WO2000032327A2 - Blechumformungswerkzeug und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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WO2000032327A2
WO2000032327A2 PCT/EP1999/009758 EP9909758W WO0032327A2 WO 2000032327 A2 WO2000032327 A2 WO 2000032327A2 EP 9909758 W EP9909758 W EP 9909758W WO 0032327 A2 WO0032327 A2 WO 0032327A2
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Rudolf Meyer
Michael Eichmann
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B29C2033/385—Manufacturing moulds, e.g. shaping the mould surface by machining by laminating a plurality of layers

Definitions

  • the invention relates to a method for producing sheet metal forming tools and the sheet metal forming tool itself.
  • the basic process sequence for sheet metal forming without heating is that a sheet metal is inserted between a shape-storing / imaging sheet metal forming tool, which consists of an upper and a lower tool, that an external force is applied to the forming tool and / or the forming starting part , the flow of the material and its plastic deformation is brought into the shape given by the tool shape.
  • a shape-storing / imaging sheet metal forming tool which consists of an upper and a lower tool, that an external force is applied to the forming tool and / or the forming starting part , the flow of the material and its plastic deformation is brought into the shape given by the tool shape.
  • curved starting materials such as pipes, hollow profiles, etc. can also be used.
  • hot rolled sheets or strips thickness 3 to 16 mm; cold-rolled sheet or strip, thickness ⁇ 3 mm; Thin sheets, thickness 0.49 to 0.15 mm.
  • the materials used for the active forming tool elements (punch and die) and the fixing auxiliary elements (hold-down device, workpiece holder) are traditionally mainly high-strength steel materials, e.g. Tool steels.
  • Steel materials offer an ideal prerequisite for being able to cope with a wide variety of stresses through the choice of material compositions that meet the stress requirements and the combination of appropriate alloys.
  • Targeted heat treatment, mostly between the mechanical processes of tool processing and surface finishing, are other processes in the process chain that improve the properties.
  • Tool contours are primarily dependent on their geometric or shape complexity. Simple forms are usually made mechanically by turning and milling. More complicated shapes have to be created by milling. With simple shapes, the tool drawing serves as a template and the quality of the processing depends on the ability of the processor. More complicated forms are either taken from a physical basic or sample model that has to be created first, or processing is possible via the CAD / CA programs if appropriate technology is available. Numerically controlled machine tools are used, whereby the control programs for these NC / CNC machines have to be adjusted separately. Metal tools of this type have a high density and static strength, so that the deformation loads do not cause any noteworthy upsetting of the tool and the associated geometric deviations of the sheet metal part to be formed, and also achieve a long service life. The development and manufacture of sheet metal forming tools, however, require a lot of time and money.
  • Sheet metal forming is one of the dynamic industrial production branches of vehicle construction, mechanical engineering, electrical engineering and electronics, however also in other economic sectors.
  • the automotive industry in particular is trying to meet the constraints of the economical use of energy and raw materials using forming processes with high productivity to dampen the rise in costs.
  • These efforts are particularly evident in the implementation of optimized lightweight construction and thus the greater use of raw materials made from sheet metal.
  • the premises In an effort to meet the requirement profile, the premises must be fulfilled faster and more cost-effectively with the same or better quality. This leads to the need to significantly shorten the process chain up to the introduction of a product.
  • the shorter innovation cycles result in a shorter product lifespan and thus a decrease in the number of series. This results in the need for short-term changes, ie small series are increasing in importance.
  • the long service life of the existing, traditionally manufactured tools is not sufficiently exhausted under these conditions, and the effort required to produce them is then not appropriate, but rather excessive.
  • the invention is therefore based on the object of creating a method for producing sheet metal tools and the sheet metal tool itself, which cause lower production outlay and costs, but nevertheless have full functionality for a limited number of items.
  • rapid prototyping methods about 20 different so-called rapid prototyping methods are known, with which physical prototypes are built up layer by layer directly from three-dimensional CAD data models.
  • These rapid prototyping processes also include the so-called LOM process (Laminated Object Manufacturing) and selective laser sintering (SLS).
  • LOM process Layer of solid materials to be unwound from a roll, such as paper or plastic films, which are provided with an adhesive on the underside, are bonded to one another by means of pressure and heat.
  • a laser cuts out the material per layer where contours are to be created.
  • powdered metal materials are processed in the layer principle and sintered / solidified in layers by using a laser.
  • tools and molds made of metal can now be built in the prior art, using a copper / nickel or also a chrome / nickel / steel granulate.
  • Laser sintering of sand molds is also known.
  • the LOM process is preferably used in model making.
