EP1448325B1

EP1448325B1 - Umformwerkzeug aus kunststoff

Info

Publication number: EP1448325B1
Application number: EP02783074A
Authority: EP
Inventors: Mohamed Mekkaoui Alaoui; Jürgen VOSSBERG; Peter Hochwald
Original assignee: Huntsman Advanced Materials Switzerland GmbH
Current assignee: Huntsman Advanced Materials Switzerland GmbH
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2022-11-06
Also published as: WO2003039779A1; JP2005507781A; DE10155233A1; EP1448325A1; US20050044925A1; DE50206046D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug bestehend aus einer Kunststoffmasse, welche aus Kunststoff und einem in dem Kunststoff eingelagerten Material mit Gleiteigenschaften besteht, wobei das Werkzeug ein Umformwerkzeug ist. Werkzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Tiefziehwerkzeuge für das Umformen von Bauteilen aus Metall, beispielsweise Automobilbauteilen.
Herkömmlicherweise werden beim Tiefziehen Werkzeuge aus Stahl oder Grauguss verwendet. Seit einiger Zeit verwendet man zum Umformen auch bereits Kunststoffe als Werkzeugwerkstoffe, z. B. Kunststoffe, die metallische Füllstoffe enthalten. Diese Kunststoffe haben den Vorteil, dass sie kostengünstigere Werkstoffe darstellen. Allerdings konnte festgestellt werden, dass solche Werkzeuge auf Kunststoffbasis in bestimmten Anwendungsfällen für Umformwerkzeuge nicht oder nur bedingt einsetzbar sind. Dies gilt insbesondere bei Anwendungen im Tiefziehbereich, bei denen Werkstücke in hohen Stückzahlen umgeformt werden müssen, so dass das Werkzeug einem hohen Verschleiß unterliegt. Werkzeuge aus Kunststoffen weisen zudem in diesen Anwendungsfällen eine zu geringe Druckfestigkeit auf.
Die DE 93 18 272.4 U1 beschreibt ein Werkzeug für die spanlose Verformung von Werkstücken der eingangs genannten Gattung, wobei das Werkzeug an sich aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss besteht, aber ein Führungsteil des Werkzeugs, welches eine Gleitfläche aufweist, aus einem Duroplast mit Faser- oder Gewebeeinlage und mit Einlagerungen aus Lamellengraphit hergestellt ist. Dadurch sollen die Gleiteigenschaften verbessert und der Verschleiß gemindert werden.
Die DE-A-19 10 705 beschreibt Werkzeuge zur Herstellung von Teilen aus Kunststoffschäumen, die teilweise eine poröse Struktur haben. Es können Urmodelle aus Schaumstoff zur Herstellung der Schäumwerkzeuge benutzt werden, wobei als Grundstoffe für die benötigten Stoffmischungen im Wesentlichen kömige bis pulverisierte Aluminium- und Kupferlegierungen sowie Graphit als geeignet angesehen werden. Als Bindemittel werden organische oder anorganische Binder verwendet. Die genannten Werkstoffe eignen sich für Schäumwerkzeuge, sind jedoch nicht für die bei Umformverfahren auf die Werkzeuge einwirkenden hohen Belastungen geeignet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein aus Kunststoff bestehendes Werkzeug zu schaffen, welches einerseits gute Gleiteigenschaften und andererseits auch verbesserte Verschleißeigenschaften und eine hohe Druckfestigkeit aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein erfindungsgemäßes Werkzeug mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Erfindungsgemäß enthält die Kunststoffmasse einen Anteil an eingelagertem Aluminium zur Erzielung einer erhöhten Druckfestigkeit und Verschleißbeständigkeit sowie weiterhin ein eingelagertes Material mit Gleiteigenschaften, so dass das Werkzeug quasi einen Selbstschmiereffekt besitzt. Dadurch erübrigt sich in der Regel die Verwendung eines zusätzlichen Schmiermittels im Bereich zwischen dem Umformwerkzeug und dem zu verformenden Werkstück. Anhand von Versuchen konnte gezeigt werden, dass sich die Standzeit des Werkzeugs durch die erfindungsgemäßen Einlagerungen wesentlich verbessern lässt. Als Material mit Gleiteigenschaften kommen beispielsweise Graphit oder Molybdänsulfid in Betracht. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Graphitpulver. Das Aluminium kann als Füllstoff beispielsweise in Form von Aluminiumpulver oder Aluminiumpartikeln mit größerer Körnung in dem Kunststoffwerkzeug enthalten sein. Werkzeuge dieser Art lassen sich vorzugsweise aus einem entsprechend zusammengesetzten Gießharz oder aus einem Blockmaterial herstellen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung enthält das Werkzeug einen Gewichtsanteil von mehr als 50 % an Aluminiumfüllstoff. Der Gewichtsanteil an Aluminiumfüllstoff der Kunststoffmasse zur Herstellung des Werkzeugs kann ein Mehrfaches des Kunststoffanteils betragen. Vorzugsweise liegt dieser Gewichtsanteil bei wenigstens 60 % vorzugsweise etwa 70 % an Aluminiumfüllstoff, vorzugsweise an Aluminiumpulver, bezogen auf das Gesamtgewicht der Kunststoffmasse.
