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Dokumentenidentifikation DE102006056160A1 31.05.2007
Titel Formwerkzeugkörper und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder Fockele, Matthias, Dr., 33178 Borchen, DE
Erfinder Fockele, Matthias, Dr., 33178 Borchen, DE
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Anmeldedatum 28.11.2006
DE-Aktenzeichen 102006056160
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse B22F 3/105(2006.01)A, F, I, 20061128, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugkörpers (22, 24), insbesondere Biegewerkzeugkörpers, durch schichtweises Aufbauen des Formwerkzeugkörpers (22, 24) aus pulverförmigem, insbesondere metallischem Werkstoff nach der Methode des selektiven Laserschmelzens, ausgehend von einer Basisstruktur (30), wobei zumindest ein Bereich des Formwerkzeugkörpers segmentär mit Segmenten in Form nebeneinander liegender und durch schmale Spalte (26a, 26b) voneinander getrennter Säulen (28) auf der Basisstruktur (30) erzeugt wird.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugkörpers, insbesondere Biegewerkzeugkörpers.

In der Praxis kommt es häufig vor, dass vergleichsweise kompliziert geformte Werkstücke aus Blech in relativ kleiner Stückzahl herzustellen sind. Es handelt sich dabei normalerweise um Biegeteile, zu deren Herstellung zunächst Biegewerkzeuge angefertigt werden müssen. Insbesondere bei komplizierteren Werkstückgeometrien kann die Herstellung des betreffenden Biegewerkzeugs sehr aufwendig und teuer sein. Dies trifft insbesondere zu, falls konstruktionsbedingte Änderungen des Werkstücks entsprechende Änderungen der Biegewerkzeuge erforderlich machen, was normalerweise die Neuherstellung eines kompletten Biegewerkzeugs erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches in flexibler Weise anwendbar ist, um Formwerkzeugkörper, insbesondere Biegewerkzeuge auch komplizierterer Geometrien rasch und vergleichsweise preiswert herzustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugkörpers, insbesondere Biegewerkzeugkörpers vorgeschlagen, wobei der Formwerkzeugkörper durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, insbesondere metallischem Werkstoff nach der Methode des selektiven Laserschmelzens ausgehend von einer Basisstruktur angeferigt wird, wobei zumindest ein Bereich des Formwerkzeugkörpers segmentär mit Segmenten in Form nebeneinander liegender und durch schmale Spalte voneinander getrennter Säulen auf der Basisstruktur erzeugt wird.

Die Methode des selektiven Laserschmelzens wird üblicherweise zur Herstellung von Modellen und Prototypen von Werkstücken herangezogen. Zum Stand der Technik des selektiven Laserschmelzens wird z. B. auf die DE 199 05 067 A1, die DE 102 08 150 A1, die DE 101 12 591 A1, die WO 98/24574, die DE 203 18 721 U1, die DE 102 36 907 A1 und die DE 199 54 891 A1 verwiesen.

Unter dem Begriff selektives Laserschmelzen ist in jüngerer Zeit eine leistungsfähige Methode zur Herstellung von Formkörpern auch komplizierter Geometrien bekannt geworden, wobei diese Metehode im Wesentlichen auf folgendem Prinzip basiert: Der Formkörper, also irgendein herzustellender Gegenstand, wird nach Maßgabe von CAD-Daten bzw. davon abgeleiteten geometrischen Beschreibungsdaten schichtweise aus einem zunächst feinkörnigen bzw. pulvrigen Rohmaterial aufgebaut, indem das Rohmaterial entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Formkörpers durch selektives Bestrahlen verfestigt bzw. verschmolzen wird. Üblicherweise erfolgt das Bestrahlen mittels wenigstens einem gesteuert ablenkbarem Laserstrahl. Dabei erfolgt die Steuerung einer den Strahl ablenkenden Strahlablenkeinrichtung mittels einer Steuereinrichtung auf der Basis geometrischer Beschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers, welche üblicherweise von einem Mikrocomputer nach Maßgabe eines entsprechenden Programms aus CAD-Daten abgeleitet und bereitgestellt werden. Der Laserstrahl zeichnet auf der zuletzt präparierten Rohmaterialschicht das dieser Schicht zugeordnete Querschnittsmuster des Formkörpers, um das Rohmaterial dem Querschnittsmuster entsprechend selektiv zu verfestigen bzw. zu verschmelzen. Nach einem solchen Bestrahlungsschritt erfolgt dann die Präparation der nächsten Rohmaterialschicht auf der zuletzt durch Bestrahlen selektiv und bereichsweise verfestigten bzw. verschmolzenen Schicht.

