EP4705106A1 - Werkzeughälfte eines gusswerkzeuges sowie additives fertigungsverfahren zur herstellung der werkzeughälfte - Google Patents

Werkzeughälfte eines gusswerkzeuges sowie additives fertigungsverfahren zur herstellung der werkzeughälfte

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EP4705106A1
EP4705106A1 EP24725044.2A EP24725044A EP4705106A1 EP 4705106 A1 EP4705106 A1 EP 4705106A1 EP 24725044 A EP24725044 A EP 24725044A EP 4705106 A1 EP4705106 A1 EP 4705106A1
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EP
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sensor unit
sensor
tool half
tool
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EP24725044.2A
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Florian Doerrfuss
Bernd Wetz
Werner DRESSEL
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeughälfte (1) eines Gusswerkzeuges aufweisend einen dreidimensionalen Körper (K) zur Verbindung mit einer Aufspannplatte einer Gussmaschine und eine erste Seite (2) des Körpers (K) zur Verbindung mit der Aufspannplatte der Gussmaschine. Weiterhin ist wenigstens ein Kühlkanal (6) zur Kühlung vorhanden. Die Werkzeughälfte (1) weist mindestens eine Sensoreinheit (7), optional weiterhin mindestens eine Sensorkontaktierung (8) für die mindestens eine Sensoreinheit (7), auf, wobei die mindestens eine Sensoreinheit (7), optional weiterhin die mindesten eine Sensorkontaktierung (8), zusammen mit dem Körper (K) in einem additiven Multimaterial-Druckverfahren unter Verwendung unterschiedlicher Materialien gebildet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung einer solchen Werkzeughälfte.

Description

Werkzeuqhälfte eines Gusswerkzeuqes sowie additives Fertiqunqsverfahren zur Herstellung der Werkzeuqhälfte
Die Erfindung betrifft eine Werkzeughälfte eines Gusswerkzeuges sowie ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung einer solchen Werkzeughälfte.
Bekannterweise werden Werkzeughälften eines Gusswerkzeuges aus einem oder mehreren Blöcken eines Metalls gefräst. Dabei ist es aber nur mit hohem Aufwand möglich, eine Sensorik an mechanisch-kritischen Bereichen einer Werkzeughälfte zu platzieren.
Zwei Werkzeughälften werden üblicherweise zu einem Gusswerkzeug zusammengebaut und bilden zusammen eine Kavität im Innenraum aus, in welcher ein Gussteil gebildet wird. Ganz allgemein kann ein Gusswerkzeug aber auch aus mehr als zwei Teilen gebildet sein, so dass der Begriff „Werkzeughälfte“ hier im Folgenden auch als Teil eines Gusswerkzeugs zu verstehen ist, das zusammen mit weiteren Werkzeugteilen ein Gusswerkzeug mit einer gemeinsamen Kavität zur Bildung eines Gussteils in dieser Kavität ausbildet.
Die DE 10 2011 101 957 A1 betrifft eine Form zum Druckgießen eines Bauteils, umfassend mindestens zwei Formteile, die einen Hohlraum einschließen und mit korrespondierenden Außenflächen und Innenflächen , wobei die Innenflächen eine Form des Hohlraums vorgeben. Die Außenflächen der mindestens zwei Formteile sind so gestaltet, dass diese der Kontur des Hohlraums und damit der Innenflächen der mindestens zwei Formteile entspricht.
Die DE 10 2011 078 167 A1 betrifft ein Verfahren, bei dem geschmolzener thermoplastischer Kunststoff in eine Kavität eines Spritzgießwerkzeugs eingebracht wird. Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur eines Werkstückherstellungsabschnitts in dem thermoplastischen Spritzgießwerkzeug vorhanden. Dazu ist ein Temperatursensor an der Oberfläche der Kavität angeordnet. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeughälfte eines Gusswerkzeuges und ein Fertigungsverfahren zur Herstellung einer solchen Werkzeughälfte anzugeben, welches kostengünstig bzw. mit welchem kostengünstig eine Werkzeughälfte herstellbar ist sowie eine Sensorik an mechanisch-kritischen Bereichen einer Werkzeughälfte zu platzieren.
Diese Aufgabe wird für die Werkzeughälfte durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 5.