Der Gewichtsanteil des in den Kunststoff eingelagerten Materials mit Gleiteigenschaften ist in der Regel geringer als der Kunststoffanteil und/oder der Aluminiumanteil der Kunststoffmasse. Vorzugsweise enthält das Werkzeug einen Gewichtsanteil von 20 % bis 50 % an Graphitpulver bezogen auf den Gewichtsanteil des in dem Werkzeug enthaltenen Kunststoffs, d. h., nicht bezogen auf das Gesamtgewicht der Kunststoffmasse, sondern bezogen auf den reinen Kunststoffanteil. Der Gewichtsanteil des Graphits bezogen auf das Gesamtgewicht des Werkstoffs, aus dem das Werkzeug besteht, beträgt vorzugsweise 3 % bis 15 % an Graphit. Das Gewichtsverhältnis zwischen dem Graphitanteil und dem Aluminiumanteil liegt vorzugsweise bei zwischen 1 : 15 und 1 : 6.
Bevorzugt ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Herstellung von Tiefziehwerkzeugen aus der Kunststoffmasse der genannten Art. Beispielsweise können dies Stempel oder Blechhalter für das Tiefziehen von Metallteilen sein. Durch die Einlagerung des Materials mit Gleiteigenschaften wird verhindert, dass beim Tiefziehvorgang z. B. eines Metallblechs, welches dabei in einer Zugrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Tiefziehwerkzeugs beansprucht wird, Partikel, insbesondere Füllstoffpartikel aus der Kunststoffmatrix herausgerissen werden und dadurch Risse im Werkzeug entstehen. Es wurde bereits erwähnt, dass Graphit in Form von Graphitpulver als Material mit Gleiteigenschaften in den Kunststoff eingelagert werden kann. Es hat sich die Verwendung von Graphitpulver in einer Korngröße von zwischen 50 µm und 250 µm als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die erfindungsgemäßen Werkzeuge können im wesentlichen vollständig aus einem Kunststoff mit den genannten Einlagerungen bestehen, d. h., dass sie durchgehend aus einem homogenen Kunststoffwerkstoff bestehen und sich damit von den Werkzeugen gemäß der eingangs erwähnten DE 93 18 272.4 U1 unterscheiden, wo lediglich eine als Führungsteil bezeichnete Frontschicht des Werkzeugs aus einem Kunststoff mit gewissen Gleiteigenschaften besteht.
Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1: eine stark schematisch vereinfachte perspektivische Darstellung zur Erläuterung eines Tiefziehvorgangs mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeugs;
Fig. 2: eine zweite schematisch vereinfachte Ansicht im Schnitt zur Erläuterung des Tiefziehvorgangs;
Fig. 3: ein Diagramm, welches die Veränderung des E-Moduls bei Verwendung von Kunststoffen mit unterschiedlichen Füllstoffen zeigt;
Fig. 4: einen Stempel für das Tiefziehen von Ventildeckein für Motoren in perspektivischer Darstellung;
Fig. 5: die zugehörige Matrize für das Tiefziehen von Ventildeckein mit einem Stempel gemäß Figur 4;
Fig. 6: mittels Stempel und Matrize gemäß den Figuren 4 und 5 tiefgezogene Ventildeckel.

Zunächst wird auf Figur 1 Bezug genommen. Die Zeichnung zeigt in stark schematisch vereinfachter perspektivischer Darstellung eine Anordnung von Werkzeugen für das Tiefziehen eines Blechteils 10. Es ist ein Werkzeugoberteil 11 zur Umformung des Blechteils 10 im Tiefziehverfahren vorgesehen sowie ein Werkzeugunterteil 12 in Form einer das Werkzeugoberteil 11 aufnehmenden Matrize. Das Werkzeugoberteil 11 besteht aus einem Kunststoff der erfindungsgemäßen Art, welcher eingelagerte Aluminiumpartikel 13 enthält, sowie eingelagertes Graphit-Pulver 14 zur Erzielung eines Selbstschmiereffekts bei der Umformung des Blechteils 10.