Nach Ausbildung einer an ihrer Oberfläche hinreichend glatten Rohmaterialschicht erfolgt dann wieder ein Belichtungsschritt in der vorstehend erläuterten Weise. Der Formkörper entsteht somit Schicht für Schicht, wobei die aufeinander folgend hergestellten Querschnittsschichten des Formkörpers aneinander haften.

Beim selektiven Verschmelzen von Metallpulvern erfolgt das Präparieren der Rohmaterialschichten normalerweise durch Hinzugabe von Pulvermaterial auf der zuletzt verfestigten Schicht nach jedem Bestrahlungsschritt. Nach Glättung der Pulverschicht und Einstellen des Schichtniveaus relativ zur Strahlungsquelle bzw. zur Strahlablenkeinrichtung erfolgt dann der nächste Bestrahlungsschritt in der oben beschriebenen Weise. Die jeweilige Einstellung des Schichtniveaus erfolgt normalerweise durch entsprechendes Absenken einer Plattform, auf der der Formkörper schichtweise aufgebaut wird.

Die Methode ist insoweit auch schon abgewandelt worden, als anstelle eines Lasers eine Partikelstrahlungsquelle, z. B. Elektronenstrahlquelle, verwendet worden ist. Auch das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann mit einer solchen Abwandlung durchgeführt werden, wodurch der Schutzbereich jedoch nicht verlassen wird.

Ein Problem bei der Herstellung von Formkörpern nach der Methode des selektiven Laserschmelzens ist das Auftreten von Materialspannungen in dem bereits verfestigten Teil des Formkörpers. Zur Minimierung solcher Materialspannungen ist eine sorgfältige Prozessführung und eine jeweilige Belichtungsstrategie zweckmäßig, welche die Geschwindigkeit der Laserablenkung, die eingebrachte Laserleistung und die ortsselektive Führung des Laserstrahls berücksichtigt. Bei kompliziert geformten Formkörpern kann dies bedeuten, dass eine relativ lange Bauzeit erforderlich ist, was sich wiederum in den Kosten des herzustellenden Formkörpers niederschlägt.

Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird die Methode des selektiven Laserschmelzens angewandt, um Formwerkzeuge herzustellen, wobei vorzugsweise der gesamte auf der Basisstruktur aufgezüchtete Teil des Formwerkzeug segmentär mit Segmenten in Form nebeneinander liegender und durch schmale Spalte voneinander getrennter Säulen aufgebaut wird.

Die Spalte zwischen den Segmentsäulen sorgen dafür, dass sich Materialspannungen nicht über größere zusammenhängende Bereiche des hergestellten Formwerkzeugkörpers erstrecken und somit zu einem das Formwerkzeug ggf. unbrauchbar machenden Verzug führen können. Da das Problem der Materialspannungen somit bei der Verfahrensweise nach der Erfindung wesentlich entschärft ist, kann der Bestrahlungsvorgang beim Umschmelzen einer betreffenden Pulverschicht ohne besondere Rücksicht auf die Erzeugung von Materialspannungen durchgeführt werden. So kann der umschmelzende Laserstrahl einen vergleichsweise großen Auftrefffleck auf der betreffenden Rohmaterialpulverschicht haben und eine vergleichsweise große Strahlungsleistung aufweisen. Er kann darüber hinaus so gesteuert abgelenkt werden, dass er den umzuschmelzenden Bereich der aktuellen Pulverschicht weg- und geschwindigkeitsoptimiert überstreicht, so dass der Bestrahlungsvorgang pro Schicht insgesamt schnell durchgeführt werden kann. Zur Erzeugung der Spalte wird der Laserstrahl an den betreffenden Stellen jeweils ausgeblendet oder ausgeschaltet.

Vorzugsweise wird der Umformwerkzeugkörper vollständig und somit einschließlich der Basisstruktur nach der Methode des selektiven Laserschmelzens hergestellt. Die Basisstruktur ist vorzugsweise eine Trägerplatte, auf der die Segmentsäulen während des Herstellungsprozesses aufwachsen, bis sie ihre jeweilige Sollhöhe und Abschlussform erreicht haben.