Die Werkzeughälfte eines Gusswerkzeuges weist folgendes auf:
- einen dreidimensionalen Körper K zur Verbindung mit einer Aufspannplatte einer Gussmaschine,
- wobei eine erste Seite des Körpers K zur Verbindung mit der Aufspannplatte der Gussmaschine ausgebildet ist,
- wobei eine zweite Seite des Körpers K eine Kavität der Form F für ein zu erstellendes Gussteil aufweist,
- wobei die erste und zweite Seite gegenüberliegende Seiten des Körpers K bilden,
- wobei die Form F wenigstens einen Vorsprung und/oder wenigstens einen Rücksprung bezugnehmend auf eine den wenigstens einen Vorsprung und/oder Rücksprung umgebende Oberfläche E der zweiten Seite aufweist,
- wenigstens einen Kühlkanal zur Kühlung der Form F für ein zu erstellendes Gussteil,
- wobei der wenigstens eine Kühlkanal im Inneren des Körpers K verläuft und im Bereich der Kavität zur zweiten Seite bereichsweise parallel verläuft und variierende Abstände zur Form F im Bereich des wenigstens einen Vorsprungs und/oder des wenigstens einen Rücksprungs der Form F aufweist,
- wobei der Abstand zwischen dem wenigstens einen Kühlkanal und der Oberfläche des wenigstens einen Vorsprungs der Form F größer ist als der Abstand zwischen dem wenigstens einen Kühlkanal und der Oberfläche des wenigstens einen Rücksprungs der Form F,
- wobei die Werkzeughälfte mindestens eine Sensoreinheit, optional weiterhin mindestens eine Sensorkontaktierung für die mindestens eine Sensoreinheit, aufweist. Die Aufgabe wird für die Werkzeughälfte nun dadurch gelöst, dass die mindestens eine Sensoreinheit, optional weiterhin die mindestens eine Sensorkontaktierung, zusammen mit dem Körper K in einem additiven Multimaterial-Druckverfahren unter Verwendung unterschiedlicher Materialien gebildet sind und die mindestens eine Sensoreinheit in einem Raum unterhalb der Oberfläche der Form F in einem Bereich zwischen dem wenigstens einen Kühlkanal und der zweiten Seite angeordnet ist.
Mit einer genaueren Datenerfassung an bestimmten und vorab festgelegten Orten innerhalb eines Gusswerkzeuges, insbesondere mit einer ortsgenauen Druck- und/oder Temperaturmessung, mittels der mindestens einen Sensoreinheit können Sicherheitsschwellen reduziert werden, wodurch die Kombination aus Gussmaschine und Gusswerkzeug näher am „Limit“ operieren kann. Dadurch wird die Leistung einer Gussmaschine weiter erhöht und die Kosten für die Erstellung eines dafür geeigneten Gusswerkzeuges verringert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Werkzeughälfte ist die mindestens eine Sensoreinheit drahtlos kontaktierbar oder mittels der mindestens einen optionalen Sensorkontaktierung kontaktiert, die in Form mindestens einer gedruckten Leiterbahn ausgebildet ist.
Der Körper K ist vorzugsweise aus mindestens einem elektrisch leitenden, metallischen Material additiv hergestellt. Die mindestens eine Sensoreinheit und die optional vorhandene mindestens eine Sensorkontaktierung sind aus mindestens einem elektrisch leitenden, metallischen Material sowie mindestens einem elektrisch isolierenden Material über den Multi-Material-Druck zusammen mit dem Körper K einteilig hergestellt.
Umfasst ist demnach eine Werkzeughälfte eines Gusswerkzeugs, hergestellt in einem additiven Multimaterial-Druckverfahren, wobei mindestens eine Sensoreinheit, insbesondere in Form einer Dehnungs- und/oder Temperatursensorik, in eine Werkzeughälfte des Gusswerkzeugs eingebracht ist. Die Werkzeughälfte kann für die Auswerferseite oder die Düsenseite einer Gussmaschine verwendet werden und/oder angepasst sein. Die erste Seite des Körpers K ist zur Verbindung mit einer Aufspannplatte einer Gussmaschine ausgebildet, wobei eine zweite Seite des Körpers K eine Form F für ein zu erstellendes Gussteil aufweist. Die Form F kann zusammen mit einer weiteren Werkzeughälfte im geschlossenen Zustand des Gusswerkzeuges einen Teil einer sog. Kavität bilden, in welche z. B. verflüssigter Kunststoff eingespritzt wird, um ein Bauteil bzw. Gussteil zu erzeugen. Dabei bilden die erste und zweite Seite gegenüberliegende Seiten des Körpers K.
Die Form F umfasst wenigstens einen Vorsprung und/oder wenigstens einen Rücksprung bezugnehmend auf eine den wenigstens einen Vorsprung und/oder Rücksprung umgebende Oberfläche der zweiten Seite. Der wenigstens eine Vor- und/oder Rücksprung bilden die äußere Form eines zu erstellenden Gussteiles. Dabei kann der wenigstens eine Vor- und/oder Rücksprung einen funktionalen Abschnitt des zu erstellenden Gussteiles bilden.