  • the object of the invention is achieved according to the method by the features of the main claim and by a sheet metal forming tool with the features of the independent claim.
  • the advantages of the method according to the invention lie in particular in the rapid and inexpensive production of the sheet metal forming tool, even with geometrically complicated bodies. This can quickly respond to customer requests and changes
  • the geometric deviations due to the influence of the different forming forces can be taken into account.
  • Three-dimensional CAD solid models are used to manufacture the sheet metal tools.
  • the model surface is created using mathematical methods, e.g. Triangular or triangulation method, described in terms of coordinates.
  • the 3D volume model data are generated either directly and directly by 3D CAD modeling of the sheet metal tool or indirectly by 3D CAD modeling of the sheet metal part to be produced and subsequent 3D tool model data generation.
  • the 3D volume model data is generated in whole or in part by scanning, measuring and / or scanning the existing tool body model and subsequent 3D CAD model data preparation and surface feedback, or by scanning, measuring and / or scanning the existing sheet metal part model and subsequent ones 3D CAD model data preparation of the sheet metal forming tool generated. Process and machine-specific parameters such as sheet thickness, drawing gap width, etc. are taken into account.
  • this is three-dimensional volume model of the tool divided into individual volume elements (slices), namely xy cross-sections with fixed or variable z-coordinate dimensions, the resulting contour coordinates and the position of the layer volume being determined and stored in a control device and for controlling a trackable laser or another Cutting device can be used.
  • a lamination process according to the known LOM process is used.
  • a roll is provided on which a sheet material that can be unwound is rolled up with a one-sided heat-sensitive adhesive layer. Paper or
  • Paper films and plastic films which can be fiber-reinforced, are used.
  • Glass fiber reinforced epoxy film may be mentioned as an example of the plastic film, but other plastics may also be used instead of the epoxy.
  • the adhesive layer is, for example, a polyethylene or a material containing polyethylene.
  • the sheet-like material is unrolled from the roll and glued to existing layers using a heated pressure roll.
  • the sheet metal forming tool is produced by selective laser sintering.
  • a plastic granulate or plastic powder which preferably contains polyamide, is filled in layers into a cylindrical working space by a roller, which is closed at the bottom by a movable stamp, which is lowered in accordance with the layer thickness of the respective volume element. The level distributed by the roller
  • Layer of plastic powder is heated to below the melting point.
  • a laser beam guided by a mechanical scanner heats the powder locally to the sintering temperature and, controlled by the data from the control device, sweeps the entire area lying within the contour of the respective volume element.
  • the individual tool layers are produced step by step, the tool being produced being supported during the manufacturing process by the uncured powder, which can be reused for the following processes.
  • the tool blank produced in this way can basically be used as a sheet metal forming tool, especially if the compressibility of the tool has been taken into account when determining the three-dimensional coordinate data, i.e. if the tool material compresses due to limited density, the compression factor or compression factor depending on the forming force and the distribution of forces , depends on the size of the workpiece, the type of workpiece to be pressed and the like. Because of this compression, a geometrical deviation would occur in the tool, ie a comparison of a tool with the same geometrical design according to the method according to the invention would lead to sheet metal parts with other than desired geometric features in sheet metal forming. This is taken into account by the fact that the sheet metal forming tool is built “larger” from the outset, with “compression factors”, which take account of different parameters leading to compression, have to be determined beforehand and have to be included in the coordinates.
  • Another possibility for reducing the compressibility lies in the solidification of the tool body produced by laser sintering or by lamination. This can be done, for example, by soaking and / or infiltrating the tool body with liquid chemical substances, such as resins or the like, which penetrate into the tool body and then harden. In the case of the tool body produced in the lamination process, the chemical substance will not completely penetrate the tool body, but will only penetrate the tool a few millimeters, so that an edge zone consolidation is formed. With the tool body produced in the sintering process, infiltration through the entire body is possible.
  • the hardening substances which can also be in powder form, can also be brought into the tool body by other types of introduction.
  • Another embodiment of the solidification of the tool body consists in the stiffening by means of reinforcements.
  • Such reinforcements can be implemented, for example, in the form of wires, grids or rods, which are introduced during the lamination and sintering process or which are subsequently drawn into the finished tool body.
  • wires or grids or braids are placed between or in the layers and are glued to them.
  • Rods can preferably be subsequently drawn in, holes being drilled into the tool body, into which rods or similar stiffening material are introduced using a liquid adhesive or synthetic resin. The adhesive connects the stiffening material to the tool body.