Alternativ kann als Basisstruktur ein vorgefertigtes Element verwendet werden, auf dem der weitere Formwerkzeugkörper nach der Methode des selektiven Laserschmelzens aufgebaut wird. Die Basisstruktur hält die Segmentsäulen zusammen.

Der verwendete pulverförmige Werkstoff ist vorzugsweise ein Stahlpulver, insbesondere Werkzeugstahl-Pulver.

Entsprechend den Geometriebeschreibungsdaten für die Steuerung des selektiven Laserschmelzprozesses werden die Segmentsäulen an ihren von der Basisstruktur abstehenden Enden mit einer für das individuelle Formwerkzeug gewählten Formgebungskontur ausgebildet.

Wenngleich es in vielen Fällen nicht erforderlich sein wird, so kann es vorgesehen sein, dass die Segmentsäulen an ihren von der Basisstruktur abstehenden Enden zu einer gemeinsamen Oberflächenschicht verbunden werden, wobei dies auf einfache Weise nach der Methode des selektiven Laserschmelzens erfolgen kann.

Es kann vorgesehen sein, dass lokal Verbindungsstege zwischen benachbarten Säulen durch selektives Laserschmelzen hergestellt werden, um eine Hilfsabstützung der Säulen aneinander zu ermöglichen, wenngleich dies in den meisten Fällen nicht erforderlich sein wird.

Die Spalte werden vorzugsweise so erzeugt, dass sie gruppenweise parallel zueinander verlaufen. Gemäß einer Ausführungsform werden sie so ausgebildet, dass sie ein Gitterraster mit insbesondere rechteckiger Gitterstruktur bilden. Diese Spalte können so ausgebildet werden, dass sie später zur Aufnahme von Verstärkungs- und Abstandshalterelementen zwischen den Säulen nutzbar sind. Die Verstärkungs- und Abstandshalterelemente können z. B. Blechstreifen sein.

Abweichend von der vorstehend angesprochenen Spaltenstruktur mit gruppenweise parallel zueinander geradlinig verlaufenden Spalten sind im Rahmen der Erfindung auch andere Spaltengeometrien möglich, woraus entsprechend geformte Säulen resultieren. So können Spalte auch gekrümmte Verläufe haben und Säulen z. B. als Rundsäulen ausgebildet werden. Auch kann es vorgesehen sein, dass die Breite der Spalte variiert. Auch können die Spalte mit extrem geringer Spaltbreite von Bruchteilen von Millimetern als sog. Micro-Gaps ausgebildet werden, um Spannungslinien zu unterbrechen.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Formwerkzeugkörper, insbesondere Biegewerkzeugkörper, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Berzugnahme auf die Figuren näher erläutert.

1 zeigt eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Vorgehensweise bei der Herstellung eines Formwerkzeugkörpers nach der Erfindung nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens.

2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel für ein Biegewerkzeug mit Biegestempel und Biegegesenk als Umformwerkzeugkörper nach der Erfindung.

1 zeigt eine Anordnung zum schichtweisen selektiven Laserschmelzen von Werkstoffpulver in einer schematischen Darstellung in Seitenansicht. In jeweils aufeinander folgenden Präparationsschritten werden Schichten aus feinkörnigem Werkstoffpulver 2, etwa Stahlpulver, auf einer vertikal verstellbaren Arbeitsplattform 4 mittels eines Schichtenpräparations- und -glättungssystems 6 vorbereitet. Nach jedem Pulverschichtpräparationsschritt erfolgt ein Bestrahlungsschritt, bei dem ein Laserstrahl 8 (oder in Abwandlung ein Partikelstrahl, etwa Elektronenstrahl) mittels eines Strahlablenksystems 10 gesteuert abgelenkt wird, so dass sein Auftreffpunkt 12 auf der präparierten Pulverschicht ein Muster beschreibt, welches dem Querschnitt des herzustellenden Formwerkzeugkörpers in der betreffenden Schicht entspricht. Dabei kommt es zu einem Umschmelzvorgang des Werkstoffpulvers unter Ausbildung zusammenhängend verfestigter Bereiche nach Maßgabe der Bestrahlungsspur. Die Pulverpräparationsschritte und die Bestrahlungsschritte wechseln einander ab, bis der herzustellende Formwerkzeugkörper fertiggestellt ist.