Das Werkzeugoberteil 11 wurde hergestellt aus einem Gießharz bestehend aus Kunststoff, Aluminiumpulver als Füllstoff und Graphit-Pulver. Dabei wurden für eine Masse von insgesamt 4,2 kg dieses Werkstoffs 1 kg Kunststoff, 3 kg Aluminiumpulver und 200 g Graphitpulver verwendet. Die Komgröße des Graphitpulvers variierte zwischen 50 und 250 µm. Das Kunststoffwerkzeug hatte sehr gute Schmiereigenschaften und eine um 40 % höhere Druckfestigkeit. Die bei Werkzeugen aus anderen Kunststoffen mit konventionellen Füllstoffen wie beispielsweise Sand und Eisen in der Frontschicht des Werkzeugs auftretende Rissbildung, die dadurch entsteht, dass beim Tiefziehvorgang Füllpartikel aus der Grundmatrix des Kunststoffmaterials herausgerissen werden, trat bei Verwendung von Werkzeugen aus dem erfindungsgemäßen Kunststoff nicht auf.
Es wurde festgestellt, dass sich die aus der genannten Kunststoffmasse hergestellten Tiefziehwerkzeuge für eine Umformung von Werkstücken in hohen Stückzahlen, von beispielsweise bis zu 100.000,00 oder darüber hinaus eignen.
Figur 2 verdeutlicht die zu der genannten Rissbildung beim Tiefziehen mit Materialien ohne ausreichenden Schmiereffekt auf das Werkzeug einwirkenden Kräfte. Es ist in stark schematisch vereinfachter Schnittdarstellung ein Werkzeugoberteil 11 dargestellt, welches erfindungsgemäß aus Vollgussmaterial bestehend aus einem erfindungsgemäßen Kunststoff mit Aluminium- und Graphitpulver als Füllstoffen hergestellt wurde. Auch das Werkzeugunterteil 15 wurde aus dem erfindungsgemäßen Kunststoffmaterial gegossen. Das umzuformende Blechteil 10 befindet sich vor dem Einsetzen des Tiefziehvorgangs in dem Spalt 16 zwischen Werkzeugoberteil 11 und Werkzeugunterteil 15. Beim Tiefziehen wird das umzuformende Blechteil 10 verformt, wobei Kräfte in Richtung des Pfeils 17 senkrecht zur Bewegungsrichtung auftreten. Dadurch werden die Frontflächen 18, 19 der beiden Werkzeuge 11, 15 auf Scherung beansprucht. Das in dem Kunststoff der Werkzeuge 11, 15 eingelagerte Graphitpulver sorgt für einen Schmiereffekt und gute Gleiteigenschaften im Grenzbereich zwischen den Frontflächen 18, 19, der Werkzeuge 11, 15 und dem gezogenen Blechteil 10.
Figur 3 verdeutlicht die prozentuale Veränderung des Elastizitätsmoduls von Werkzeugen aus verschiedenen Kunststoffen, die anhand von Druckversuchen im Rahmen der Erfindung ermittelt wurde. Dabei wurde in dem Diagramm in der Säule 20 ganz links das Elastizitätsmodul eines lediglich mit Aluminium gefüllten Kunststoffs dargestellt und als relative Bezugsgröße für die anderen Kunststoffe mit dem Wert 100 angenommen. In der mit 22 bezeichneten zweiten Säule von rechts ist der relative Wert des Elastizitätsmoduls für ein mit Aluminium gefülltes PTFE wiedergegeben, das, wie man sieht, nur gut 60 % des in Figur 3 in Säule 20 dargestellten Kunststoffs erreicht. Zum Vergleich sind dagegen in Figur 3 die Elastizitätsmodule für zwei erfindungsgemäß hergestellte Kunststoffe wiedergegeben. Die Säule 23 ganz rechts in der Darstellung gibt den Wert für einen mit Aluminium und MoS₂ als Gleitmaterial gefüllten Kunststoff wieder. Man erkennt, dass das E-Modul über 20 % höher liegt als bei dem nur mit Aluminium gefüllten Kunststoff gemäß Säule 20. In der Säule 21 (zweite von links in der Darstellung) ist der relative Wert des E-Moduls für einen mit Graphit und Aluminium gefüllten Kunststoff wiedergegeben. Wie man aus der Darstellung erkennt, liegt dieser Wert um 40 % höher als das E-Modul für einen nur mit Aluminium gefüllten Kunststoff gemäß der Säule 20 ganz links in der Darstellung. Der in Säule 21 in Figur 3 wiedergegebene Wert wurde erreicht durch einen Zusatz von 20 % Graphitpulver zu einem aluminiumgefüllten Kunststoff für den der Wert in Säule 20 wiedergegeben ist.