  • the friction between the forming tool and the sheet has a significant influence on the tool life. Since the material used for the tool body inherently has greater friction, it could have a negative effect on the flow of the workpiece. Therefore, the surface, ie the forming surface of the tool is advantageously smoothed. This can be done by mechanical surface treatment, for example by lubrication, grinding, polishing or the like.
  • sealing is also sensible to seal the forming surfaces of the tool and thereby improve the surface, the sealing being particularly useful because the material layers of the lamination process, especially the paper layers, can swell under the influence of moisture, which changes the tool geometry could.
  • the “sealing” can be realized by priming, infiltrating or painting or the like.
  • a coating of the forming surface of the tool is also conceivable, in which a thin metal layer is applied using low-temperature coating processes (approx. 80 to 150 ° C), whereby an extremely smooth surface is produced and the wear resistance is improved.
  • the sheet metal forming tool can be produced using the method described above as a block tool, but also as a modular tool. In the latter, the complete tool is composed of individual mold inserts and / or segments, which can be produced with the method described above as a laminate body or sintered body.
  • the method according to the invention can also be used for composite tools, which consists of a shape-storing / imaging shell, which is completed by a fixed rear end or a fixed backing.
  • the cost can be reduced in that the shape-storing tool shell, which has actual sheet metal parts to be formed, is produced by means of a laminating or sintering process, while the underlying tool body is formed from an inexpensive and quickly processable material.
  • Metal foams in particular appear to be here, for example

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Blechumformungswerkzeugen vorgeschlagen, bei dem ausgehend von einem dreidimensionalen Volumenmodell des Blechumformungswerkzeuges die dreidimensionalen Koordinaten der Modelloberfläche erzeugt werden, das Volumenmodell in Schichten zerlegt wird und für die Volumenelemente unter Verwendung der dreidimensionalen Koordinaten der Modelloberfläche die jeweiligen Konturkoordinaten bestimmt werden. Dabei werden entweder Schichten aus Papier und/oder Kunststofffolien nacheinander übereinander geklebt und jeweils die den Volumenelementen entsprechenden Schichten mittels eines Schneidwerkzeuges geschnitten, oder Kunststoffpulver wird entsprechend den Volumenelementen schichtweise gleichmäßig verteilt in einen Arbeitsraum gefüllt und durch einen über die Kunststoffpulverschicht geführten Laserstrahl versintert und mit der vorhergehenden versinterten Schicht verbunden. Das Schneidwerkzeug oder der Laserstrahl werden zum Versintern von den den jeweiligen Volumenelementen zugeordneten Konturkoordinaten gesteuert.

Description

Blechumformungswerkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Blechumformungswerkzeugen und das Blechumformungswerkzeug selbst .
Der grundlegende Verfahrensablauf bei der Blechumformung ohne Erwärmung liegt darin, daß ein Blech zwi- sehen ein formspeicherndes/abbildendes Blechumformungswerkzeug, das aus einem Ober- und einem Unterwerkzeug besteht, eingelegt wird, daß eine äußere Kraft auf das Umformwerkzeug und/oder das Umformausgangsteil aufgebracht wird, die das Fließen des Materials und seine plastische Verformung in die durch die Werkzeug-Form vorgegebene Gestalt gebracht wird. Neben den ebenen Ausgangsmaterialien/ d.h. Blechen im herkömmlichen Sinne, können auch gebogene Ausgangsmaterialien, wie Rohre, Hohlprofile u.a., verwendet werden. In der Umformtechnik werden die eingesetzten Ausgangsmaterialien neben ihrer werkstofflichen Gruppierung entsprechend ihrer Herstellung und Eigenschaften zu unterschiedlichen Stählen (Baustähle, hoch- und höchstfeste Stähle, Vergütungsstähle, usw.) und Nichteisenmetallen
(Aluminium und Aluminium-Legierungen, Nickel und Nickel-Legierungen, usw.) weiterhin entsprechend ihrer Dicke unterschieden, nämlich in:
warmgewalzte Bleche oder Bänder, Dicke 3 bis 16 mm; kaltgewalzte Feinbleche oder Bänder, Dicke < 3 mm; Feinstbleche, Dicke 0,49 bis 0,15 mm.
Die verwendeten Werkstoffe der aktiven Umformwerk- zeugelemente (Stempel und Matrize) und der fixierenden Hilfselemente (Niederhalter, Werkstückaufnahme) sind traditionell hauptsächlich höherfeste Stahlwerkstoffe, z.B. Werkzeugstähle. Stahlwerkstoffe bieten eine ideale Voraussetzung, den unterschied- lichsten Beanspruchungen durch die Wahl von beanspruchungsgerechten Materialzusammensetzungen und die Kombination entsprechender Legierungen gerecht zu werden. Gezielte Wärmebehandlung, zumeist zwischen den mechanischen Prozessen der Werkzeugbearbeitung und Oberflächenveredelungen sind weitere Verfahren der Prozeßkette, die eine Verbesserung der Eigenschaften bewirken.