Zur Präparierung einer jeweiligen folgenden Pulverschicht wird die Arbeitsplattform 4 im Wesentlichen um den Betrag der gewünschten Schichtdicke gesteuert abgesenkt, so dass das Schichtenpräparationssystem 6 in einer horizontalen Ebene auf gleichbleibendem Höhenniveau verfahren werden kann, um die Pulverschicht zu präparieren. In dem Prozessraum 14 herrscht Schutzgasatmosphäre, wobei Schutzgas bei 16 zugeführt und bei 18 abgeführt werden kann. Ein ggf. als Linse ausgebildetes Fenster 20 lässt den fokussierten Laserstrahl 8 durch. In 1 ist der schon fertiggestellte Teil des in Entstehung befindlichen Formwerkzeugkörpers mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet.

In 2 ist ein Biegewerkzeug mit Biegestempel 22 und Biegegesenk 24 in einer perspektivischen Darstellung mit Sicht von schräg unten gezeigt. Die Biegewerkzeugelemente 22, 24 sind Ausführungsbeispiele eines Formwerkzeugkörpers nach der Erfindung.

Sie sind segmentär mit Segmenten aus nebeneinander liegenden und durch schmale Spalte 26a, 26b voneinander getrennten Säulen 28 auf einer Basisstruktur 30 ausgebildet. Die Basisstruktur 30 ist jeweils eine Basisplatte, die vorzugsweise in einem Herstellungsprozess mit den Säulen 28 des betreffenden Formwerkzeugkörpers 22 bzw. 24 nach der Methode des selektiven Laserschmelzens hergestellt wird. In 2 ist die Basisplatte 30 an dem Biegegesenk 24 nur ausbruchsweise dargestellt, um die Säulen 28 und die Spalte 26a und 26b deutlicher erkennbar zu machen.

Die Spalte 26a verlaufen parallel zueinander. Das Gleiche gilt für die Spalte 26b, wobei letztere jedoch orthogonal zu den Spalten 26a verlaufen, so dass sich in Draufsicht ein Spaltgitter ergibt, welches verhindert, dass sich Materialspannungen über größere zusammenhängende Bereiche des Formwerkzeugkörpers 22 bzw. 24 ausbilden. Wie oben bereits erwähnt, ist die Erfindung jedoch nicht auf Formwerkzeuge mit einer derart geometrisch strengen Spaltgeometrie beschränkt. In alternativen Ausführungsformen können die Spalte 26a bzw. die Spalte 26b z. B. auch gekrümmte Verläufe haben.

Säulen 28 könnten z. B. als Rundsäulen ausgebildet sein.

Bei dem Herstellungsprozess können verschiedene Bestrahlungsmodi gewählt werden, welche keine besonders große Rücksicht auf die Erzeugung von Materialspannungen erfordern und einen schnellen Aufbau des Formwerkzeugkörpers ermöglichen. So kann es vorgesehen sein, dass der Laserstrahl 8 (vgl. 1) die jeweilige Gesamtquerschnittsfläche des im Aufbau befindlichen Formwerkzeugkörpers Zeile für Zeile mit vergleichsweise großem Strahlauftreffpunkt und entsprechend hinreichender Strahlungsleistung abrastert, wobei die Spalte 26a, 26b durch Ausschalten bzw. vollständiges Abblenden des Laserstrahls 8 an den betreffenden Stellen realisiert werden. Denkbar wäre auch eine Verfahrensweise, gemäß welcher die Säulenquerschnitte einer nach dem anderen in einer betreffenden Schicht bestrahlt werden, um dort das Material umzuschmelzen und auf diese Weise die jeweilige Querschnittsschicht des Formwerkzeugkörpers 1 bzw. 22, 24 herzustellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung relativ kompliziert geformter Formwerkzeugkörper. Im Falle von Umformwerkzeugkörpern, also etwa den dargestellten Biegewerkzeugkörpern 22, 24, ist es normalerweise nicht erforderlich, an der von der Basisplatte 30 abgewandten und mit der Formgebungskontur ausgebildeten Seite (in 2 die einander zugewandten Seiten der Biegewerkzeugkörper 22, 24) mit einer geschlossenen Haut zu versehen, so dass dort durchaus das Spaltengitter sichtbar bleiben kann. Sollen jedoch Spritzgussformelemente oder dgl. als Formwerkzeugkörper hergestellt werden, so kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, an der Seite mit der Formgebungskontur eine Außenhaut vorzusehen, welche die Spaltenstruktur überdeckt.

