleichmässigen, umrissgetreuen Oberfläche beiträgt,
und die Gesamtwirkung ist, dass die zunächst aufgespritzten, härteren Metallteilchen
in die Zinn/Zinkschicht eindringen, ohne diese völlig zu durchbrechen, wodurch zwischen
den beiden Schichten ein guter Verband zustandegebracht wird, gleichzeitig wie praktisch
bis an die Modellfläche heran eine gute Metallhärte erzielbar ist. Die Menge Zinn
des Zinn/Zinkgemisches soll grösser sein als die Menge Zink, vorzugsweise mindestens
doppelt so gross, und in einem bevorzugten Gemisch wird eine
viermal
so grosse Menge Zinn als Zink benutzt, d.h. etwa 80% Zinn und etwa 20% Zink.
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Das Zinn/Zinkgemisch in Form eines Pulvers oder Drahtes wird durch
Wärmespritzen aufgetragen, beispielsweise unter Verwendung einer Pulver- oder Drahtpistole
des Fabrikats #4ETCO@.
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Das Spritzen kann direkt auf das Metallmodell 1 zur Herstellung einer
möglichst dünnen Trennschicht 8 vorgenommen werden, ohne dass diese Schicht durch
später aufgespritzte Teilchen härteren Metalls durchbrochen wird. Die Schicht braucht
üblicherweise nicht stärker als 0,2 mm zu sein, kann aber wesentlich dünner sein,
beispielsweise 0,1 mm oder noch dünner. Beim Spritzen ist grosse Vorsicht mit der
Temperatur geboten. Man kann beispielsweise das Metallmodell während des Spritzens
kühlen oder das Metall mehrere Male auftragen, wobei vor jedem neuen Auftragen das
Metallmodell und das aufgespritzte Metall gekühlt werden.
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Wird das Metall in irgendeinem Punkt zu heiss, so neigt die Zinn/Zinkschicht
dazu, sich von der Unterlage zu lösen. Aus demselben Grunde ist auch bei dem darauffolgenden
Spritzen eines anderen Metalls auf die Zinn/Zinkschicht 8 äusserst vorsichtig vorzugehen.
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Auf der Zinn/Zinkschicht 8 wird dann die Metallschale hergestellt,
die die eigentliche Formschale bilden soll (mit der die dünne Zinn/Zinkschicht einverleibt
wird).
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Um eine Formschale mit einer Formoberfläche grosser Verschleissfestigkeit
zustandezubringen, wird auf die Zinn/Zinkschicht 8 zunächst ein Metall gespritzt,
das sich durch diese Eigenschaft auszeichnet. In dem hier beschriebenen Falle wird
deshalb direkt auf die Zinn/Zinkschicht 8 Molybdän zu einer Schicht 9' zweckdienlicher
Dicke, beispielsweise 0,1-0,2 mm, gespritzt. Durch Wärmespritzen ist es möglich,
eine Molybdänschicht herzustellen, die an dem darunterliegenden Metall, insbesondere
dem Zinkmetall, haftet und eine gesamte Schichthärte von etwa 37 Rc bekommt.
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In Fig. 2 ist durch Punkte da#s Eindringen von Molybdänteilchen in
die Zinn/Zinkschicht und durch kleine Striche das Eindringen von Zinn- und Zinkteilchen
(die grösstenteils aus Zinn bestehen) in die Molybdänschicht schematisch veranschaulicht,
wobei
angenommen ist, dass in einer Grenzschicht eine Mischzone entsteht.
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Auf diese Verschleissschicht 9' wird dann eine Metalllegierung hoher
Festigkeit gespritzt, beispielsweise Chromstahl, das etwa 0,35% C, etwa 0,35 Mn,
etwa 0,5% Ni und etwa 13% Cr enthält. Diese Legierung, welche niedrigschrumpfend
ist und hohe Festigkeit sowie hervorragende Spritzeigenschaften besitzt (dichte,
annähernd porenfreie Schichten), wird zu einer Schicht 9" der erwünschten Dicke
gespritzt, in dem hier beschriebenen Falle beispielsweise zu einer Dicke von bis
zu 0,5 mm oder mehr.
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Das Metall haftet vorzüglich an dem darunterliegenden Metall, in diesem
Falle Molybdän, und gibt eine Schichthärte von etwa 300 Brinell.
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Wie die Zinn/Zinkschicht 8 werden auch die Molybdänschicht 9' und
die Chromstahlschicht 9" sukzessiv und vorsichtig durch mehrmaliges Auftragen von
Metall aufgebaut, um eine Trennung zu verhindern.