Des Weiteren weist die Werkzeughälfte wenigstens einen Kühlkanal zur Kühlung der Form F für ein zu erstellendes Gussteil auf. Somit kann ein in eine geschlossene Gus- form, bestehend aus mindestens zwei Werkzeughälften, eingespritzter Kunststoff schnell auf eine Temperatur gebracht werden, bei welcher der Kunststoff erhärtet und somit die Form hält.
Der wenigstens eine Kühlkanal verläuft im Inneren des Körpers K und weist variierende Abstände zur Form F oder zu wenigstens einem Vorsprung und/oder wenigstens einem Rücksprung der Form F auf. Der Abstand zwischen dem wenigstens einen Kühlkanal und der Oberfläche des wenigstens einen Vorsprungs der Form ist größer als der Abstand zwischen dem wenigstens einen Kühlkanal und der Oberfläche des wenigstens einem Rücksprungs der Form. Aufgrund der variierenden Abstände zum wenigstens einen Kühlkanal wird z. B. ein Vorsprung weniger gekühlt als ein Rücksprung. Der wenigstens eine Kühlkanal kann zwei oder drei oder mehr Abschnitte aufweisen, die jeweils einen geraden Verlauf aufweisen. Dieser ist leicht und kostengünstig herstellbar.
Die optional vorhandene mindestens eine Sensorkontaktierung kann innerhalb der Werkzeughälfte verlaufen und den Raum zwischen der mindestens einen Sensoreinheit und einer oder mehreren Auswerteeinrichtungen überbrücken, mit welcher z. B. die Dehnung und/oder Temperatur als Wert anzeigbar ist, die mittels der mindestens einen Sensoreinheit erfasst wird.
Dabei ist die mindestens eine Sensoreinheit und/oder die mindestens eine optionale Sensorkontaktierung im Raum oder im Abstand zwischen der Oberfläche der Form F und dem wenigstens einen Kühlkanal angeordnet. Auch kann die mindestens eine Sensoreinheit und/oder die mindestens eine optionale Sensorkontaktierung im Raum oder im Abstand zwischen der Oberfläche des wenigstens einen Vorsprungs und/oder Rücksprungs der Form und dem wenigstens einen Kühlkanal angeordnet sein. Zudem ist die mindestens eine Sensoreinheit und/oder die mindestens eine optionale Sensorkontaktierung im Raum oder im Abstand zwischen der Oberfläche der Form F und dem wenigstens einen Kühlkanal fixiert und mit dem übrigen Körper K verschmolzen. Die mindestens eine Sensoreinheit und/oder die mindestens eine optionale Sensorkontaktierung sind einstückig oder einteilig mit dem dreidimensionalen Körper K der Werkzeughälfte ausgebildet. Der gesamte dreidimensionale Körper K der Werkzeughälfte samt Sensoreinheit(en) und/oder optionalen Sensorkontaktierung(en) und/oder samt wenigstens einem Vorsprung der Form F und/oder wenigstens einem Rücksprung der Form F sind einstückig oder einteilig ausgebildet. Somit sind die den Körper K ergebenden Einheiten und Formen untrennbar miteinander verbunden.
Somit können Sensordaten, wie die Dehnung und/oder Temperatur, an einer derartigen kritischen Stelle, deren Abstand zum wenigstens einen Kühlkanal variiert, überwacht werden.
Des Weiteren weist die Werkzeughälfte mehrere Materialien auf, die einstückig oder einteilig ausgeführt bzw. ausgebildet sind. Dabei sind verschiedene metallische, keramische, glasartige oder polymere Werkstoffe miteinander kombinierbar.
Außerdem kann die Werkzeughälfte an ihrer Außenseite einen an der mindestens einen optionalen Sensorkontaktierung vorgesehenen Anschluss für eine Auswerteeinrichtung aufweisen, der weiterhin als Schnittstelle zur Sensoreinheit im Inneren des Körpers K ausgebildet ist, sodass mithilfe des Anschlusses Daten der Sensoreinheit empfangbar sind und/oder die Sensoreinheit mit Energie versorgbar ist. Die Aufgabe wird für das additive Fertigungsverfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 gelöst.