In der Phase der Entwicklung der Blechumformwerkzeuge bis zu Erreichung ihrer Serienreife kommen zur
Senkung der Entwicklungsaufwände häufig auch andere preiswerte Werkzeugwerkstoffvarianten, z.T. nichtmetallische Werkstoffe zur Anwendung, deren Herstellungsprozesse wegen der Realisierung formspeichernder Werkzeugkonturen aber ähnlich aufwendig sind wie die der Serienwerkzeuge.
Die Art der Herstellung der formspeichernden
Werkzeugkonturen ist vor allem abhängig von deren geometrischer bzw. Formkompliziertheit. Einfache Formen werden in der Regel mechanisch durch Drehen und Fräsen hergestellt. Kompliziertere Formen müssen durch Formfräsen erzeugt werden. Als Vorlage dient bei einfachen Formen die Werkzeugzeichnung und die Qualität der Bearbeitung ist von der Fähigkeit des Bearbeiters abhängig. Kompliziertere Formen werden entweder von einem körperlichen Grund- bzw. Muster- modell, welches erst erzeugt werden muß, abgegriffen oder die Bearbeitung ist bei Vorhandensein entsprechender Technik über CAD/CA -Programme möglich. Dabei werden numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen verwendet, wobei die Steuerprogramme für diese NC/CNC-Maschinen separat verstellt werden müssen. Derartige Metallwerkzeuge weisen eine hohe Dichte und statische Festigkeit, so daß die Umformbelastungen keine nennenswerte Stauchungen des Werkzeuges und damit verbundene geometrische Ab- weichungen des umzuformenden Blechteils verursachen sowie das Erreichen einer hohen Lebensdauer auf. Die Entwicklung und Herstellung von Blechumformwerkzeugen bedingen allerdings einen hohen Zeit- und Kostenaufwand.
Die Blechumformung gehört zu den dynamischen industriellen Produktionszweigen des Fahrzeugbaus, Maschinenbaus, Elektrotechnik und Elektronik, jedoch auch in anderen Wirtschaftsbereichen. Insbesondere die Automobilindustrie versucht den Zwängen einer wirtschaftlichen Verwendung von Energie und Rohstoffen unter Nutzung von umformenden Verfahren mit hoher Produktivität zur Dämpfung des Kostenanstiegs gerecht zu werden. Diese Bemühungen sind besonders in der Verwirklichung eines optimierten Leichtbaus und damit der stärkeren Anwendung von Ausgangsmaterialien aus Blech zu erkennen. In dem Bemühen, dem Anforderungs- profil gerecht zu werden, müssen die Prämissen schneller und kostengünstiger bei gleicher oder besserer Qualität erfüllt werden. Hieraus leitet sich die Notwendigkeit ab, die Prozeßkette bis zur Einführung eines Produktes deutlich zu verkürzen. Weiterhin ziehen die kürzer werdenden Innovationszyklen eine kürzere Produktlebensdauer und damit eine sinkende Serienstückzahl nach sich. Daraus resultiert die Notwendigkeit von kurzfristigen Änderungen, d.h. Kleinserien steigen in ihrer Bedeutung. Die hohe Lebensdauer der vorhandenen, traditionell gefertigten Werkzeuge wird unter diesen Bedingungen nicht ausreichend erschöpft und der zur Erzeugung aufgebrachte Aufwand ist dann nicht angemessen sondern deutlich überzogen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Blechwerkzeugen und das Blechwerkzeug selbst zu schaffen, die geringere Herstellungsaufwände und -kosten verursachen, dennoch aber für eine begrenzte Fertigungsstückzahl die volle Funktionalität aufweisen. Im Stand der Technik sind etwa 20 unterschiedliche, sogenannte Rapid-Prototyping-Verfahren bekannt, mit denen schichtweise körperliche Prototypen unmittelbar aus dreidimensionalen CAD-Datenmodellen aufgebaut werden. Zu diesen Rapid-Prototyping-Verfahren zählen auch das sogenannte LOM-Verfahren (Laminated Object Manufacturing) und das selektive Lasersintern (SLS) . Bei dem LOM-Verfahren werden schichtenweise feste, von einer Rolle abzuwickelnde Materialien wie Papier oder Kunststoffolien, die auf der Unterseite mit einem Kleber versehen sind, mittels Druck und Hitze aufeinander verklebt. Danach schneidet ein Laser das Material jeweils pro Schicht dort aus, wo Konturen entstehen sollen. Bei dem selektiven Lasersintern werden pulverförmige Metallwerkstoffe im Schichtenprinzip verarbeitet und schichtenweise durch Lasereinsatz versintert/verfestigt. Über das selektive Lasersintern lassen sich mittlerweile im Stand der Technik Werkzeuge und Formen aus Metall aufbauen, wobei ein Kupfer/Nickel- oder auch ein Chrom/Nickel/ Stahl-Granulat verwendet wird. Auch ist das Lasersintern von Sandformen bekannt. Das LOM-Verfahren wird vorzugsweise im Modellbau eingesetzt.