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In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel bildet somit die Formschale
eine Verbundmetallschale, bestehend aus einer Trennschicht 8, einer Verschleissschicht
9' und einer Stärkeschicht 9" mit einer Auftragdicke von etwa 0,1, 0,15 bzw. 0,6
mm, wobei jedoch die nach dem Auftragen der Schicht 9' verbleibende, reine Zinn/Zinkschicht
eine äusserst geringe Dicke haben kann ("Schmierschicht).
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Diese Verbundschicht lässt sich zwar als intakte Formschale vom Modell
1 abtrennen und kann danach mit einem Stützmaterial verbunden werden, aber falls
die Formschale einigermassen gross ist, kann sie bei dieser Hantierung leicht deformiert
werden, und das Formwerkzeug wird dann unbrauchbar. Erfindungsgemäss wird der Stützkörper
deshalb auf der Formschale hergestellt, bevor diese vom Modell entfernt wird. Als
Stützmaterial mit den unter Punkt h-l genannten Eigenschaften eignen sich gewisse
härtbare Kunststoffe mit den erforderlichen Festigkeitseigenschaften nach dem Härten.
Das Material muss ferner imstande sein, durch ein einfaches Auftragverfahren (Giessen)
einen festen Verband mit der Rückseite der Formschale zu bilden, so dass sein Volumen
beim Härten nicht in einem solchen Ausmass
geändert wird, dass
es die Formschale deformiert oder gegen die Patrize oder Matrize des Modells 1 festklemmt,
so dass das Trennen erschwert wird. Schliesslich darf die Wärmeausdehnungszahl nicht
so hoch sein, dass die Schale bei Verwendung des Werkzeugs beschädigt oder deformiert
wird.
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Ein Kunststoff, der sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat,
ist Epoxyharz, beispielsweise wiesen hat, ist Epoxyharz, beispielsweise ARALDIT#,
C-8#, DEVRAN# und EPON#, die sich alle durch äusserst geringes Schrumpfen auszeichnen
und keine flüchtigen Nebenprodukte abgeben sowie ausserdem einen guten Verband bieten.
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Nach Herstellung einer Formschale und eines Stützkörpers 6, 7 auf
beiden Seiten des Modells 1 (siehe Fig. 1) und Härten des Stützkörpermaterials während
der erforderlichen Zeit werden Patrize und Matrize 2, 3 unter solchen Verhältnissen
vom Modell 1 getrennt, dass die Formoberflächen nicht beschädigt werden. Die Trennung
ist leicht auszuführen, falls das Modell 1 eine das Entformen erleichternde Form
hat, kann aber in anderen Fällen Schwierigkeiten bieten. Die beiden Formhälften
2, 3 sind verhältnismässig leicht voneinander trennbar, falls auf der Trennfläche
des einen Stützkörpers im Verhältnis zum anderen Stützkörper vor dessen Formen ein
Trennmittel angebracht wird, und durch das Trennen der einen Formhälfte von der
anderen wird sich zumindest die Formschale der einen Formhälfte vom Modell 1 lösen.
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Falls eine der beiden Seiten des Modells 1 infolge komplizierter Umrisse
Schwierigkeiten beim Trennen bereitet und nach dem Trennen der beiden Formhälften
fest an der einen Formschale haftet, kann der Mangel eines Angriffspunktes für die
Trennkräfte weitere Schwierigkeiten beim Trennen herbeiführen. Da das Modell 1 in
dem hier beschriebenen Falle die Form einer Blechhaube mit schwerzugänglichen Kanten
hat, vor allem falls die Blechhaube an der Matrize 3 haftet, kann man das Problem
dadurch lösen, dass man in Kunststoffkörper herausnehmbare Luftlochpfropfen vorsieht,
wie bei 10 in Fig. 1 angedeutet ist, die nach Herausnahme Kanäle zurücklassen, durch
die Druckluft in den Bereich zwischen den Formschalen und dem Modell hineingepresst
werden kann. Hierdurch ist es in vielen Fällen möglich, Form und Modell in einfacher
Weise voneinander zu trennen. Die Luftlöcher können dann mit demselben Kunststoff
gefüllt werden, aus dem der Kunststoffkörper
besteht.