Das erfindungsgemäße additive Fertigungsverfahren zur Herstellung der Werkzeughälfte des Gusswerkzeuges weist die folgenden Schritte auf:
- Aufbringen einer Schicht pulverförmigen Materials auf einen Werkstückträger oder auf eine bereits vorhandene Schicht, um den Körper K sowie die mindestens eine Sensoreinheit, optional die mindestens eine Sensorkontaktierung der Werkzeughälfte zu erzeugen,
- wobei beim Aufbringen einer Schicht mehrere Pulver unterschiedlicher Werkstoffe selektiv nebeneinander in einer Ebene auftragbar sind, um eine Schicht aus mindestens einem Material oder eine Schicht aus zwei oder mehr Materialien zu bilden,
- selektives Schmelzen einzelner Bereiche der Schicht und/oder eines aufgebrachten Materials und/oder einer gesamten Schicht mithilfe eines Lasers,
- wobei nach dem selektiven Schmelzen einzelner Bereiche der Schicht und/oder eines Materials und/oder einer gesamten Schicht diese zu einer festen Materialschicht erstarren,
- Absenken des Werkstückträgers um den Betrag einer Schichtdicke der festen Materialschicht, und
- iteratives Wiederholen der obigen Schritte beginnend mit dem erneuten Aufbringen einer Schicht pulverförmigen Materials.
Das additive Fertigungsverfahren zur Herstellung der Werkzeughälfte eines Gusswerkzeuges umfasst die folgenden Schritte, wobei es sich beim additiven Fertigungsverfahren um ein schichtweises Erzeugen der Werkzeughälfte mittels eines Multimaterial-Druckverfahrens handelt.
Ein Schritt des Verfahrens umfasst ein Aufbringen einer Schicht pulverförmigen Materials auf einen Werkstückträger oder auf eine bereits vorhandene Schicht, um den Körper K der Werkzeughälfte zu erzeugen. Dabei kann die Schicht eine Schichtstärke oder Schichtdicke zwischen 15 und 500 pm aufweisen.
Beim Aufbringen einer Schicht können mehrere Pulver unterschiedlicher Werkstoffe selektiv aufgetragen werden, um eine Schicht mit einem Material oder eine Schicht mit zwei oder mehr Materialien zu bilden. Dies kann auch als sog. „Selective Powder De- position“-Verfahren bezeichnet werden.
Dabei kann ein Material wärmeleitfähig und ein weiteres Material elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Weiterhin kann ein elektrisch isolierendes Material eingesetzt werden.
Ein weiterer Schritt des Verfahrens umfasst ein selektives Schmelzen einzelner Bereiche und/oder eines aufgebrachten Materials und/oder einer gesamten bzw. aufgebrachten Schicht mithilfe eines Lasers. Somit können spezielle Bereiche und/oder Materialien vom pulverförmigen Zustand in einen verflüssigten Zustand überführt werden.
Nach dem selektiven Schmelzen einzelner Bereiche und/oder eines Materials und/oder einer gesamten Schicht erstarren diese zu einer festen Materialschicht. Dabei wird also - mit anderen Worten ausgedrückt - der in der Schicht aufgebrachte, pulverförmige Werkstoff bereichsweise oder vollständig mittels Laserstrahlung eines Lasers verflüssigt und dann durch Abkühlen verfestigt. Dieser Vorgang dient nicht nur dazu, das pulverförmige Material zu verfestigen, sondern auch dieses mit der darunter liegenden bereits festen Materialschicht zu verbinden, um so den Körper K weiter aufzubauen.
Anschließend umfasst ein weiterer Schritt des Verfahrens ein Absenken des Werkstückträgers um den Betrag einer Schichtdicke der festen Materialschicht.
Danach schließt sich als weiterer Schritt des Verfahrens ein iteratives Wiederholen der obigen Schritte beginnend mit dem erneuten Aufbringen einer Schicht pulverförmigen Materials an.
Das Aufbringen einer Schicht pulverförmigen Materials umfasst optional ein Erstellen mindestens einer Sensorkontaktierung. Die mindestens eine Sensorkontaktierung bildet mit anderen Worten ausgedrückt, eine elektrische Verbindung von mindestens einer Sensoreinheit hin zu einem Äußeren der Werkzeughälfte. Die mindestens eine Sensorkontaktierung wird insbesondere über im Multi-Material-Druckverfahren hergestellte Leiterbahnen aus Metall, insbesondere ummantelt von einer elektrischen Isolierung aus Keramik, ausgebildet. Diese gilt es schichtweise, entsprechend des Verfahrens, auszubilden. Das elektrisch leitfähige, pulverförmige Material, hier aus Metall, kann einen Teil oder einen streifenförmigen Teil der gesamten Sensorkontaktierung bilden. Weiterhin kann das Aufbringen einer Schicht pulverförmigen Materials ein Herstellen mindestens einer Sensoreinheit umfassen. Dabei wird beispielsweise elektrisch leitfähiges, pulverförmiges Material bereichsweise in der zu erstellenden Schicht als weiteres Material neben einem wärmeleitfähigen Material aufgebracht, um einen Teil einer elektrisch leitfähigen Sensoreinheit zu bilden.
