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DE102014221423B4 - Process for the production of large hot forming tools using a generative manufacturing process - Google Patents

Process for the production of large hot forming tools using a generative manufacturing process Download PDF

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DE102014221423B4
DE102014221423B4 DE102014221423.8A DE102014221423A DE102014221423B4 DE 102014221423 B4 DE102014221423 B4 DE 102014221423B4 DE 102014221423 A DE102014221423 A DE 102014221423A DE 102014221423 B4 DE102014221423 B4 DE 102014221423B4
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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Warmumformwerkzeugs (100) zum Presshärten, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) Schichtweises Herstellen mindestens eines Schalenelements (10) des Warmumformwerkzeugs (100) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, wobei eine erste Außenfläche (12) des Schalenelements (10) mit einer Kontur (14) ausgebildet wird, derart, dass die erste Außenfläche (12) des Schalenelements (10) mit der Kontur (14) eine Wirkfläche des Warmumformwerkzeugs (100) bildet, wobei beim schichtweisen Herstellen mindestens ein kanalförmiger Hohlraum (15) zwischen der ersten Außenfläche (12) und einer zweiten Außenfläche (13) des Schalenelements (10) in das Schalenelement (10) mittels des generativen Fertigungsverfahrens eingebracht wird, wobei mehrere Schalenelemente (10) schichtweise mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt werden, wobei auch die zweite Außenfläche (13) des Schalenelements mit einer Kontur ausgebildet wird und wobei auf der zweiten Außenfläche (13) des Schalenelements (10) mittels des generativen Fertigungsverfahrens Übergangselemente (16) aufgebracht werden, welche von der zweiten Außenfläche (13) des Schalenelements (10) abstehen und derart ausgebildet werden, dass ein Material des Grundkörpers (11) beim Hintergießen des Schalenelements (10) bereichsweise hinter die Übergangselemente (16) fließen kann;
b) Hintergießen des Schalenelements (10) zur Herstellung eines Grundkörpers (11) des Warmumformwerkzeugs (100), derart, dass der Grundkörper (11) mit dem Schalenelement (10) im Bereich dessen zweiter Außenfläche (13) eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung eingeht, wobei der Verbund aus dem mindestens einem Schalenelement (10) und dem Grundkörper (11) das Warmumformwerkzeug (100) oder ein Segment des Warmumformwerkzeugs (100) bildet.

Figure DE102014221423B4_0000
Method for producing a hot forming tool (100) for press hardening, the method comprising the following steps:
a) Layer-by-layer production of at least one shell element (10) of the hot forming tool (100) by means of a generative manufacturing process, wherein a first outer surface (12) of the shell element (10) is formed with a contour (14) in such a way that the first outer surface (12) of the shell element (10) with the contour (14) forms an active surface of the hot forming tool (100), wherein during layer-by-layer production at least one channel-shaped cavity (15) between the first outer surface (12) and a second outer surface (13) of the shell element (10) is introduced into the shell element (10) by means of the generative manufacturing process, wherein several shell elements (10) are produced layer-by-layer by means of a generative manufacturing process, wherein the second outer surface (13) of the shell element is also formed with a contour and wherein on the second outer surface (13) of the shell element (10) by means of the generative manufacturing process, transition elements (16) are applied which protrude from the second outer surface (13) of the shell element (10) and are formed in such a way that a material of the base body (11) can flow partially behind the transition elements (16) when the shell element (10) is back-cast;
b) back-casting the shell element (10) to produce a base body (11) of the hot-forming tool (100), such that the base body (11) forms a positive and/or material-locking connection with the shell element (10) in the region of its second outer surface (13), wherein the composite of the at least one shell element (10) and the base body (11) forms the hot-forming tool (100) or a segment of the hot-forming tool (100).
Figure DE102014221423B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Warmumformwerkzeugs zum Presshärten. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Warmumformwerkzeug mit einem Grundkörper und mindestens einem damit verbundenen Schalenelement.The invention relates to a method for producing a hot forming tool for press hardening. Furthermore, the invention relates to a hot forming tool with a base body and at least one shell element connected thereto.

Formhärten bzw. Presshärten ist ein Verfahren der Warmumformung von Bauteilen, beispielsweise Blechen, und findet beispielsweise im Automobilbau Anwendung. Dabei wird ein Bauteil, beispielsweise Blech auf eine Temperatur von über 800 Grad Celsius erwärmt und während der Formgebung abgekühlt. Hierfür werden üblicherweise Warmumformwerkzeuge verwendet, welche in einer Presse eingespannt werden können. Warmumformwerkzeuge können aus einem Werkzeugoberteil und einem Werkzeugunterteil bestehen, zwischen welchen das Bauteil gepresst wird. Im Sinne dieser Erfindung werden sowohl Werkzeugoberteile sowie auch Werkzeugunterteile allgemein als Warmumformwerkzeug verstanden. Beim Pressen des Bauteils bzw. beim Umformen des erhitzten Bauteils wird das Bauteil möglichst rasch auf eine Temperatur im Bereich von circa 200 Grad Celsius abgekühlt. Hierfür sind üblicherweise Kühlkanäle im Warmumformwerkzeug vorgesehen.Form hardening or press hardening is a process for hot forming components, such as sheet metal, and is used in automobile construction, for example. A component, such as sheet metal, is heated to a temperature of over 800 degrees Celsius and cooled during the forming process. Hot forming tools are usually used for this, which can be clamped in a press. Hot forming tools can consist of an upper tool part and a lower tool part, between which the component is pressed. For the purposes of this invention, both upper and lower tool parts are generally understood to be hot forming tools. When pressing the component or when forming the heated component, the component is cooled as quickly as possible to a temperature in the range of approximately 200 degrees Celsius. Cooling channels are usually provided in the hot forming tool for this purpose.