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Der Trennverlauf kann auch durch Vibrationen zustandegebracht oder
erleichtert werden.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass man auf der Oberfläche
eines Modells 1, das beim Trennen der beiden Formhälften blossgelegt wird, mittels
eines Bindemittels, beispielsweise Epoxyharz, oder durch Löten oder Schweissen einen
Griff vorsieht, und durch Ausüben einer Kraft zwischen der Form (2 oder 3) und dem
mit dem Modell verbundenen Griff kann die Form mit der Metallschale vom Modell getrennt
werden.
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Im Vorhergehenden wurde angenommen, dass die Formschale als eine
Verbundschale aus im wesentlichen Molybdän und Chromstahl gefertigt wird, aber die
Formschale kann ausschliesslich aus der beschriebenen Chromstahllegierung oder einer
anderen Legierung hergestellt werden, die die für den Verwendungszweck der Form
geeigneten Eigenschaften besitzt. Auch ist es möglich, Formschalen aus Metall herzustellen,
das nach dem Auftragen gesintert wird, wobei ein solches Metall durch sog. Gas-
oder Plasmaspritzen auf der Molybdänschicht hergestellt werden kann, während das
Sintern beispielsweise mittels einer Gasflamme vorgenommen werden kann.
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Das oben beschriebene Zinn/Zinkgemisch zur Herstellung der Trennschicht
8, welches Gemisch bei praktischen Versuchen vorzügliche Ergebnisse herbeigeführt
hat, dürfte durch andere Metalle, beispielsweise gewisse Lagermetalle auf Zinnbasis,
Messing usw. ersetzt werden können. Es ist auch möglich, andere Materialien als
reine Metalle zu gebrauchen, und ferner können andere Auftragverfahren für die Trennschicht
als Wärmespritzen benutzt werden. Ein anderes solches Material, das bei praktischen
Versuchen ebenfalls gute Ergebnisse herbeigeführt hat, ist Molybdänsulfid, das in
Form eines feinen Pulvers zusammen mit flüssigem Trägermittel in Aerosolform in
Spritzflaschen erhältlich ist.
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Eine Schicht aus Molybdändisulfid ermöglicht das Auftragen von Metall
auf die Schicht durch Wärmespritzen und erleichtert die Trennung der Schale von
beispielsweise einer Metallunterlage.
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Fig. 3 veranschaulicht eine aus Chromstahl bestehende Metallschale
9a, die auf einer dem Modell 1 aufgespritzten
Molybdändisulfidschicht
8a einer Dicke von unter 0,1 mm hergestellt worden ist.
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Wie oben unter Punkt 1) erwähnt, kann es notwendig sein, dass das
Stützkörpermaterial wärmeleitend ist oder ein wärmeableitendes Mittel enthält.
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Das Stützkörpermaterial könnte beispielsweise durch Giessen einer
leichtschmelzenden Leichtmetallegierung hergestellt werden. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, den Stützkörper aus einem Material, beispielsweise Epoxyharz, herzustellen,
dem Metallpulver beigemischt worden ist, aber auch andere Materialien sind denkbar,
beispielsweise in einem Gemisch von herkömmlichen Zement (Portlandzement) und Epoxyharz,
beispielsweise in einem gegenseitigen Verhältnis von 20/80, dem Metallteilchen beigemischt
werden können, beispielsweise Aluminium in zweckdienlicher Menge, oder Eisenmetalle.
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Es sei betont, dass das Modellmaterial nicht unbedingt aus Metall
zu bestehen braucht. Das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung einer Formschale
aus Metall durch Wärmespritzen lässt sich nämlich an vielen anderen Modellmaterialien
ausführen, insbesondere falls die Modelloberfläche zunächst mit einem solchen Trennmittel
beschichtet wird, das ein Formen der Metallschalen auf der Modelloberfläche und
das Trennen der Formschale vom Modell oder dem Modellmaterial gestattet. Wie aus
dem folgenden ersichtlich, bedeutet der Ausdruck Trennung in seinem weitesten Sinne,
dass die Formschale nach Unterstützung mittels eines Stützmaterials vom Modell gelöst
wird, was beispielsweise auch dadurch erfolgen kann, dass man das Modellmaterial
mittels eines Lösungsmittels auflöst.