Alternativ kann die mindestens eine Sensoreinheit auch drahtlos kontaktierbar sein. Die Sensoreinheit kann ähnlich einem NFC-Chip ausgebildet sein, der auf den Empfang von Energie in Erwiderung Informationen sendet.
Ferner kann beim Erstellen mindestens einer Sensorkontaktierung wenigstens ein Grenzbereich zu der mindestens einen Sensoreinheit so ausgebildet sein, dass diese/dieser eine Kontaktierung der mindestens einen Sensoreinheit über die Sensorkontaktierung gewährleistet. Anders formuliert, muss der wenigstens eine Grenzbereich so ausgestaltet sein, dass ein elektrischer Kontakt zur mindestens einen Sensoreinheit herstellbar ist, sodass Daten und/oder elektrische Energie übertragbar ist/sind.
Als letzter Schritt des Verfahrens kann die fertige Werkzeughälfte vom überschüssigen Pulver gereinigt werden, nach Bedarf bearbeitet oder sofort verwendet werden.
Ferner sei noch angemerkt, dass das additive Fertigungsverfahren ein Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), ein Binder Jetting oder ein druckunterstütztes Sintern sein oder umfassen kann.
Abschließend sei noch erwähnt, dass ein Gusswerkzeug ein Spritzgusswerkzeug oder ein Druckgusswerkzeug sein kann. Auch kann eine Gussmaschine eine Spritzgussmaschine oder ein Druckgussmaschine sein.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeughälfte eines Gusswerkzeuges; und Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht im Bereich der Sensoreinheit aus Figur 1 .
In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Gegenstände verwendet.
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeughälfte 1 eines Gusswerkzeuges.
Genauer dargestellt zeigt Figur 1 eine Werkzeughälfte 1 eines Gusswerkzeuges. Die Werkzeughälfte 1 kann für die Auswerferseite oder die Düsenseite einer Gussmaschine verwendet werden oder angepasst sein.
Dabei hat die Werkzeughälfte 1 einen dreidimensionalen Körper K zur Verbindung mit einer Aufspannplatte einer Gussmaschine. Die Werkzeughälfte 1 weist mehrere Materialien A, B auf und ist einstückig ausgeführt bzw. ausgebildet.
Zudem zeigt Figur 1 , dass die Werkzeughälfte 1 eine erste Seite 2 des Körpers K zur Verbindung mit einer Aufspannplatte einer Gussmaschine ausgebildet ist, wobei eine zweite Seite 3 des Körpers K eine Form F für ein zu erstellendes Gussteil aufweist. Die Form F kann einen Teil einer sog. Kavität in einem Gusswerkzeug bilden, in welches z. B. verflüssigter Kunststoff eingespritzt wird, um ein Bauteil bzw. Gussteil zu erzeugen. Dabei bilden die erste Seite 2 und die zweite Seite 3 gegenüberliegende Seiten des Körpers K.
Die Form F hat einen Vorsprung 4 und einen Rücksprung 5 bezugnehmend auf eine den Vorsprung 4 und den Rücksprung 5 umgebende Oberfläche E der zweiten Seite 3.
Ferner hat die Werkzeughälfte 1 einen Kühlkanal 6 zur Kühlung der Form F für ein zu erstellendes Gussteil. Dabei verläuft der Kühlkanal 6 im Inneren des Körpers K und hat variierende Abstände X, Y zur Form F oder zum Vorsprung 4 und zum Rücksprung 5 der Form F. Der Kühlkanal 6 weist drei Abschnitte auf, jeweils mit einem geraden Verlauf.
Konkreter geschildert ist der Abstand X zwischen dem Kühlkanal 6 und dem Vorsprung 4 der Form F größer als der Abstand Y zwischen dem Kühlkanal 6 und dem Rücksprung 5 der Form F. Der Kühlkanal 6 verläuft dabei bereichsweise parallel zur bezugnehmend auf eine den Vorsprung 4 und den Rücksprung 5 umgebende Oberfläche E.
Außerdem geht aus Figur 1 hervor, dass die Werkzeughälfte 1 eine Sensoreinheit 7 und eine Sensorkontaktierung 8 aufweist. Dabei sind die Sensoreinheit 7 und die Sensorkontaktierung 8 im Raum oder im Abstand X zwischen der Oberfläche des Vorsprungs 4 und dem Kühlkanal 6 angeordnet. Auch kann wobei die Sensoreinheit 7 o- der die Sensorkontaktierung 8 im Raum oder im Abstand Y zwischen der Oberfläche des Rücksprung 5 und dem Kühlkanal 6 angeordnet sein.