Stand der TechnikState of the art

Beispielsweise ist im Stand der Technik bekannt, Warmumformwerkzeuge aus einzelnen Segmenten aufzubauen, wobei die einzelnen Segmente aus einem Werkzeugstahl bestehen können und die Kühlkanäle durch die einzelnen Segmente gebohrt werden. Danach werden die einzelnen Segmente zusammengesetzt und miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt, und somit ein Warmumformwerkzeug hergestellt.For example, it is known in the prior art to construct hot forming tools from individual segments, whereby the individual segments can consist of a tool steel and the cooling channels are drilled through the individual segments. The individual segments are then assembled and connected to one another, for example screwed, thus producing a hot forming tool.

In der DE 10 2010 017 014 A1 wird ein Verfahren und eine Anordnung zur Herstellung von konturbezogenen Temperierkanälen in Werkzeugen bzw. Werkzeugeinsätzen beschrieben. Hierfür werden Temperierkanäle hergestellt und anschließend räumlich im Werkzeug fixiert.In the DE 10 2010 017 014 A1 A method and an arrangement for producing contour-related tempering channels in tools or tool inserts is described. For this purpose, tempering channels are produced and then spatially fixed in the tool.

Durch die DE 10 2006 056 160 A1 ist ein Formwerkzeugkörper und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Hierbei wird der Formwerkzeugkörper, insbesondere ein Biegewerkzeugkörper, durch schichtweises Aufbauen des Werkzeugkörpers aus pulverförmigem Material hergestellt, wobei der Werkzeugkörper segmentär mit Segmenten in Form von nebeneinander liegender und durch schmale Spalte voneinander getrennter Säulen auf einer Basisstruktur erzeugt wird.Through the DE 10 2006 056 160 A1 A molding tool body and a method for its production are known. The molding tool body, in particular a bending tool body, is produced by building up the tool body layer by layer from powdered material, whereby the tool body is produced in segments with segments in the form of columns lying next to one another and separated from one another by narrow gaps on a base structure.

Die DE 199 25 541 C1 betrifft ein Dauerurformwerkzeug, insbesondere für den Leichtmetalldruckguss sowie die Fertigung von Kunststoff-, Glas- und Keramikteilen, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Das hergestellte Dauerurformwerkzeug besitzt die Vorteile von metall-lasergesinterten Werkzeugteilen mit formgebender Kontur, ohne die bisher üblichen Größenbeschränkungen aufzuweisen und ist bezüglich der Fertigungszeit den konventionellen Verfahren wie spanende Bearbeitung (z.B. Fräsen) und/oder Erodieren überlegen. Dies wird erreicht, indem das Dauerurformwerkzeug aus zwei Kategorien von Werkzeugteilen zusammengesetzt wird. Die zu einer ersten Kategorie gehörenden Werkzeugteile, die eine komplizierte Geometrie der formgebenden Kontur und/oder kleinere Abmessungen aufweist, werden mittels Metall-Lasersintern hergestellt. Die zu einer zweiten Kategorie gehörenden Werkzeugteile, die eine einfache Geometrie der formgebenden Kontur und/oder größere, für die Fertigung mittels Metall-Lasersintern ungeeigneten Abmessungen aufweisen, werden mittels konventioneller Verfahren wie Fräsen, Erodieren und dergleichen. aus endkonturnah gegossenen Werkzeugrohteilen hergestellt. Diese endkonturnah gegossenen Werkzeugrohteile werden durch Abguss von Zwischenformen hergestellt, die wegen der geringen Anforderungen an ihre Standzeit auch als verlorene Formen ausgebildet sein können. Die so erzeugten Werkzeugteile beider Kategorien werden zum Dauerurformwerkzeug gefügt.The DE 199 25 541 C1 relates to a permanent forming tool, in particular for light metal die casting and the production of plastic, glass and ceramic parts, as well as a method for its production. The permanent forming tool produced has the advantages of metal laser sintered tool parts with a shaping contour, without the usual size restrictions and is superior in terms of production time to conventional methods such as machining (e.g. milling) and/or erosion. This is achieved by assembling the permanent forming tool from two categories of tool parts. The tool parts belonging to a first category, which have a complicated geometry of the shaping contour and/or smaller dimensions, are produced by means of metal laser sintering. The tool parts belonging to a second category, which have a simple geometry of the shaping contour and/or larger dimensions unsuitable for production by means of metal laser sintering, are produced by means of conventional methods such as milling, erosion and the like from tool blanks cast to a near-net shape. These near-net-shape cast tool blanks are produced by casting intermediate molds, which can also be designed as lost molds due to the low demands on their service life. The tool parts of both categories produced in this way are joined to form the permanent primary mold tool.

Aus der DE 10 2007 054 723 B4 ist Formteil mit wenigstens einer Formfläche bekannt, wobei ein Bereich der Formfläche als ein durch ein gesondertes Verfahren hergestellter, an eine nicht ebene Fläche des Formteils konturangepasster Formflächeneinsatz ausgebildet ist, wobei der Formflächeneinsatz in eine Ausnehmung des Formkörpers eingesetzt ist und mit seiner Oberseite einen Oberflächenabschnitt des Formteils bildet, wobei wenigstens eine Formfläche einen flächig gekühlten oder beheizten Bereich umfasst und dazu eine Anordnung von bereichsnah hinter der Formfläche angeordneten Kanälen zur Führung eines Kühl- oder Heizmediums aufweist, wobei der Formflächeneinsatz nach seiner Herstellung an einen Formkörper des Formteils dauerhaft oder abnehmbar ansetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Formflächeneinsatz durch ein selektives Laserschmelzverfahren (SLM) hergestellt ist und ein System von Kühl- oder Heizkanälen aufweist, die endseitig an Auslässe von Kühl- oder Heizkanalabschnitten des Formkörpers angrenzen.From the DE 10 2007 054 723 B4 A molded part with at least one mold surface is known, wherein a region of the mold surface is designed as a mold surface insert produced by a separate process and contour-adapted to a non-flat surface of the molded part, wherein the mold surface insert is inserted into a recess in the molded body and forms a surface section of the molded part with its upper side, wherein at least one mold surface comprises a flatly cooled or heated region and for this purpose has an arrangement of channels arranged close to the region behind the mold surface for guiding a cooling or heating medium, wherein the mold surface insert can be permanently or removably attached to a molded body of the molded part after its production, characterized in that the mold surface insert is produced by a selective laser melting process (SLM) and has a system of cooling or heating channels which adjoin outlets of cooling or heating channel sections of the molded body at the ends.