Es wurde für Tiefziehversuche ein in Figur 4 perspektivisch dargestelltes Tiefziehwerkzeug 30 zur Herstellung von Ventildeckeln für einen Dreizylindermotor konzipiert, ausgelegt und gefertigt. Figur 4 zeigt den Tiefziehstempel für Ventildeckel 30 aus einem erfindungsgemäßen Kunststoff von der Unterseite. Mit diesem Werkzeug 30 wurden Tiefziehversuche durchgeführt. Anhand dieser Versuche konnte festgestellt werden, dass sich sowohl die Maßgenauigkeit, die Standzeit als auch der Selbstschmiereffekt gegenüber Werkzeugen aus anderen Kunststoffen stark verbesserten. Aus herkömmlichen Kunststoffen hergestellte Werkzeuge waren nach kurzer Zeit verschlissen. Durch das Einbetten von lediglich etwa 20 % an Graphitpulver in einen mit Aluminiumpulver gefüllten Kunststoff wurden mit dem in Figur 4 dargestellten Werkzeug 30 erheblich bessere Reib- und Verschleißverhältnisse erreicht. Wie man in Figur 4 erkennt, weist der Tiefziehstempel zwei charakteristische Umformelemente 31, 32 zur Herstellung der für die Form des Ventildeckels typischen Vertiefungen bzw. erhabenen Bereiche auf.
Figur 6 zeigt beispielhafte Ventildeckel mit verschiedenen Materialien, die mittels des in Figur 4 dargestellten Tiefziehwerkzeugs 30 hergestellt wurden. Die in Figur 6 gezeigten Ventildeckel 40, 41, 42 wurden hergestellt durch Umformung von Titanblech, Aluminiumblech und verzinktem Stahlblech jeweils in einer Materialstärke von 1 mm. Man erkennt in der Darstellung gemäß Figur 6 ohne weiteres die charakteristischen Umformbereiche, nämlich die flache zylindrische Vertiefung 43 (bzw. Erhöhung, wenn man von der Unterseite auf den tiefgezogenen Ventildeckel 41 gemäß Figur 6 schaut). Dieser Umformbereich 43 lässt sich dem Umformelement 32 des Tiefziehwerkzeugs 30 gemäß Figur 4 zuordnen. Entsprechend lässt sich der Umformbereich 44 dem Umformelement 31 des Tiefziehwerkzeugs 30 gemäß Figur 4 zuordnen. Beim Tiefziehen der in Figur 6 dargestellten Ventildeckel mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug 30 ließen sich bei allen drei Materialien Titanblech, Aluminiumblech, verzinktes Stahlblech, sehr gute Ergebnisse erzielen.
Figur 5 zeigt die für den Tiefziehstempel 30 gemäß Figur 4 zugehörige Matrize 50 zur Herstellung von Ventildeckeln 40, 41, 42, wie sie in Figur 6 dargestellt sind. In die in Figur 5 dargestellte Tiefziehmatrize 50 wird der Stempel 30 abgesenkt. Man erkennt in Figur 5 die dem Stempel 30 entsprechende etwa rechteckige an den Eckbereichen abgerundete Form der Matrize 50. Außerdem ist der dem etwa zylindrischen Umformelement 32 zugeordnete Umformbereich 51 als Senke in dem als Matrize 50 dienenden Tiefziehwerkzeug erkennbar. Auch die Matrize 50 gemäß Figur 5 wurde aus dem erfindungsgemäßen Kunststoff enthaltend Aluminium und Graphitpulver hergestellt.