Ferner zeigt Figur 1 , dass die Werkzeughälfte 1 an ihrer Außenseite einen Anschluss 9 für eine Auswerteeinrichtung aufweist und als Schnittstelle zur Kontaktierung der Sensoreinheit 7 in ihrem Inneren fungiert, sodass mithilfe des Anschlusses 9 Daten der Sensoreinheit 7 empfangbar sind und/oder die Sensoreinheit 7 mit Energie versorgbar ist.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 wird nachstehend ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung der Werkzeughälfte 1 beschrieben. Dabei zeigt Figur 2 eine vergrößerte Ansicht aus Figur 1 im Bereich der Sensoreinheit 7.
Ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung einer Werkzeughälfte 1 eines Gusswerkzeuges kann einen komplexeren Aufbau einer Werkzeughälfte 1 realisieren.
Ein Schritt des Verfahrens umfasst ein Aufbringen einer Schicht 20-30 pulverförmigen Materials auf einen Werkstückträger W (gestrichelt angedeutet) oder auf eine bereits vorhandene Schicht, um einen Körper K der Werkzeughälfte 1 zu erzeugen Die Schicht 20-30 weist dabei eine Schichtdicke zwischen 15 und 500 pm auf.
Beim Aufbringen einer Schicht 20-30 können mehrere Pulver unterschiedlicher Werkstoffe A, B selektiv aufgetragen werden, um auf einer Ebene eine Schicht 20-24, 26- 30 mit einem Material A oder eine Schicht 25 mit zwei Materialien A, B nebeneinander zu bilden. Dies wird auch als sog. „Selective Powder Deposition“-Verfahren bezeichnet. Dabei ist das eine Material A wärmeleitfähig und das andere Material B elektrisch leitfähig ausgebildet.
Ein weiterer Schritt des Verfahrens umfasst ein selektives Schmelzen einzelner Bereiche und/oder des aufgebrachten Materials und/oder einer gesamten bzw. aufgebrachten Schicht mithilfe eines Lasers. Nach dem selektiven Schmelzen einzelner Bereiche und/oder eines Materials und/oder einer gesamten Schicht erstarren diese zu einer festen Materialschicht. Dabei wird also - mit anderen Worten ausgedrückt - der in der Schicht aufgebrachte, pulverförmige Werkstoff A, B bereichsweise oder vollständig mittels Laserstrahlung eines Lasers verflüssigt und verfestigt sich bei der Abkühlung. Dieser Vorgang dient nicht nur dazu, das pulverförmige Material A, B zu verfestigen, sondern auch dieses mit der darunter liegenden festen Materialschicht zu verbinden, um so den Körper K weiter aufzubauen.
Hieraufhin schließt sich ein Absenken des Werkstückträgers W um den Betrag einer Schichtdicke der festen Materialschicht an.
Danach findet ein iteratives Wiederholen der obigen Schritte statt, und zwar beginnend mit dem erneuten Aufbringen einer Schicht 20-30 pulverförmigen Materials.
Das Aufbringen einer Schicht 20-30, wie der Schicht 25, pulverförmigen Materials umfasst ein Erstellen einer Sensorkontaktierung 8. Beim Erstellen einer Sensorkontaktierung 8 oder beim Aufbringen einer Schicht 25 wird elektrisch leitfähiges, pulverförmiges Material B bereichsweise in der zu erstellenden Schicht 25 als weiteres Material neben einem weiteren, wärmeleitfähigen Material A aufgebracht (vgl. Schicht 25 in Figur 1 ), um einen Teil der elektrisch leitfähigen Sensorkontaktierung 8 zu bilden.
Das Aufbringen einer Schicht 20-30, wie der Schicht 26, pulverförmigen Materials umfasst zudem ein Herstellen einer Sensoreinheit 7. Je nach erforderlicher Sensorik wird diese aus unterschiedlichen elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Materialien schichtweise mit aufgebaut. Die Sensoreinheit 7 kann somit für diese Stelle Messdaten, wie Dehnung und/oder Temperatur, erzeugen / liefern / zur Verfügung stellen.
Wie schon erwähnt umfasst das Aufbringen einer Schicht 20-30 pulverförmigen Materials ein Erstellen einer Sensorkontaktierung 8, sodass eine Sensoreinheit 7 innerhalb der zu erstellenden Werkzeughälfte 1 kontaktierbar ist.