Die DE 10 2012 000 633 A1 betrifft ein Konsolenelement zur Halterung einer Lenksäule eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, über welche ein Lenkrad mit wenigstens einem lenkbaren Rad des Kraftwagens koppelbar ist, wobei das Konsolenelement als Hybridbauteil mit wenigstens einem Grundkörper, der mit zumindest einem Kunststoff zu dem Hybridbauteil ergänzt ist, ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Konsolenelements.The DE 10 2012 000 633 A1 relates to a console element for holding a steering column of a motor vehicle, in particular a passenger car, via which a steering wheel can be coupled to at least one steerable wheel of the motor vehicle, wherein the console element is designed as a hybrid component with at least one base body which is supplemented with at least one plastic to form the hybrid component, and a method for producing such a console element.

Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, VorteileDescription of the invention: task, solution, advantages

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Warmumformwerkzeuges derart weiter zu verbessern, dass in möglichst einfacher und kostengünstiger Weise besonders große Warmumformwerkzeuge hergestellt werden können.The object of the present invention is to further improve a method for producing a hot forming tool in such a way that particularly large hot forming tools can be produced in the simplest and most cost-effective manner possible.

Hierfür ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Warmumformwerkzeugs zum Presshärten vorgesehen, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:

  1. a) Schichtweises Herstellen mindestens eines Schalenelements des Warmumformwerkzeugs mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, wobei eine erste Außenfläche des Schalenelements mit einer Kontur ausgebildet wird, derart, dass die erste Außenfläche des Schalenelements mit der Kontur eine Wirkfläche des Warmumformwerkzeugs bildet, wobei beim schichtweisen Herstellen mindestens ein kanalförmiger Hohlraum zwischen der ersten Außenfläche und einer zweiten Außenfläche des Schalenelements in das Schalenelement mittels des generativen Fertigungsverfahrens eingebracht wird;
  2. b) Hintergießen des Schalenelement zur Herstellung eines Grundkörpers des Warmumformwerkzeugs, derart, dass der Grundkörper beziehungsweise das Gussmaterial mit dem Schalenelement im Bereich dessen zweiten Außenfläche eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung eingeht, wobei der Verbund aus dem mindestens einen Schalenelement und dem Grundkörper das Warmumformwerkzeug oder ein Segment des Warmumformwerkzeugs bildet.
For this purpose, the invention provides a method for producing a hot forming tool for press hardening, wherein the method comprises at least the following steps:
  1. a) producing at least one shell element of the hot forming tool layer by layer by means of a generative manufacturing process, wherein a first outer surface of the shell element is formed with a contour such that the first outer surface of the shell element with the contour forms an active surface of the hot forming tool, wherein during layer-by-layer production at least one channel-shaped cavity between the first outer surface and a second outer surface of the shell element is introduced into the shell element by means of the generative manufacturing process;
  2. b) Back-casting the shell element to produce a base body of the hot-forming tool, such that the base body or the casting material forms a positive and/or material-locking connection with the shell element in the region of its second outer surface, wherein the composite of the at least one shell element and the base body forms the hot-forming tool or a segment of the hot-forming tool.

Die vorgenannten Schritte a) und b) sind bevorzugterweise nacheinander in der vorgenannten Reihenfolge durchzuführen.The above-mentioned steps a) and b) are preferably carried out one after the other in the above-mentioned order.

Das durch dieses Verfahren hergestellte Warmumformwerkzeug besteht somit zumindest aus einem Schalenelement und dem Grundkörper. Dabei bildet der Grundkörper den Kern des Warmumformwerkzeugs. Das mindestens eine Schalenelement bildet zumindest die Wirkfläche bzw. die Andruckfläche des Warmumformwerkzeugs, welche beim Presshärten gegen das Bauteil, beispielsweise das umzuformende Blech, gepresst wird. Diese Wirkfläche ist die erste Außenfläche des Schalenelements und weist hierfür die gewünschte Kontur der Wirkfläche auf.The hot forming tool produced by this process therefore consists of at least one shell element and the base body. The base body forms the core of the hot forming tool. The at least one shell element forms at least the active surface or the pressure surface of the hot forming tool, which is pressed against the component, for example the sheet metal to be formed, during press hardening. This active surface is the first outer surface of the shell element and has the desired contour of the active surface.

Das mindestens eine Schalenelement ist im Vergleich zum Grundkörper relativ schmal ausgebildet. Durch das Hintergießen des mindestens einen Schalenelements in Schritt b) wird eine feste Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem mindestens einen Schalenelement hergestellt. Hierbei entsteht eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem mindestens einen Schalenelement.The at least one shell element is relatively narrow compared to the base body. By back-casting the at least one shell element in step b), a firm connection is created between the base body and the at least one shell element. This creates a positive and/or material connection between the base body and the at least one shell element.

Unter einem generativen Fertigungsverfahren ist ein additives Fertigungsverfahren zu verstehen, wobei die Fertigung auf Basis von rechnerinternen Datenmodellen aus formlosem oder formneutralem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse erfolgt. Hierbei sind keine speziellen Werkzeuge, beispielsweise Gussformen erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstücks aufweisen. Insbesondere wird hierunter ein 3D-Druckverfahren verstanden.A generative manufacturing process is an additive manufacturing process in which production is carried out on the basis of computer-internal data models from formless or form-neutral material using chemical and/or physical processes. No special tools, such as molds, are required that have the respective geometry of the workpiece. In particular, this refers to a 3D printing process.

