DE4431985C2 - Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen für die Prototypenherstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen für die Prototypenherstellung aus Kunststoffen und Elastomeren.

In Vorbereitung der Markteinführung neuer Erzeugnisse sind verschiedene Un­ tersuchungen notwendig, um sofort mit Aufnahme der Serienfertigung eine ausreichende Erzeugnisqualität zu gewährleisten. Für derartige Untersuchun­ gen werden vorzugsweise Prototypen eingesetzt. Sofern die künftigen Erzeug­ nisse aus Kunststoffen oder elastomeren Werkstoffen bestehen, werden für die Herstellung der Prototypen weitgehend seriennahe Fertigungstechniken angestrebt. Ausgangspunkt ist üblicherweise ein Modell, von dem über meh­ rere Zwischenstufen ein Formteil erzeugt wird. Dieses Formteil stellt die Werkzeugkontur des jeweiligen Modells dar und wird auf einer Standardverar­ beitungsmaschine, beispielsweise einer Spritzgießmaschine, einer Presse oder einer Blasformmaschine, als sog. Prototypenwerkzeug verwendet.

Für die Herstellung der Werkzeuge sind bereits verschiedene Verfahren be­ kannt, die von Menges und Mohren in "Anleitung zum Bau von Spritzgießwerk­ zeugen" (Carl Hanser Verlag München Wien, 3. Auflage 1991) umfassend er­ läutert werden. Die Formen werden z. B. aus Metall oder aus konventionellen, aluminiumgefüllten Epoxidharzen gegossen. Weiterhin ist die Verwendung von spritzmetallbeschichteten Formen möglich. Ferner ist ein galvanischer Schichtenaufbau für die Formbauteile bekannt. Schließlich können die For­ menwerkzeuge auch durch zerspanende Bearbeitung hergestellt werden.

Die bekannten Lösungen haben allerdings verschiedene Nachteile: Epoxidharz­ formen haben eine für zahlreiche Anwendungsfälle ungenügende Wärmeformbe­ ständigkeit, schichtenweise aufgebaute Formen neigen zu thermischem Verzug und unterliegen somit einem vorzeitigen Verschleiß. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen besteht darin, daß grundsätzlich mehrere Prozeßstufen notwendig sind. Diese Zwischenstufen, z. B. die Herstellung eines Schwundmodells, verursachen einen hohen Arbeits- und Zeitaufwand und bestimmen somit primär die Kosten zur Herstellung der jeweiligen Werkzeuge für die Prototypenherstellung. Gleichzeitig ist bei die­ sen Verfahren die Nutzung moderner Konstruktionstechniken (CAD), die zahl­ reiche Vorteile ergeben, nicht oder nur bedingt möglich. Eine typische An­ wendung solcher Prinzipien ist Gegenstand von WO 92/11 577 A1, die eine schichtenweise Herstellung eines räumlichen Modells aus einem CAD-Datensatz nach additiven Formgebungsprinzipien vorschlägt, wobei diese Verfahrens­ durchführung als "Stereolithographie" bekannt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die notwendigen Zwischenstufen zur Herstel­ lung von Werkzeugen für die Prototypenherstellung aus Kunststoffen und Ela­ stomeren zu reduzieren. Insbesondere soll hierbei eine Verfahrenskette vom Modell bis zur Kontur des Prototypenwerkzeuges unter durchgängiger Anwen­ dung der Rechentechnik geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1. gelöst. Durch die computertechnische Verarbeitung der Formteilgeometrien ist es möglich, die Schwindung der zu verarbeitenden Werkstoffe bereits bei der Erzeugung der Formkontur zu berücksichtigen. Die Herstellung eines Formkonturmusters auf stereolithographischem Weg gewährleistet sowohl eine schnelle Verfügbarkeit von Mustern für die Simulation der späteren Formteile als auch eine schnel­ le Abbildung des Formteils als Werkzeugkontur. Durch das Gießen des Werk­ zeuges aus Hochleistungsverbundwerkstoffen entstehen innerhalb weniger Stunden temperatur- und druckbelastbare Formkonturen. Mittels dieser Form­ konturen können nach dem Vervollständigen und dem Einbau in Werkzeugnorma­ lien und in Standardverarbeitungsmaschinen, beispielsweise Spritzgießma­ schinen, Pressen oder Blasformmaschinen, Prototypen hergestellt werden. Somit ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren mit Hilfe von 3D-CAD-Daten die Herstellung von Kunststoff- und Elastomerformteilen unter Serienbedin­ gungen mit lediglich geringem Zeitaufwand.