Beim Erstellen einer Sensorkontaktierung 8 wird elektrisch leitfähiges, pulverförmiges Material B in einem Bereich aufgebracht, der einen Grenzbereich G zu der zu erstellenden Sensoreinheit 7 bildet. Dabei bildet das elektrisch leitfähige, pulverförmige Material B einen Teil oder einen streifenförmigen Teil der gesamten Sensorkontaktierung 8 (vgl. Figur 2). Ferner ist beim Erstellen der Sensorkontaktierung 8 der Grenzbereich G so ausgebildet, dass dieser eine Kontaktierung der Sensoreinheit 7 gewährleistet. Dabei ist die Sensorkontaktierung 8 als Verbindung zu einer Sensoreinheit 7 ausgebildet, sodass mithilfe der Sensorkontaktierung 8 Daten der Sensoreinheit 7 empfangbar sind und die Sensoreinheit 7 mit Energie versorgbar ist.
Als letzter Schritt des Verfahrens wird die fertige Werkzeughälfte 1 vom überschüssigen Pulver gereinigt, nach Bedarf bearbeitet oder sofort verwendet.
Das vorgestellte additive Fertigungsverfahren kann ein Laser Powder Bed Fusion (L- PBF), ein Binder Jetting oder ein druckunterstütztes Sintern sein.
Bezuqszeichenliste
1 Werkzeughälfte
2 erste Seite des Körpers
3 zweite Seite des Körpers
4 Vorsprung
5 Rücksprung
6 Kühlkanal
7 Sensoreinheit
8 Sensorkontaktierung
9 Anschluss
20-30 Schichten
A Material A
B Material B
E Oberfläche der zweiten Seite
F Form
G Grenzbereich
K Körper
W Werkzeugträger
X Abstand
Y Abstand

Claims

Patentansprüche
1. Werkzeughälfte (1 ) eines Gusswerkzeuges aufweisend:
- einen dreidimensionalen Körper (K) zur Verbindung mit einer Aufspannplatte einer Gussmaschine,
- wobei eine erste Seite (2) des Körpers (K) zur Verbindung mit der Aufspannplatte der Gussmaschine ausgebildet ist,
- wobei eine zweite Seite (3) des Körpers (K) eine Kavität der Form (F) für ein zu erstellendes Gussteil aufweist,
- wobei die erste und zweite Seite (2, 3) gegenüberliegende Seiten des Körpers (K) bilden,
- wobei die Form (F) wenigstens einen Vorsprung (4) und/oder wenigstens einen Rücksprung (5) bezugnehmend auf eine den wenigstens einen Vorsprung (4) und/oder Rücksprung (5) umgebende Oberfläche (E) der zweiten Seite (3) aufweist,
- wenigstens einen Kühlkanal (6) zur Kühlung der Form (F) für ein zu erstellendes Gussteil,
- wobei der wenigstens eine Kühlkanal (6) im Inneren des Körpers (K) verläuft und im Bereich der Kavität zur zweiten Seite (3) bereichsweise parallel verläuft und variierende Abstände (X, Y) zur Form (F) im Bereich des wenigstens einen Vorsprungs (4) und/oder des wenigstens einen Rücksprungs (5) der Form (F) aufweist,
- wobei der Abstand (X) zwischen dem wenigstens einen Kühlkanal (6) und der Oberfläche des wenigstens einen Vorsprungs (4) der Form (F) größer ist als der Abstand (Y) zwischen dem wenigstens einen Kühlkanal (6) und der Oberfläche des wenigstens einen Rücksprungs (5) der Form (F),
- wobei die Werkzeughälfte (1 ) mindestens eine Sensoreinheit (7), optional weiterhin mindestens eine Sensorkontaktierung (8) für die Sensoreinheit (7), aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
- die mindestens eine Sensoreinheit (7), optional weiterhin die mindestens eine Sensorkontaktierung (8), zusammen mit dem Körper (K) in einem additiven Multimaterial-Druckverfahren unter Verwendung unterschiedlicher Materialien gebildet sind und die mindestens eine Sensoreinheit (7) in einem Raum unterhalb der Oberfläche der Form (F) in einem Bereich zwischen dem wenigstens einen Kühlkanal (6) und der zweiten Seite (3) angeordnet ist.
2. Werkzeughälfte (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- die mindestens eine Sensoreinheit (7) drahtlos kontaktierbar ist, oder dass
- die mindestens eine Sensoreinheit (7) mittels der mindesten einen Sensorkontaktierung (8) kontaktiert ist, die in Form mindestens einer gedruckten Leiterbahn ausgebildet ist.