Der im Schalenelement und zwischen dessen beiden Außenflächen angeordnete kanalförmige Hohlraum bildet den Kühlkanal oder einen Teil des Kühlkanals des Warmumformwerkzeugs. Hierfür wird der kanalförmige Hohlraum zwischen den beiden Außenflächen des Schalenelements sowie beabstandet zu diesen Außenflächen angeordnet, wobei der Verlauf des kanalförmigen Hohlraum unterschiedlich ausgestaltet werden kann. Beispielsweise kann der kanalförmige Hohlraum horizontal, vertikal und/oder schräg im Schalenelement verlaufen.The channel-shaped cavity arranged in the shell element and between its two outer surfaces forms the cooling channel or part of the cooling channel of the hot forming tool. For this purpose, the channel-shaped cavity is arranged between the two outer surfaces of the shell element and at a distance from these outer surfaces, whereby the course of the channel-shaped cavity can be designed in different ways. For example, the channel-shaped cavity can run horizontally, vertically and/or diagonally in the shell element.

Dadurch, dass der kanalförmige Hohlraum mittels des generativen Fertigungsverfahrens während der schichtweisen Fertigung in Schritt a) eingebracht wird, ist kein separater Kanal, beispielsweise kein Einsetzen von separaten Rohren oder anderen Teilen zur Bildung eines Hohlraums, notwendig. Mittels des generativen Fertigungsverfahrens wird unter Freilassen von Bereichen beim schichtweisen Herstellen des Schalenelements der kanalförmige Hohlraum ausgebildet.Because the channel-shaped cavity is introduced using the generative manufacturing process during layer-by-layer production in step a), no separate channel is necessary, for example no insertion of separate pipes or other parts to form a cavity. The channel-shaped cavity is formed using the generative manufacturing process, leaving areas free during layer-by-layer production of the shell element.

Ein durch dieses Verfahren hergestelltes Warmumformwerkzeug besteht somit mindestens aus zwei Teilen, nämlich dem Grundkörper und einem Schalenelement, wobei die beiden Teile mittels unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden. Der äußere Bereich, nämlich das Schalenelement, des Warmumformwerkzeugs, nämlich der Bereich, der die Wirkfläche des Warmumformwerkzeugs bildet und einen Kühlkanal oder mehrere Kühlkanäle umfasst, wird durch ein besonders flexibles Herstellungsverfahren, nämlich das generative Fertigungsverfahren hergestellt. Dies ist insbesondere zur Erstellung der Kontur und des kanalförmigen Hohlraums besonders geeignet. Der an das Schalenelement anschließende Grundkörper bzw. Kern wird in einfacher Weise gegossen und somit besonders kostengünstig hergestellt.A hot forming tool produced by this method therefore consists of at least two parts, namely the base body and a shell element, whereby the two parts are produced using different processes. The outer area, namely the shell element, of the hot forming tool, namely the area that forms the active surface of the hot forming tool and includes one or more cooling channels, is produced by a particularly flexible manufacturing process, namely the generative manufacturing process. This is particularly important for Particularly suitable for creating the contour and the channel-shaped cavity. The base body or core adjoining the shell element is cast in a simple manner and is therefore particularly cost-effective to produce.

Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass das generative Fertigungsverfahren ein Stereolithografieverfahren, ein selektives Laserschmelzverfahren, ein Laserauftragsschweißverfahren, oder ein Elektronenschmelzverfahren ist. Besonders bevorzugterweise ist das generative Fertigungsverfahren ein selektives Laserschmelzverfahren, wobei das zu verarbeitende Material in Pulverform in dünnen Schichten aufgebracht wird und das pulverförmige Material schichtweise mittels Laserstrahlung lokal aufgeschmolzen wird, wobei nach der Erstarrung eine feste Materialschicht entsteht. Hierbei können in besonders geeigneter Weise die Konturen für die Außenfläche des Schalenelements erstellt werden. In den Bereichen, in denen der kanalförmige Hohlraum vorgesehen ist, wird beispielsweise die Energiezufuhr für die Laserstrahlung kurzzeitig abgestellt, so dass in diesem Bereich das pulverförmige Material nicht erstarrt. Dieser Bereich wird somit bei der schichtweisen Bearbeitung freigelassen. Das in den kanalförmigen Hohlräumen verbleibende pulverförmige Material kann dann entfernt, beispielsweise ausgeblasen, werden.Preferably, the generative manufacturing process is a stereolithography process, a selective laser melting process, a laser deposition welding process, or an electron melting process. Particularly preferably, the generative manufacturing process is a selective laser melting process, wherein the material to be processed is applied in powder form in thin layers and the powdery material is melted locally layer by layer using laser radiation, whereby a solid layer of material is created after solidification. The contours for the outer surface of the shell element can be created in a particularly suitable manner. In the areas in which the channel-shaped cavity is provided, for example, the energy supply for the laser radiation is briefly switched off so that the powdery material does not solidify in this area. This area is thus left free during layer-by-layer processing. The powdery material remaining in the channel-shaped cavities can then be removed, for example blown out.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass in Schritt a) mehrere Schalenelemente schichtweise mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt werden. Somit ist es möglich, besonders große Warmumformwerkzeuge, beispielsweise besonders lange Warmumformwerkzeuge oder Warmumformwerkzeug mit einer besonders großen Wirkfläche, als Monoblock herzustellen. Hierfür können mehrere Schalenelemente besonders bevorzugterweise gleichzeitig mittels des generativen Fertigungsverfahrens hergestellt werden. Nach dem Herstellen mehrerer Schalenelemente werden die Schalenelemente vor dem Hintergießen in Schritt b) aneinandergesetzt und dann hintergossen. Hierdurch werden die Schalenelemente mit dem Grundkörper verbunden und ein einziger Monoblock hergestellt. Das hiermit hergestellte Warmumformwerkzeug kann, wie herkömmlich bekannte Warmumformwerkzeuge, weiterhin vor Ort, beispielsweise in der Presse, repariert, beispielsweise geschweißt, werden.Furthermore, it is provided that in step a) several shell elements are produced layer by layer using a generative manufacturing process. This makes it possible to produce particularly large hot forming tools, for example particularly long hot forming tools or hot forming tools with a particularly large effective surface, as a monoblock. For this purpose, several shell elements can particularly preferably be produced simultaneously using the generative manufacturing process. After producing several shell elements, the shell elements are placed together before back-casting in step b) and then back-cast. This connects the shell elements to the base body and produces a single monoblock. The hot forming tool produced in this way can, like conventionally known hot forming tools, still be repaired, for example welded, on site, for example in the press.