Wie in 2 auch gezeigt ist, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Zentrierlöcher 40, 42 oder dgl. bei dem Aufbauprozess nach der Methode des selektiven Laserschmelzens unmittelbar ausgebildet werden. Auch können z. B. Schmiermittel- oder/und Kühlkanäle in dem Formwerkzeugkörper bei dessen Aufbau mit ausgebildet werden. Solche Kanäle können den Formwerkzeugkörper z. B. unter Überbrückung von Spalten durch betreffende Kanalrohrsegmente, die von Säule zu Säule verlaufen, durchsetzen. Sofern entsprechende Dichtwände mit ausgebildet werden, können auch Spalte der Spaltenstruktur als Kühlkanäle und/oder Schmiermittelkanäle präpariert und späterhin genutzt werden.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugkörpers (22, 24), insbesondere Biegewerkzeugkörpers, durch schichtweises Aufbauen des Formwerkzeugkörpers (22, 24) aus pulverförmigem, insbesondere metallischem Werkstoff nach der Methode des selektiven Laserschmelzens ausgehend von einer Basisstruktur (30), wobei zumindest ein Bereich des Formwerkzeugkörpers segmentär mit Segmenten in Form nebeneinander liegender und durch schmale Spalte (26a, 26b) voneinander getrennter Säulen (28) auf der Basisstruktur (30) erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Formwerkzeugkörper (22, 24) vollständig einschließlich der Basisstruktur (30) nach der Methode des selektiven Laserschmelzens hergestellt wird. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Basisstruktur ein vorgefertigtes Element verwendet wird, auf dem der Formwerkzeugkörper nach der Methode des selektiven Laserschmelzens fertiggestellt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Säulen als von der Basisstruktur (30) abstehende Säulen (28) aufgebaut werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Platte als Basisstruktur (30) verwendet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der verwendete pulverförmige Werkstoff ein Stahlpulver, insbesondere Werkzeugstahl-Pulver, ist oder zumindest überwiegend enthält. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Säulen (28) an ihren von der Basisstruktur (30) abstehenden Enden mit einer für das individuelle Formwerkzeug (22, 24) gewählten Formgebungskontur ausgebildet werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Säulen an ihren von der Basisstruktur abstehenden Enden zu einer gemeinsamen Oberflächenschicht verbunden werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei lokal Verbindungsstege zwischen benachbarten Säulen vorgesehen werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei benachbarte Spalte (26a bzw. 26b) parallel zueinander verlaufend ausgebildet werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spalte so ausgebildet werden, dass sie ein Gitterraster mit insbesondere rechteckiger Gitterstruktur bilden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einige Spalte (26a, 26b) so ausgebildet werden, dass sie später zur Aufnahme von Verstärkungs- und Abstandshalterelementen zwischen den Säulen nutzbar sind. Formwerkzeugkörper, insbesondere Biegewerkzeugkörper (22, 24), vorzugsweise hergestellt nach einem Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, wobei er zumindest bereichsweise segmentär mit Segmenten in Form nebeneinander liegender und durch schmale Spalte (26a, 26b) voneinander getrennter Säulen (28) ausgebildet ist. Formwerkzeugkörper nach Anspruch 13, wobei die Segmente (28) durch eine gemeinsame Basisstruktur (30), insbesondere Basisplatte, miteinander verbunden sind. Formwerkzeugkörper nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Segmente durch einzelne Verbindungsstege miteinander verbunden sind. Formwerkzeugkörper nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Spalte (26a, 26b) zumindest teilweise zur Aufnahme von Abstandshalterelementen ausgebildet sind. Formwerkzeugkörper nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Säulen (28) an ihren von der Basisstruktur (30) abstehenden Enden mit einer für das individuelle Formwerkzeug gewählten Prägekontur zur Beaufschlagung des mittels des Formwerkzeuges umzuformenden Materials ausgebildet ist.






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