Diese an sich bekannten Rapid-Prototyping-Verfahren können zur Lösung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß dem Verfahren durch die Merkmale des Hauptanspruchs und durch ein Blechumformungswerkzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst . Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen insbesondere in der schnellen und preiswerten Erzeugung des Blechumformungswerkzeuges auch bei geometrisch komplizierten Körpern. Dadurch kann schnell auf Kundenwünsche und geänderte
Marktsituationen reagiert werden. Weiterhin werden die Prozeßstufen reduziert und die wirtschaftlichen Grenzstückzahlen für die Blechumformung gesenkt . Durch die Ausnutzung von relativ großen Bauräumen können größere Werkzeuge aus einem Stück hergestellt werden. Weiterhin können preiswerte Nichtmetall- Werkstoffe eingesetzt werden.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Durch Einberechnung der Kompressibilität des Blechumformungswerkzeuges im fertigen Zustand, beispiels- weise durch Stauchfaktoren in die Ausgangsdaten, können die geometrischen Abweichungen aufgrund des Einflusses der unterschiedlichen Umformkräfte berücksichtigt werden.
Durch Nachbearbeitung der Oberflächen, bzw. durch
Oberflächenveredelung, werden die Fertigungstoleranzen verbessert, die geometrische Abbildung stabilisiert und die Standzeit erhöht. Die Lebensdauer des Blechumformwerkzeuges wird gleich- falls durch Armierungen erhöht, die während der Fertigung oder in einem weiteren Prozeßschritt eingesetzt bzw. eingezogen werden. Vorteilhafterweise können sowohl Blockwerkzeuge als auch modulare Werkzeuge und Verbundwerkzeuge mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Blechumformungswerkzeuges erläutert .
Zur Herstellung der Blechwerkzeuge wird von dreidimensionalen CAD-Volumenmodellen ausgegangen. Die Modelloberfläche wird mittels mathematischer Methoden, z.B. Dreieck- bzw. Triangulationsverfahren, koordinatenmäßig beschrieben.
Die 3D-Volumenmodelldaten werden entweder unmittelbar und direkt durch 3D-CAD-Modellierung des Blechwerkzeuges oder mittelbar durch 3D-CAD-Modellierung des herzustellenden Blechumformteils und nachfolgende 3D-Werkzeugmodelldatengenerierung erzeugt .
Wenn körperliche Modelle vorhanden sind, werden die 3D-Volumenmodelldaten komplett oder teilweise durch Abtasten, Vermessen und/oder Scannen des vorhandenen Werkzeugkörpermodells und nachfolgender 3D-CAD- Modelldatenaufbereitung und Flächenrückführung erzeugt bzw. durch Abtasten, Vermessen und/oder Scannen des vorhandenen Blechumformteilkörpermodells und nachfolgende 3D-CAD-Modelldatenaufbereitung des Blechumformwerkzeuges erzeugt. Dabei werden verfah- rens- und maschinenspezifische Parameter, wie Blechdicke, Ziehspaltbreite, usw. berücksichtigt. Mit bekannten Berechnungsverfahren, die bei den Rapid- Prototyping-Systemen verwendet werden, wird das dreidimensionale Volumenmodell des Werkzeuges in einzelne Volumenelemente (Slices) , nämlich x-y Querschnitte mit fester oder variabler z-Koordinatenausdehnung zerlegt, wobei die dadurch entstehenden Kon- turkoordinaten und die Lage des Schichtvolumens bestimmt und in einer Steuervorrichtung gespeichert und zur Steuerung eines nachführbaren Lasers oder einer anderweitigen Schneideinrichtung verwendet werden.
Entsprechend der einen Alternative der Erfindung wird ein Laminierverfahren entsprechend dem bekannten LOM- Verfahren verwendet. Dabei ist eine Rolle vorgesehen, auf der ein abwickelbares Bogenmaterial mit einer einseitigen hitzeempfindlichen Kleberschicht auf- gerollt ist. Als Bogenmaterial wird Papier bzw.