Die Vorteile der Kunststoffwerkzeuge aus den erfindungsgemäßen Materialien gegenüber herkömmlichen Stahlwerkzeugen liegen in den beispielsweise bis zu etwa 70 % niedrigeren Materialkosten. Die für die Herstellung der Werkzeuge verwendeten Kunststoffe lassen sich besser verarbeiten und dadurch ist bei der Herstellung der Werkzeuge der maschinelle Einsatz geringer. Der Energie- und Leistungsbedarf bei der Maschinenarbeit zur Herstellung der Werkzeuge lässt sich z. B. um 65 % reduzieren. Die Einarbeitungszeit ist ebenfalls bis zu beispielsweise 60 % kürzer als bei Stahlwerkzeugen. Die Verwendung von erfindungsgemäßen Kunststoffen zur Herstellung der Werkzeuge führt zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung von beispielsweise bis zu 60 % und dadurch zu einer geringeren Belastung der Krananlagen. Die Werkzeuge lassen sich flexibler und kostengünstiger ändern, wobei wiederum eine hohe Kosten-, Zeit-, und Energieerspamis erzielt wird. Die Werkzeuge sind außerdem recyclinggeeignet, da sie sich als Füllstoffe zur Herstellung neuer Kunststoffwerkzeuge vollständig wiederverwenden lassen, wodurch die Entsorgungskosten entfallen.
Das elastische Verhalten der Kunststoffe führt zu einer Qualitätserhöhung bei den umgeformten Werkstücken. Durch das Einbetten von Graphit in den Kunststoff der Werkzeuge wird ein Selbstschmiereffekt an den Kontaktschichten des Werkzeugs erzeugt. Wenn es bei der Umformung überhaupt noch notwendig ist, zusätzlich flüssige Schmiermittel einzusetzen, dann lässt sich in jedem Fall die Menge der notwendigen Schmiermittel wesentlich verringern, beispielsweise um ca. 3 g/m². Die Reibungsverhältnisse beim Tiefziehen werden durch das Einbringen von Graphitpulver in den Kunststoff verbessert. Durch das Entfallen bzw. die Verringerung von flüssigen Schmiermitteln beim Tiefziehen wird die Verschmutzung im Arbeitsbereich wesentlich verringert und damit die Umwelt entlastet.

Bezugszeichentiste

10: Blechteil
11: Werkzeugoberteil
12: Werkzeugunterteil
13: Aluminiumpartikel
14: Graphit-Pulver
15: Werkzeugunterteil
16: Spalt
17: Pfeil
18: Frontfläche
19: Frontfläche
20: Säule
21: Säule
22: Säule
23: Säule
30: Tiefziehwerkzeug
31: Umformelement
32: Umformelement
40: Ventildeckel
41: Ventildeckel
42: Ventildeckel
43: Vertiefung
44: Umformbereich
50: Tiefziehmatrize
51: Umformbereich

Claims

Werkzeug bestehend aus einer Kunststoffmasse, welche aus Kunststoff und einem in dem Kunststoff eingelagerten Material mit Gleiteigenschaften besteht, wobei das Werkzeug ein Umformwerkzeug ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmasse weiterhin einen Anteil an eingelagertem Aluminium enthält.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmasse Aluminiumpulver oder Aluminiumpartikel als Füllstoff enthält..
Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmasse als Material mit Gleiteigenschaften Graphit oder Molybdänsulfid enthält.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmasse Graphitpulver enthält.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus einem Blockmaterial oder einem Gießharz hergestellt ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Gewichtsanteil von mehr als 50 % an Aluminiumfüllstoff enthält.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmasse einen Gewichtsanteil von wenigstens 60 %, vorzugsweise etwa 70 % an Aluminiumfüllstoff, vorzugsweise Aluminiumpulver, bezogen auf ihr Gesamtgewicht enthält.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Gewichtsanteil von 20 % bis 50 % an Graphitpulver bezogen auf den Gewichtsanteil des in dem Werkzeug enthaltenen Kunststoffs enthält.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Gewichtsanteil von 3 % bis 15 % an Graphit, vorzugsweise Graphitpulver, bezogen auf das Gesamtgewicht des Werkstoffs, aus dem das Werkzeug besteht, enthält.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Graphit, vorzugsweise Graphitpulver, und Aluminium, vorzugsweise Aluminiumpulver, in einem Gewichtsverhältnis von zwischen 1 : 15 und 1 : 6 enthält.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Tiefziehwerkzeug ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Stempel, Blechhalter oder eine Matrize für das Tiefziehen von Metallteilen ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Graphitpulver in einer Komgröße von zwischen 50 und 250 µm enthält.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieses im Wesentlichen vollständig aus der Kunststoffmasse besteht.