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Das erfindungsgemässe Verfahren schliesst auch nicht aus, dass die
Formschale zu irgendeinem Zeitpunkt vor oder nach dem Trennen vom Modell gehärtet
wird. Das Härten kann somit vorgenommen werden, bevor die Formschale mit dem Stützmaterial
verbunden wird, und auch nachher. Falls die Formschale nach der Verbindung mit einem
Stützmaterial bei hohen Temperaturen wärmebehandelt werden soll, so muss das Stützmaterial
oder zumindest die Uebergangszone (Verbindungszone) zwischen Stützmaterial und Formschale
diese Wärmebehandlung zulassen oder gegen schädliche
Temperaturen
geschützt werden können, beispielsweise dadurch, dass das Härten in an sich bekannter
Weise mit in ein Kühlbad eingetauchtem Stützkörper oder völlig oder teilweise in
das Bad eingetauchter Metallschale durchgeführt wird.
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Erfindungsgemäss kann die Struktur der Formoberfläche der Metallschale
durch ein in letzter Zeit entwickeltes und somit an sich bekanntes Metallisierverfahren
verbessert werden, wonach Metall auf einer Unterlage in verdampftem Zustand im Vakuum
ausgefällt wird. Durch dieses Verfahren oder mittels Metallzerstaubund durch Ionenbeschuss
lassen sich auf einer Unterlage harte, dichte, verschleissfeste und der Struktur
der Unterlage genau angepasste Metallschichten zur Herstellung einer erfindungsgernässen
Formschale herstellen, die eine Oberflächenschicht mit formumrissgetreuen Oberflächen
hat.
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Gemäss einem Beispiel der Anwendung eines solchen Verfahrens zur
Herstellung der erfindungsgemässen Formschale wurde ein Kunststoffmodell mit einer
dichten und verhältnismässig porenfreien Oberfläche aus Epoxykunststoff benutzt.
Das Modell wurde in 99,58-igem Äthanol gewaschen und in einer Vakuum-Anlage vom
Typ Edwards Speedivac 6E2 zum Evakuieren von Luft und Gasen angebracht. Das Evakuieren
dauerte 90 min (diese verhältnismässig lange Zeit hatte ihren Grund im Gasinhalt
des Kunststoffs). Das Verdampfen und Auftragen des Metalls wurde dann bei einem
Unterdruck von etwa 10 5 Torr vorgenommen. Als Metall wurde Chrom benutzt, und das
Metall wurde mit Hilfe von Wolframfasern bei einer Stromstärke von 40 A verdampft.
Die Behandlung wurde zweimal wiederholt, wobei jedes Mal eine Schicht von etwa 3000
Å aufgetragen wurde. Die gesamte Schichtdicke nach den beiden Behandlungen betrug
etwa 5000 A.
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Die zustandegebrachte Schicht war äusserst gleichmässig und zeigte
auf der Vorderseite (d.h. der Berührungsseite mit dem Kunststoffmodell und somit
der negativen Oberflächenabbildung des Modells) eine ausgezeichnete Wiedergabe des
Umrisses.
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Es sei erwähnt, dass die Rückseite der Schicht bei der genannten
Schichtdicke eine äusserst umrissgetreue, positive Abbildung der Modelloberfläche
war. Dies zeigt, dass es möglich ist, eine dünne, jedoch verschleissfeste, dichte
Schicht direkt
auf die Formoberfläche einer Formschale nach deren
Fort, n und praktisch ohne jede Verzerrung der Formabrssungen oder Oberflächenstruktur
aufzutragen.
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In dem oben beschriebenen Aüs-#u'#hrungsbeispiel#, bei dem eine 5000
Ä dicke Schicht zuerst einem aus Kunststoff bestehenden Modell aufgetragen wurde,
konnte die Schicht mittels verschiedener Metalle durch Wärmespritzen mittels allgemein
zugänglicher Spritzausrüstung aufgebaut werden. Insbesondere durch Plasmaspritzen
(ein Verfahren zum Schmelzen des Zusatzmaterials mittels der Spritzausrüstung in
einem sog. Plasmastrahl aus ionisiertem Gas, dessen Temperatur sehr hoch ist, beispielsweise
der Grössenordnung 10 0000C) von Metallen, die dem Unterlagsmetall, in diesem Falle
Chrom, anhaften oder sich vorzugsweise damit legieren, konnten gleichmässige, dicke
Metallschichten auf der Rückseite der dünnen Metallflächenschicht in einem stabilen
Verband mit der zuerst genannten Metallschicht aufgebaut werden.