Papierfolien und Kunststoffolien, die faserverstärkt sein können, verwendet. Als Beispiel für die Kunststoffolien sei glasfaserverstärkte Epoxidfolie genannt, anstelle des Epoxids können jedoch auch andere Kunststoffe verwendet werden. Die einseitige
Kleberschicht ist beispielsweise ein Polyethylen bzw. ein polyethylenenthaltendes Material .
Das bogenartige Material wird von der Rolle abgerollt und mittels einer beheizten Andruckrolle auf schon vorhandene Schichten aufgeklebt. Ein von einer Lasereinrichtung ausgesandter Laserstrahl oder einer anderweitigen Schneideinrichtung, die von der die Konturkoordinaten der Volumenelemente enthaltenden Steuervorrichtung gesteuert wird, schneidet die jeweilige Materialschicht entsprechend den Werkzeugkonturen aus. Selbstverständlich können auch andere Laminierverfahren angewandt werden. In einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens wird das Blechumformungswerkzeug durch selektives Lasersintern hergestellt. Dabei wird ein Kunststoff- granulat oder Kunststoffpulver, die vorzugsweise Polyamid beinhalten, schichtenweise in einen zylinderförmigen Arbeitsraum von einer Walze eingefüllt, der nach unten von einem beweglichen Stempel abgeschlossen ist, der jeweils entsprechend der Schichtdicke des jeweiligen Volumenelementes ab- gesenkt wird. Die von der Walze verteilte ebene
Schicht des Kunststoffpulvers wird bis unterhalb des Schmelzpunktes erhitzt. Ein über einen mechanischen Scanner geführter Laserstrahl erhitzt das Pulver lokal auf Sintertemperatur und überstreicht, von den Daten der Steuereinrichtung gesteuert, die gesamte, innerhalb der Kontur des jeweiligen Volumenelementes liegende Fläche. Durch Absenken des Stempels werden die einzelnen Werkzeugschichten schrittweise erzeugt, wobei das entstehende Werkzeug während des Herstell- Vorganges durch das nicht verhärtete Pulver gestützt wird, das für folgende Prozesse wiederverwendet werden kann.
Der so hergestellte Werkzeugrohling ist grundsätzlich als Blechumformungswerkzeug einsetzbar, insbesondere dann wenn die Kompressibilität des Werkzeuges bei der Ermittlung der dreidimensionalen Koordinatendaten berücksichtigt wurde, d.h. daß sich das Werkzeugmaterial aufgrund begrenzter Dichte zusammenpreßt, wobei der Verdichtungsfaktor bzw. Stauchungsfaktor abhängig von der Umformkraft, von der Kräfteverteilung, von der Größe des Werkstücks, von der Art des zu pressenden Werkstücks und dergleichen abhängt. Aufgrund dieser Stauchung würde eine geometrische Abweichung im Werkzeug auftreten, d.h. einem Vergleich zum Metallwerkzeug geometrisch gleich gestaltetes Werkzeug nach dem erfindungsgemäßen Verfah- ren würde bei Blechumformung zu Blechteilen mit anderen als gewünschten geometrischen Merkmalen führen. Dieses wird dadurch berücksichtigt, daß von vornherein das Blechumformungswerkzeug "größer" gebaut wird, wobei "Stauchfaktoren", die unterschied- liehen zur Stauchung führenden Parameter berücksichtigen, vorher ermittelt werden müssen und in die Koordinaten miteingerechnet werden müssen.
Eine andere Möglichkeit zur Verringerung der Kompres- sibilität liegt in der Verfestigung des durch Lasersintern oder durch Laminierung hergestellten Werkzeugkörpers. Dies kann beispielsweise durch Tränken und/oder Infiltrieren des Werkzeugkörpers mit flüssigen chemischen Substanzen, wie Harzen oder dergleichen geschehen, die in den Werkzeugkörper eindringen und dann aushärten. Dabei wird bei dem im Laminierverfahren hergestellten Werkzeugkörper die chemische Substanz nicht den Werkzeugkörper vollständig durchdringen, sondern sie wird nur einige Milli- meter in das Werkzeug eindringen, so daß sich eine Randzonenverfestigung bildet. Bei dem im Sinterverfahren hergestellten Werkzeugkörper ist ein Infiltrieren durch den gesamten Körper möglich.