Mehrere Schalenelemente werden bevorzugterweise vor dem Hintergießen in Schritt b) miteinander verbunden. Somit ist besonders bevorzugterweise vorgesehen, dass mehrere Schalenelemente nicht nur aneinandergesetzt und anschließend hintergossen werden, sondern vor dem Hintergießen in Schritt b) mittels Verschweißen oder Zusammenstecken miteinander verbunden werden. Da ein Kühlkanal im Warmumformwerkzeug bevorzugterweise über mehrere Schalenelemente verläuft, ist in mehreren Schalenelementen jeweils ein Abschnitt eines Kühlkanals angeordnet. Diese Abschnitte eines Kühlkanals können beim Zusammensetzen der Schalenelemente zur Zentrierung und Ausrichtung der Schalenelemente dienen.Several shell elements are preferably connected to one another before back-casting in step b). It is therefore particularly preferred that several shell elements are not only placed next to one another and then back-cast, but are connected to one another by welding or plugging before back-casting in step b). Since a cooling channel in the hot forming tool preferably runs over several shell elements, a section of a cooling channel is arranged in each of several shell elements. These sections of a cooling channel can be used to center and align the shell elements when the shell elements are assembled.

Des Weiteren wird der kanalförmige Hohlraum in Schritt a) einem Verlauf der Kontur der ersten Außenfläche des Schalenelements folgend in das Schalenelement eingebracht. Somit ist bevorzugterweise vorgesehen, dass der kanalförmige Hohlraum entlang der Kontur der ersten Außenfläche des Schalenelements folgt bzw. einen identischen oder nahezu identischen Verlauf aufweist. Besonders bevorzugterweise ist der Abstand zwischen der ersten Außenfläche des Schalenelements und dem kanalförmigen Hohlraum in jedem Bereich konstant oder nahezu konstant. Hierdurch kann eine konturnahe und gleichzeitig sehr homogene bzw. gezielte Kühlung der Bauteile durch das resultierende Warmumformwerkzeug erreicht werden.Furthermore, in step a), the channel-shaped cavity is introduced into the shell element following a course of the contour of the first outer surface of the shell element. It is therefore preferably provided that the channel-shaped cavity follows the contour of the first outer surface of the shell element or has an identical or almost identical course. Particularly preferably, the distance between the first outer surface of the shell element and the channel-shaped cavity is constant or almost constant in every area. This makes it possible to achieve a contour-close and at the same time very homogeneous or targeted cooling of the components by the resulting hot forming tool.

In Schritt a) wird auch die zweite Außenfläche des Schalenelements mit einer Kontur ausgebildet. Somit wird die zweite Außenfläche des Schalenelements nicht eben sondern uneben, beispielsweise mit Erhebungen und/oder Vertiefungen, versehen. Diese Kontur wird dabei ebenfalls mit dem generativen Verfahren angebracht. Eine derartig ausgestaltete zweite Oberfläche verbessert die Verbindung mit dem Grundkörper beim Hintergießen des Schalenelements oder der Schalenelemente in Schritt b).In step a), the second outer surface of the shell element is also formed with a contour. The second outer surface of the shell element is therefore not flat but uneven, for example with elevations and/or depressions. This contour is also applied using the generative process. A second surface designed in this way improves the connection to the base body when the shell element or shell elements are back-cast in step b).

Die Kontur der zweiten Außenfläche des Schalenelements weist speziell ausgestaltete Übergangselemente zur besserten Verbindung des Schalenelements mit dem Grundkörper auf. Hierfür werden in Schritt a) auf der zweiten Außenfläche des Schalenelements mittels des generativen Fertigungsverfahrens Übergangselemente aufgebracht, welche von der zweiten Außenfläche des Schalenelements abstehen und derart ausgebildet werden, dass ein Material des Grundkörpers beim Hintergießen des Schalenelements in Schritt b) bereichsweise hinter die Übergangselemente fließen kann. Hiermit kann eine besonders feste Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem mindestens einen Schalenelement erzielt werden. Die Übergangselemente können aufgrund des flexiblen generativen Fertigungsverfahrens jede geeignete Form aufweisen. Insbesondere können die Übergangselemente als Gitterstrukturen ausgebildet werden. Des Weiteren können die Übergangselemente als Vorsprünge mit abstehenden, verbreiterten und/oder gespreizten Kopfabschnitten ausgebildet werden. Die Übergangselemente können T-förmig oder nadelkopfförmig ausgebildet werden oder abschnittsweise oder vollständig schräg zur zweiten Außenfläche des Schalenelements angeordnet werden.The contour of the second outer surface of the shell element has specially designed transition elements for improved connection of the shell element to the base body. For this purpose, in step a) transition elements are applied to the second outer surface of the shell element using the generative manufacturing process, which protrude from the second outer surface of the shell element and are designed in such a way that a material of the base body can flow behind the transition elements in some areas when the shell element is back-cast in step b). This makes it possible to achieve a particularly strong connection between the base body and the at least one shell element. The transition elements can have any suitable shape due to the flexible generative manufacturing process. In particular, the transition elements can be designed as lattice structures. Furthermore, the transition elements can be designed as projections with protruding, widened and/or spread head sections. The transition elements can be T-shaped or needle-head-shaped or can be arranged in sections or completely at an angle to the second outer surface of the shell element.