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Durch Spritzen von Molybdän erhielt man beispielsweise äusserst harte,
dichte Schichten mit für Presswerkzeuge erwünschten Eigenschaften, und die Molybdänschicht
konnte als Unterlage für andere aufgespritzte Metalle und Metallegierungen benutzt
werden. Auf der durch das Metallverdampfen im Vakuum zustandegebrachte Chromschicht
kann selbstverständlich anstelle von Molybdän ein anderes Metall oder eine Metallegierung,
beispielsweise Chromstahl, benutzt werden. Die Schicht soll eine Dicke haben, die
bei dem nachfolgenden Aufbau von Metall durch Wärmespritzen eine hinreichende Wärmeableitfähigkeit
hat.
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Es ist praktisch möglich, durch Metallverdampfen dünne Metallschichten
herzustellen, die aus einer Metallegierung bestehen. Zu diesem Zweck können zwei
oder mehrere Verdampfungsquellen für reine Metalle oder eine einzige Quelle für
die Metallegierung benutzt werden. Im letzteren Falle erhält man automatisch das
richtige Mengenverhältnis für die erwünschte Legierung.
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Zum Trennen der Formschale, deren Formoberfläche durch Auftragen
von Metall in Dampfphase direkt auf ein Metall in einer Vakuumkammer hergestellt
ist, muss das Modell aus einem Material bestehen, das durch Lösungsmittel auf lösbar
ist, ohne
dass das Metall beschädigt wird. Besteht das Modell aus
Kunststoff, kann die Auflösung mittels organischer Lösungsmittel vorgenommen werden.
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Ein anderes Verfahren, bei dem das Modellmaterial nicht aufgelöst
zu werden braucht, besteht darin, dass man zuerst dem Modell eine dünne Schicht
eines Trennmittels, beispielsweise Molybdändisulfidoder Wolframdisulfid, aufträgt.
Diese und mehrere andere für den Erfindungszweck geeigneten und das Trennen erleichternden
Mittel sind auf dem Markt in Form einer Suspension von äusserst feinen Teilchen
in einem flüssigen Trägermittel in Aerosolbehältern erhältlich, beispielsweise mehrere
der von der Cerac Corporation (USA) als "Gleitmittel" verkauften Erzeugnisse der
Bezeichnungen SP 101-117.
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Die Trennschicht kann so dünn sein, dass sie weder die Abmessungen
noch das Muster verzerrt.
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Es ist auch möglich, der Formoberfläche der Formschale dünne Oberflächenschichten
geeigneter Metalle oder Metallegierungen mit minimaler Veränderung der Umrisse und
Abmessungen durch äusserst exakte Einregelung der Auftragdicke und -gleichmässigkeit
aufzutragen. Eine gemäss der Erfindung hergestellte Formschale lässt sich somit
mit einer zweckdienlichen Oberfläche auch nach dem Trennen vom Modell und der Verbindung
mit einem Stützmateria' versehen.
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Es sei bemerkt, dass die obengenannten Schichtabmessungen keine kritischen
Werte darstellen. Beispielsweise kann man durch Wärmespritzen einer Unterlage hinreichend
dicke Zinn/ZinkschichSn auftragen, damit die Schicht beim Formen von Kunststoffgegenständen
als eine Metallformschale auf einem mit der Rückseite der Schicht in der oben beschriebenen
Weise verbundenen Stützkörper aus beispielsweise Epoxykunststoff benutzt werden
kann. Formen mit sehr feinen Oberflächenstrukturen, beispielsweise Kunstlederflächen,
lassen sich in dieser Weise herstellen und zum Formpressen von leicht verformbaren
Materialien benutzen, welche nicht die feinen Zinn/Zinkschichtumrisse deformieren.
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Ferner sei bemerkt, dass sich auch härtere Metalle zu dickeren Schichten
als oben erwähnt durch Wärmespritzen von Draht, Plasmaspritzen, Ionenbeschuss und
Metallverdampfung aufbauen
lassen, und dass sämtliche Verfahren
für sich oder in gewählten Kombinationen benutzt werden können.
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Das Metallverdampfen in der beschriebenen Weise im Vakuum kann zur
Herstellung von äusserst harten, dünnen Verschleissschichten, jedoch auch zum Aufbau
von wesentlich dickeren Schichten als oben erwähnt benutzt werden, und auch das
Zerstäubungsverfahren durch Ionenbeschuss (beispielsweise mit einer Ausrüstung der
U.S. Firma Randex Inc.) ermöglicht die Herstellung solcher Schichten oder sogar
ganzer Formschalen. Gemäss dem letztgenannten Verfahren ist es beispielsweise möglich,
äusserst dichte Metallschalen aus reinen Metallen oder Legierungen mit einer Geschwindigkeit
von einigen Hunderten bis zu einigen Tausenden A/min aufzubauen.
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