Die härtenden Substanzen, die auch pulverförmig sein können, können auch durch andere Einbringungsarten in den Werkzeugkörper gebracht werden. Eine weitere Ausführungsform der Verfestigung des Werkzeugkörpers besteht in der Versteifung durch Armierungen. Solche Armierungen können beispielsweise in Form von Drähten, Gittern oder Stäben realisiert sein, die während des Laminier- und Sinterverfahrens eingebracht oder nachträglich am fertigen Werkzeugkörper eingezogen werden. Während des Herstellungsverfahrens des Werkzeugkörpers ist es denkbar, daß Drähte oder Gitter bzw. Geflechte zwischen, bzw. in die Schichten eingelegt werden und mit diesen verklebt werden. Nachträglich können vorzugsweise Stäbe eingezogen werden, wobei in den Werkzeugkörper Löcher gebohrt werden, in die Stäbe oder ähnliches Versteifungsmaterial mit einem flüssigen Kleber bzw. Kunstharz eingeführt werden. Der Kleber verbindet das Versteifungsmaterial mit dem Werkzeugkörper.
Selbstverständlich ist auch eine Kombination aller Verstärkungsmöglichkeiten anwendbar, wobei zusätzlich die dann geringere Kompressibilität durch entsprechend verringerte Stauchungsfaktoren berücksichtigt werden kann. Wie schon oben ausgeführt, beeinflußt die Reibung zwischen Umformwerkzeug und Blech wesentlich die Standzeiten des Werkzeuges. Da das verwendete Material für den Werkzeugkörper von Haus aus eine größere Reibung aufweist, könnte sie das Fließen des Werkstücks negativ beeinflussen. Daher wird vorteilhafterweise die Oberfläche, d.h. die Umformfläche des Werkzeugs geglättet. Dies kann durch mechanische Oberflächenbearbeitung, beispielsweise durch Schmiergeln, Schleifen, Polieren oder dergleichen, geschehen. Bei einem durch Lasersintern hergestellten Werkzeug, das im Urzustand wegen des verwendeten versinterten Pulvers eine entsprechende Körnigkeit der Oberfläche aufweist, kann diese durch ein chemisches Mittel, z.B. einem Kleber u.a., aufgefüllt werden, die zunächst flüssig sind und dann aushärten, wodurch sich die Poren der Oberfläche schließen. Auch hier kann nachträglich noch mechanisch geglättet werden.
Es ist jedoch auch sinnvoll, die Umformflächen des Werkzeuges zu versiegeln und dadurch die Oberfläche zu verbessern, wobei die Versiegelung insbesondere deshalb sinnvoll ist, weil die Materialschichten des Laminierverfahrens, vor allem die Papierschichten unter dem Einfluß von Feuchtigkeit quellen können, wodurch sich die Werkzeuggeometrie verändern könnte. Die "Versiegelung" kann durch Grundieren, Infiltrieren oder Lackieren oder dergleichen realisiert werden .
Schließlich ist auch eine Beschichtung der Umformfläche des Werkzeuges denkbar, bei der durch den Einsatz von Niedrigtemperaturbeschichtungsverfahren (ca. 80 bis 150 °C) eine Metalldünnschicht aufgebracht wird, wobei eine extrem glatte Oberfläche hergestellt wird und die Verschleißfestigkeit verbessert wird.
Das Blechumformungswerkzeug kann mit dem oben beschriebenen Verfahren als Blockwerkzeug, aber auch als modulares Werkzeug hergestellt werden. Bei letzterem wird das Gesamtwerkzeug aus einzelnen Formeinsätzen und/oder -Segmenten zusammengesetzt, die mit dem oben beschriebenen Verfahren als Laminatkörper oder Sinterkörper hergestellt werden.