3. Werkzeughälfte (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (K) aus mindestens einem elektrisch leitenden, metallischen Material additiv hergestellt ist und dass die mindestens eine Sensoreinheit (7) und die optional vorhandene mindestens eine Sensorkontaktierung (8) aus mindestens einem elektrisch leitenden, metallischen Material sowie mindestens einem elektrisch isolierenden Material über das additive Multi-Material-Druckverfahren einteilig hergestellt sind.
4. Werkzeughälfte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sensoreinheit (7) als Dehnungs- und/oder Temperatursensorik ausgestaltet ist.
5. Werkzeughälfte (1 ) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughälfte (1 ) an ihrer Außenseite einen an der mindestens einen Sensorkontaktierung (8) vorgesehenen Anschluss (9) für eine Auswerteeinrichtung aufweist, der weiterhin als Schnittstelle zur mindestens einen Sensoreinheit (7) im Inneren des Körpers (K) ausgebildet ist, sodass mithilfe des Anschlusses (9) Daten der mindestens einen Sensoreinheit (7) empfangbar sind und/oder die mindestens eine Sensoreinheit (7) mit Energie versorgbar ist.
6. Additives Fertigungsverfahren zur Herstellung der Werkzeughälfte (1 ) des Gusswerkzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweisend die folgenden Schritte: - Aufbringen einer Schicht (20-30) pulverförmigen Materials auf einen Werkstückträger (W) oder auf eine bereits vorhandene Schicht, um den Körper (K) sowie die mindestens eine Sensoreinheit (7), optional die Sensorkontaktierung (8), der Werkzeughälfte (1) zu erzeugen,
- wobei beim Aufbringen einer Schicht (20-30) mehrere Pulver unterschiedlicher Werkstoffe selektiv nebeneinander in einer Ebene auftragbar sind, um eine Schicht (20-30) aus mindestens einem Material oder eine Schicht (25) aus zwei oder mehr Materialien (A, B) zu bilden,
- selektives Schmelzen einzelner Bereiche der Schicht (20-30) und/oder eines aufgebrachten Materials und/oder einer gesamten Schicht mithilfe eines Lasers,
- wobei nach dem selektiven Schmelzen einzelner Bereiche der Schicht (20-30) und/oder eines Materials und/oder einer gesamten Schicht diese zu einer festen Materialschicht erstarren,
- Absenken des Werkstückträgers (W) um den Betrag einer Schichtdicke der festen Materialschicht, und
- iteratives Wiederholen der obigen Schritte beginnend mit dem erneuten Aufbringen einer Schicht (20-30) pulverförmigen Materials.
7. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 6,
- wobei das Aufbringen einer Schicht (20-30) pulverförmigen Materials ein Erstellen der mindestens einen Sensoreinheit (7), optional der mindestens einen Sensorkontaktierung (8), umfasst,
- wobei beim Erstellen der mindestens einen Sensorkontaktierung (8) oder beim Aufbringen einer Schicht, elektrisch leitfähiges, pulverförmiges Material (B) bereichsweise in der zu erstellenden Schicht (24) als weiteres Material neben einem wärmeleitfähigen Material (A) aufgebracht wird, um einen Teil einer elektrisch leitfähigen Sensorkontaktierung (8) zu bilden,
- oder wobei beim Erstellen mindestens einer Sensoreinheit (7) oder beim Aufbringen einer Schicht, elektrisch leitfähiges, pulverförmiges Material (B) bereichsweise in der zu erstellenden Schicht (24) als weiteres Material neben einem wärmeleitfähigen Material (A) aufgebracht wird, um einen Teil mindestens einer Sensoreinheit (7) zu bilden.
8. Additives Fertigungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 oder 7,
- wobei das Aufbringen einer Schicht (20-30) pulverförmigen Materials ein Erstellen der mindestens einen Sensorkontaktierung (8) umfasst, sodass die mindes- tens eine Sensoreinheit (7) innerhalb der zu erstellenden Werkzeughälfte (1 ) kontaktierbar ist, und
- wobei beim Erstellen der mindestens einen Sensorkontaktierung (8) elektrisch leitfähiges, pulverförmiges Material (B) in einem Bereich aufgebracht wird, der wenigstens einen Grenzbereich (G) zu der zu erstellenden mindestens einen Sensoreinheit (7) ausbildet.
9. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 8,
- wobei die mindestens eine Sensorkontaktierung (8) als Verbindung zu mindestens einer Sensoreinheit (7) ausgebildet ist, sodass mithilfe der mindestens ei- nen Sensorkontaktierung (8) Daten der mindestens einen Sensoreinheit (7) empfangen werden und/oder die mindestens eine Sensoreinheit (7) mit Energie versorgt wird.
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