Auch ist bevorzugterweise vorgesehen, dass vor dem Hintergießen in Schritt b) die zweite Außenfläche des Schalenelements zumindest bereichsweise aufgeschmolzen wird. Durch das bereichsweise Aufschmelzen der zweiten Außenfläche des Schalenelements wird beim Hintergießen in Schritt b) nicht nur eine formschlüssige Verbindung zwischen Grundkörper und dem mindestens einen Schalenelement sondern auch eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Dies ist insbesondere bei besonders dünnwandigen Schalenelementen vorteilhaft.It is also preferably provided that the second outer surface of the shell element is melted at least in some areas before the back-casting in step b). By melting the second outer surface of the shell element in some areas, not only a positive connection is produced between the base body and the at least one shell element during the back-casting in step b), but also a material connection. This is particularly advantageous for particularly thin-walled shell elements.

Die Kontur der ersten Außenfläche des Schalenelements wird vorzugsweise nach den Schritten a) und b) nachbearbeitet. Hierbei wird die Endkontur, das heißt die gewünschte Kontur der Wirkfläche des Warmumformwerkzeugs, erstellt. Dies kann beispielsweise durch Fräsen oder Lasern erfolgen. Da hierbei üblicherweise Material von der ersten Außenfläche des Schalenelements abgetragen wird, wird während Schritt a) zuvor ein gewisses Aufmaß eingeplant und vorgesehen. Somit kann das generative Fertigungsverfahren in Schritt a) einfacher ausgestaltet werden. Des Weiteren können Korrekturen oder Anpassungen in einfacher Weise nach Durchführen der Schritte a) und b) an der ersten Außenfläche vorgenommen werden.The contour of the first outer surface of the shell element is preferably reworked after steps a) and b). The final contour, i.e. the desired contour of the active surface of the hot forming tool, is created. This can be done by milling or lasering, for example. Since material is usually removed from the first outer surface of the shell element, a certain allowance is planned and provided for in step a). This makes it possible to make the generative manufacturing process in step a) simpler. Furthermore, corrections or adjustments can be made easily to the first outer surface after steps a) and b) have been carried out.

Erfindungsgemäß ist ferner ein Warmumformwerkzeug vorgesehen, welches mindestens einen Grundkörper und ein damit verbundenes Schalenelement aufweist. Eine erste Außenfläche des Schalenelements weist eine Kontur auf, durch welche eine Wirkfläche des Warmumformwerkzeugs gebildet ist. Das erfindungsgemäße Warmumformwerkzeug ist durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt.According to the invention, a hot forming tool is also provided which has at least one base body and a shell element connected thereto. A first outer surface of the shell element has a contour by which an active surface of the hot forming tool is formed. The hot forming tool according to the invention is produced by a method according to one of claims 1 to 9.

Bevorzugterweise weist das Warmumformwerkzeug mehrere nebeneinander angeordnete mit einem Grundkörper verbundene Schalenelemente auf.Preferably, the hot forming tool has a plurality of shell elements arranged next to one another and connected to a base body.

Auch ist bevorzugterweise vorgesehen, dass der Grundkörper und das mindestens eine Schalenelement ein gleiches Material aufweisen sowie besonders bevorzugterweise aus dem gleichen Material bestehen. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer späteren Wärmebehandlung, da die Parameter der beiden Teile, nämlich des Grundkörpers und des mindestens einen Schalenelements, identisch sind und insbesondere gleiche Schmelzpunkte aufweisen. Beispielsweise kann sowohl der Grundkörper sowie das mindestens eine Schalenelement Werkzeugstahl aufweisen oder aus Werkzeugstahl bestehen. Alternativerweise kann sowohl der Grundkörper sowie das mindestens eine Schalenelement einen Kunststoff aufweisen oder aus Kunststoff bestehen. Auch andere Werkstoffe sind möglich.It is also preferably provided that the base body and the at least one shell element have the same material and particularly preferably consist of the same material. This is particularly advantageous for a subsequent heat treatment, since the parameters of the two parts, namely the base body and the at least one shell element, are identical and in particular have the same melting points. For example, both the base body and the at least one shell element can have tool steel or consist of tool steel. Alternatively, both the base body and the at least one shell element can have a plastic or consist of plastic. Other materials are also possible.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.The invention is explained below using preferred embodiments as examples.

Es zeigen schematisch:

  • 1: eine Schnittdarstellung durch ein Schalenelement,
  • 2: eine Schnittdarstellung durch zwei aneinander gesetzte miteinander verbundene Schalenelemente,
  • 3: eine Schnittdarstellung durch ein Warmumformwerkzeug mit zwei Schalenelementen,
  • 4: eine Schnittdarstellung durch ein Warmumformwerkzeug mit Übergangselementen an der zweiten Außenfläche der Schalenelemente, und
  • 5: eine Schnittdarstellung durch ein Warmumformwerkzeug beim Nachbearbeiten der Wirkfläche.
They show schematically:
  • 1 : a cross-section through a shell element,
  • 2 : a sectional view through two interconnected shell elements placed next to each other,
  • 3 : a sectional view through a hot forming tool with two shell elements,
  • 4 : a sectional view through a hot forming tool with transition elements on the second outer surface of the shell elements, and
  • 5 : a sectional view through a hot forming tool during post-processing of the effective surface.

Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention

In 1 ist eine Schnittdarstellung durch ein Schalenelement 10 bzw. durch einen Ausschnitt eines Schalenelements 10 gezeigt. Somit wird hierbei eine Draufsicht auf eine Schicht während des generativen Fertigungsverfahrens des Schalenelements 10 gezeigt. Das Schalenelement 10 ist mit einer Kontur 14 der ersten Außenfläche 12 ausgebildet. Die Kontur 14 bildet nach Herstellung des Warmumformwerkzeugs 100 die Wirkfläche bzw. die Druckfläche des Warmumformwerkzeugs 100. Auf der Innenseite weist das Schalenelement 10 eine zweite Außenfläche 13 auf. Mittels des generativen Fertigungsverfahrens wird schichtweise das Schalenelement 10 hergestellt, wobei gleichzeitig der kanalförmige Hohlraum 15 ausgebildet wird.In 1 a sectional view through a shell element 10 or through a section of a shell element 10 is shown. This shows a top view of a layer during the generative manufacturing process of the shell element 10. The shell element 10 is formed with a contour 14 of the first outer surface 12. After the hot forming tool 100 has been produced, the contour 14 forms the active surface or the pressure surface of the hot forming tool 100. On the inside, the shell element 10 has a second outer surface 13. The shell element 10 is produced layer by layer using the generative manufacturing process, with the channel-shaped cavity 15 being formed at the same time.

2 zeigt eine Schnittdarstellung durch zwei miteinander verbundene Schalenelemente 10. Die beiden Schalenelemente 10 werden getrennt voneinander mittels des generativen Fertigungsverfahrens hergestellt. Der Kühlkanal des Warmumformwerkzeugs 100 verläuft durch beide Schalenelemente 10. Somit weist jedes Schalenelement 10 einen Abschnitt des Kühlkanals als kanalförmigen Hohlraum 15 auf. Beim Zusammensetzen der beiden Schalenelemente 10 dient der jeweilige kanalförmige Hohlraum 15 zur Ausrichtung bzw. Zentrierung der beiden Schalenelemente 10. Das Warmumformwerkzeug 100 kann auch mehrere, im Prinzip beliebig viele, zusammengesetzte Schalenelemente 10 aufweisen. Die beiden Schalenelemente 10 sind wie in 2 gezeigt an eine Fügestelle 17 miteinander verbunden. Beispielsweise können die beiden Schalenelemente 10 miteinander verschweißt oder ineinander gesteckt sein. Um Schalenelemente 10 miteinander steckartig zu verbinden, weist die jeweiligen Verbindungsflächen geeignete Konturen bzw. Strukturen auf. 2 shows a sectional view through two shell elements 10 connected to one another. The two shell elements 10 are manufactured separately from one another using the generative manufacturing process. The cooling channel of the hot forming tool 100 runs through both shell elements 10. Each shell element 10 thus has a section of the cooling channel as a channel-shaped cavity 15. When the two shell elements 10 are assembled, the respective channel-shaped cavity 15 serves to align or center the two shell elements 10. The hot forming tool 100 can also have several, in principle any number, assembled shell elements 10. The two shell elements 10 are as in 2 shown connected to each other at a joint 17. For example, the two shell elements 10 can be welded together or be plugged into one another. In order to connect shell elements 10 to one another in a plug-like manner, the respective connecting surfaces have suitable contours or structures.

3 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein fertig hergestelltes Warmumformwerkzeug 100 bzw. eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt eines fertiggestellten Warmumformwerkzeugs 100. Die beiden miteinander verbundenen Schalenelemente 10 aus 2 wurden hintergossen, wodurch der Grundkörper 11 gebildet ist. Somit stellen die Schalenelemente 10 lediglich den äußeren Bereich, insbesondere den Bereich, der die Wirkfläche des Warmumformwerkzeugs 100 bildet und die Kühlkanäle aufweist, dar. Der Kern des Warmumformwerkzeugs 100 wird durch den Grundkörper 11 gebildet. 3 shows a sectional view through a finished hot forming tool 100 or a cross-sectional view through a section of a finished hot forming tool 100. The two interconnected shell elements 10 made of 2 were cast behind, whereby the base body 11 is formed. The shell elements 10 thus represent only the outer region, in particular the region that forms the active surface of the hot forming tool 100 and has the cooling channels. The core of the hot forming tool 100 is formed by the base body 11.

4 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt eines Warmumformwerkzeugs 100 mit beispielhaften Formen für Übergangselemente 16 an der zweiten Außenfläche 13 des Schalenelements 10. Die Übergangselemente 16 dienen dazu, den Grundkörper 11 fester mit dem Schalenelement 10 zu verbinden. Dabei sind die Übergangselemente 16 in besonders geeigneter Weise derart geformt, dass das Material des Grundkörpers bereichsweise um sowie bereichsweise hinter die Übergangselemente 16 fließt. 4 shows a cross-sectional view through a section of a hot forming tool 100 with exemplary shapes for transition elements 16 on the second outer surface 13 of the shell element 10. The transition elements 16 serve to connect the base body 11 more firmly to the shell element 10. The transition elements 16 are shaped in a particularly suitable manner such that the material of the base body flows in some areas around and in some areas behind the transition elements 16.

Wie in 4 gezeigt, können die Übergangselemente 16 beispielsweise nadelkopfförmig oder T-förmig sowie gitterstrukturförmig ausgebildet sein. Des Weiteren können zur zweiten Außenfläche 13 des Schalenelements 10 schräg gestellte Abschnitte als Übergangselemente 16 ausgebildet sein.As in 4 As shown, the transition elements 16 can be designed, for example, in the shape of a needle head or T-shaped or in the shape of a lattice structure. Furthermore, sections inclined to the second outer surface 13 of the shell element 10 can be designed as transition elements 16.