Auch ist das erfindungsgemäße Verfahren für Ver- bundwerkzeuge anwendbar, die aus einer formspeichernden/-abbildenden Schale besteht, die durch einen festen Hinterbau bzw. eine feste Hinterfütterung komplettiert wird. Dabei können die Kostenaufwendungen dadurch reduziert werden, daß die formspeichernde Werkzeugschale, die wirklichen, umzuformenden Blechteile aufweist, mittels Laminier- bzw. Sinterverfahren hergestellt wird, während der dahinterliegende Werkzeuggrundkörper aus einem billigen und schnell verarbeitbaren Material geformt wird. Hier scheinen sich insbesondere Metallschäume, beispiels-weise
Aluminium-Granulat mit einem flüssigen Binder, der nach ca. 1 Tag aushärtet, sowie sogenannter Polymerbeton, ein spezielles Baustoffgranulat mit einem flüssigen Binder, der auch ca. 1 Tag für die Aushärtung benötigt, anzubieten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Blechumformungswerkzeugen, bei dem ausgehend von einem dreidimensionalen Volumenmodell des Blechumformungswerkzeuges die dreidimensionalen Koordinaten der Modelloberfläche erzeugt werden, das Volumenmodell in Schichten zerlegt wird und für die Volumenelemente unter Verwendung der drei- dimensionalen Koordinaten der Modelloberfläche die jeweiligen Konturkoordinaten bestimmt werden, wobei entweder Schichten aus Papier und/ oder Kunststoffolien nacheinander übereinander geklebt und jeweils die den Volumenelementen entsprechenden Schichten mittels eines Schneidwerkzeuges geschnitten werden oder Kunststoff- pulver entsprechend den Volumenelementen schichtweise gleichmäßig verteilt in einen Arbeitsraum gefüllt wird und durch einen über die Kunststoffpulverschicht geführten Laserstrahl versintert und mit der vorhergehenden versinterten Schicht verbunden wird und wobei das Schneidwerkzeug oder der Laserstrahl zum Ver- sintern von den den jeweiligen Volumenelementen zugeordneten Konturkoordinaten gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidwerkzeug ein von einem gesteuerten Laser ausgesandter Laserstrahl ist .
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl zum Versintern über die gesamte Oberfläche der jeweiligen Kunststoffpul- verschicht innerhalb der Konturen der Volumenelemente geführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modelldaten des dreidimensionalen Volumenmodells durch dreidimensionale CAD-Modellierung des Blechumformungswerkzeuges erzeugt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modelldaten des dreidimensionalen Volumenmodells durch eine dreidimensionale CAD-Modellierung des mit dem Blechumformungswerkzeug herzustellenden Blechum- formteils und nachfolgende Generierung der dreidimensionalen Werkzeugmodelldaten erzeugt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Modelldaten des dreidimensionalen Volumenmodells durch Abtasten, Vermessen und/oder Scannen eines vorhandenen Werkzeugkörpermodells oder Blechumformteil -Körpermodells und nachfolgende dreidimensionale CAD-Modelldatenaufbereitung erzeugt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Papier- bzw. die Kunststoffolienschichten ein- seitig mit einer Kleberschicht beschichtet sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffolien faserverstärkt, insbesondere glasfaserverstärkte Epoxidfolien sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoffpulver ein polyamidenthaltendes Pulver verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der geometrischen Bestimmung der Koordinatendaten des dreidimensionalen Modells und/oder der Vielzahl von Querschnittsdaten die Kompressibilität des fertigen Werkzeuges bei verschiedenen Belastungssituationen berücksichtigt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug durch Tränken und/oder Infiltrieren mit oder anderweitige Einbringung von aushärtenden chemischen Substanzen und/oder durch Einbringen von Armierungen verfestigt und/oder versteift wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Blechumformungswerkzeuges durch Schleifen, Schmiergeln, Polieren oder sonstige Oberflächenbearbeitung geglättet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Blechumformungswerkzeuges durch Grundieren, In- filtrieren, Lackieren und/oder dergleichen versiegelt oder durch Auffüllung mit einem chemischen, aushärtenden Mittel zum Schließen der Poren geglättet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mit einer Metalldünnschicht beschichtet wird.
15. Blechumformungswerkzeug mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug zumindest teilweise aus laminierten Papierschichten, laminierten Kunststoffolien oder aus lasergesinterten polyamidenthaltenden
Pulverpartikeln bestehen.
16. Blechumformungswerkzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug als Blockwerkzeug,
Modularwerkzeug und/oder als Verbundwerkzeug ausgebildet sind.
17. Blechumformungswerkzeug nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen des Ober- und/oder Unterwerkzeuges geglättet und/oder versiegelt und/oder verfüllt sind.
18. Blechumformungswerkzeug nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberflächen des Ober- und/oder Unterwerkzeuges mit einer Metallbeschichtung versehen sind.
19. Blechumformungswerkzeug nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Ober- und/oder Unterwerkzeug mit Kunstharzen verfestigt sind.
20. Blechumformungswerkzeug nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in das Ober- und/oder Unterwerkzeug Armierungen eingebracht oder eingezogen sind, die mit den Papierschichten oder Kunststoffolien oder gesinterten Kunststoffpartikeln durch einen Kleber oder Kunstharz verbunden sind.
21. Blechumformungswerkzeug nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundwerkzeug aus einer formspeichernden Schale aus laminierten Papierschichten, laminierten Kunststoffolien oder Kunststoffpartikeln und einem festen Hinterbau, vorzugsweise aus Metallschäumen oder Polymerbeton zusammengesetzt ist .
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