Zum Gießen der Werkzeuge wird vorzugsweise ein hochtemperaturfestes Gieß­ harz verwendet, welches mit Aluminiumkugeln mit einem Durchmesser von 0,4 bis 0,7 mm, Kohlenstoffasern mit einer Länge von 0,2-2,0 mm, einem Härter sowie mit einem Lösungsmittel mit einem Dampfdruck von 1,0-80,0 mbar mo­ difiziert ist. Die Zugabe von Aluminiumkugeln ergibt eine verbesserte Wär­ meleitfähigkeit. Durch Zugabe von Kohlenstoffasern wird eine Erhöhung der Wärmeformbeständigkeit, der Druckfestigkeit und der Kantenbruchfestigkeit sowie eine Reduzierung der Wärmeausdehnung erreicht. Das Lösungsmittel be­ wirkt eine Verbesserung der Fließfähigkeit des hochgefüllten Gießharzgemi­ sches.

In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Herstellung der Werkzeuge unter Vakuumbedingungen bei 0,1 bis 1,0 mbar erfolgt. Durch die Verarbeitung unter Vakuum werden luft- und lösungsmittelfreie Formkonturen mit hoher Form- und Maßhaltigkeit erzeugt.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Aushärtung des Gießharzes in definier­ ten Zeit- und Temperaturstufen erfolgt. Hierbei wird eine Verbesserung von Wärmeleitfähigkeit, Härte, Druckfestigkeit und Wärmeformbeständigkeit er­ reicht.

Die erzeugten Werkzeuge können mechanisch weiterbearbeitet und die Kontur­ oberflächen können poliert werden. Mit spanender Bearbeitung kann die Ver­ vollständigung zum Formwerkzeug mit Normalien und anderen Bauteilen erfol­ gen. Durch Polieren oder Strahlen der Konturoberflächen wird das Aussehen der Prototypen vorteilhaft verbessert.

Ausgangspunkt für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Modell, von dem mindestens ein Prototyp aus Kunststoff oder Elastomer her­ gestellt werden soll. Das Modell kann sowohl gegenständlich als auch in Form einer CAD-Konstruktion vorliegen. Für die Herstellung der notwendigen Werkzeuge werden zunächst vom Modell computertechnisch Raumkoordinaten er­ mittelt. Die entsprechenden Werte werden nachfolgend unter Berücksichtigung des voraussichtlichen Volumenschwundes der zu verarbeitenden Kunststoffe bzw. Elastomere korrigiert. Anschließend erfolgt die räumliche Festlegung der Formteilungsebene sowie der notwendigen Freiräume für das Angußsystem, die Auswerferelemente und eventuelle Einlegeteile. Danach wird auf stereo­ lithographischem Weg, unter weitgehender Ausschaltung von Zwischenstufen, ein Formkonturmuster erzeugt. Dieses Formkonturmuster wird nachfolgend für die Herstellung von Werkzeugen aus gießfähigen Hochleistungsverbundwerk­ stoffen verwendet, wobei das Formkonturmuster beispielsweise umgossen wird. Zum Gießen der Werkzeuge wird ein hochtemperaturfestes Gießharz verwendet, welches mit Aluminiumkugeln mit einem Durchmesser von 0,4-0,7 mm, Koh­ lenstoffasern mit einer Länge von 0,2-2,0 mm, einem Härter sowie mit ei­ nem Lösungsmittel mit einem Dampfdruck von 1,0-80,0 mbar modifiziert ist. Die Herstellung der Werkzeuge erfolgt unter Vakuumbedingungen bei 0,1 bis 1,0 mbar. Die Aushärtung des Gießharzes erfolgt in definierten Zeit- und Temperaturstufen. Nach der Aushärtung ist es möglich, daß die Werkzeuge me­ chanisch weiterbearbeitet und die Konturoberflächen poliert werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen für die Prototypenherstellung, bei dem von einem Modell mittels eines Computers Raumkoordinaten des Modells ermittelt werden, diese Koordinaten aufgrund des Volumenschwunds der zu verarbeitenden Kunststoffe bzw. Elastomere korrigiert werden und nach Festlegen der Formteilungsebene, der Freiräume für Angußsystem, Auswerferelemente und Einlegeteile mittels der Stereolithographie ein Muster der Formkontur hergestellt wird, das anschließend beim Gießen des Werkzeugs verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Gießen ein hochtemperaturfestes Gießharz verwendet wird, welches mit Aluminiumkugeln mit einem Durchmesser von 0,4 bis 0,7 mm, Kohlen­ stoffasern mit einer Länge von 0,2 bis 2,0 mm, einem Härter sowie mit einem Lösungsmittel mit einem Dampfdruck von 1,0 bis 80,0 mbar modifi­ ziert ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge unter Vakuumbedingungen bei 0,1 bis 1,0 mbar gegossen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushärtung des Gießharzes in definierten Zeit- und Temperatur­ stufen erfolgt.