5 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt eines Warmumformwerkzeugs 100 während der Nachbearbeitung der Wirkfläche bzw. der ersten Außenfläche 12 des Schalenelements 10. Hierfür wird mit einem Fräskopf 18 die Kontur 14 der ersten Außenfläche 12 des Schalenelements 10 nachbearbeitet und die Endkontur der gewünschten Wirkfläche für das Warmumformwerkzeug 100 erstellt. 5 shows a cross-sectional view through a section of a hot forming tool 100 during the post-processing of the active surface or the first outer surface 12 of the shell element 10. For this purpose, the contour 14 of the first outer surface 12 of the shell element 10 is post-processed with a milling head 18 and the final contour of the desired active surface for the hot forming tool 100 is created.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

100100
Warmumformwerkzeughot forming tool
1010
Schalenelementshell element
1111
Grundkörperbase body
1212
erste Außenfläche des Schalenelementsfirst outer surface of the shell element
1313
zweite Außenfläche des Schalenelementssecond outer surface of the shell element
1414
Kontur der ersten Außenflächecontour of the first outer surface
1515
kanalförmiger Hohlraumcanal-shaped cavity
1616
Übergangselementetransition elements
1717
Fügestellejoint
1818
Fräskopfmilling head

Claims (7)

Verfahren zur Herstellung eines Warmumformwerkzeugs (100) zum Presshärten, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Schichtweises Herstellen mindestens eines Schalenelements (10) des Warmumformwerkzeugs (100) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, wobei eine erste Außenfläche (12) des Schalenelements (10) mit einer Kontur (14) ausgebildet wird, derart, dass die erste Außenfläche (12) des Schalenelements (10) mit der Kontur (14) eine Wirkfläche des Warmumformwerkzeugs (100) bildet, wobei beim schichtweisen Herstellen mindestens ein kanalförmiger Hohlraum (15) zwischen der ersten Außenfläche (12) und einer zweiten Außenfläche (13) des Schalenelements (10) in das Schalenelement (10) mittels des generativen Fertigungsverfahrens eingebracht wird, wobei mehrere Schalenelemente (10) schichtweise mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt werden, wobei auch die zweite Außenfläche (13) des Schalenelements mit einer Kontur ausgebildet wird und wobei auf der zweiten Außenfläche (13) des Schalenelements (10) mittels des generativen Fertigungsverfahrens Übergangselemente (16) aufgebracht werden, welche von der zweiten Außenfläche (13) des Schalenelements (10) abstehen und derart ausgebildet werden, dass ein Material des Grundkörpers (11) beim Hintergießen des Schalenelements (10) bereichsweise hinter die Übergangselemente (16) fließen kann; b) Hintergießen des Schalenelements (10) zur Herstellung eines Grundkörpers (11) des Warmumformwerkzeugs (100), derart, dass der Grundkörper (11) mit dem Schalenelement (10) im Bereich dessen zweiter Außenfläche (13) eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung eingeht, wobei der Verbund aus dem mindestens einem Schalenelement (10) und dem Grundkörper (11) das Warmumformwerkzeug (100) oder ein Segment des Warmumformwerkzeugs (100) bildet.Method for producing a hot forming tool (100) for press hardening, the method comprising the following steps: a) producing at least one shell element (10) of the hot forming tool (100) layer by layer by means of a generative manufacturing process, wherein a first outer surface (12) of the shell element (10) is formed with a contour (14) such that the first outer surface (12) of the shell element (10) with the contour (14) forms an active surface of the hot forming tool (100), wherein during layer-by-layer production at least one channel-shaped cavity (15) between the first outer surface (12) and a second outer surface (13) of the shell element (10) is introduced into the shell element (10) by means of the generative manufacturing process, wherein several shell elements (10) are produced layer by layer by means of a generative manufacturing process, wherein the second outer surface (13) of the Shell element is formed with a contour and transition elements (16) are applied to the second outer surface (13) of the shell element (10) by means of the generative manufacturing process, which transition elements protrude from the second outer surface (13) of the shell element (10) and are formed in such a way that a material of the base body (11) can flow behind the transition elements (16) in some areas when the shell element (10) is back-cast; b) back-casting the shell element (10) to produce a base body (11) of the hot forming tool (100) in such a way that the base body (11) forms a positive and/or material-locking connection with the shell element (10) in the region of its second outer surface (13), the composite of the at least one shell element (10) and the base body (11) forming the hot forming tool (100) or a segment of the hot forming tool (100). Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das generative Fertigungsverfahren ein Stereolithografieverfahren, ein selektives Laserschmelzverfahren, ein Laserauftragsschweißverfahren, oder ein Elektronenstrahlschmelzverfahren ist.procedure according to claim 1 , characterized in that the generative manufacturing process is a stereolithography process, a selective laser melting process, a laser cladding process, or an electron beam melting process. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schalenelemente (10) vor dem Hintergießen in Schritt b) miteinander verbunden werden.procedure according to claim 1 , characterized in that several shell elements (10) are connected to one another before back-casting in step b). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kanalförmige Hohlraum (15) in Schritt a) einem Verlauf der Kontur (14) der ersten Außenfläche (12) des Schalenelements (10) folgend eingebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the channel-shaped cavity (15) is introduced in step a) following a course of the contour (14) of the first outer surface (12) of the shell element (10). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Hintergießen in Schritt b) die zweite Außenfläche (13) des Schalenelements (10) zumindest bereichsweise aufgeschmolzen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that before the back-casting in step b), the second outer surface (13) of the shell element (10) is melted at least in regions. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (14) der ersten Außenfläche (12) des Schalenelements (10) nach den Schritten a) und b) nachbearbeitet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the contour (14) of the first outer surface (12) of the shell element (10) is reworked after steps a) and b). Warmumformwerkzeug (100) aufweisend mindestens einen Grundkörper (11) und ein damit verbundenes Schalenelement (10), wobei eine erste Außenfläche (12) des Schalenelements (10) eine Kontur (14) aufweist, durch welche eine Wirkfläche des Warmumformwerkzeug (100) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformwerkzeug (100) durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, wobei der Grundkörper (11) und das Schalenelement (10) ein gleiches Material aufweisen.Hot forming tool (100) comprising at least one base body (11) and a shell element (10) connected thereto, wherein a first outer surface (12) of the shell element (10) has a contour (14) by which an active surface of the hot forming tool (100) is formed, characterized in that the hot forming tool (100) is produced by a method according to one of the preceding claims, wherein the base body (11) and the shell element (10) have the same material.
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