DE19937315A1 - Temperierung von Formen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Auslegung und Herstellung der Temperierkanäle von thermisch belasteten Formen vorgeschlagen. DOLLAR A Durch Nutzung der mit Hilfe von 3D-CAD-Daten bei der Konstruktion sich ergebenden räumlichen Modelle und dem Einsatz vom Berechnungsprogramm kann eine Thermoanalyse durchgeführt werden. In einem Optimierungslauf werden Lage, Form und Querschnitt von Temperierkanälen ermittelt. Das optimierte Modell kann in CNC-Datensätze umgesetzt werden und werkstoffauftragende Fertigungssysteme, wie Laser-Sintern, steuern bzw. regeln. DOLLAR A Die Temperierkanäle können somit in geometrisch beliebiger Form und Lage hergestellt werden bei bester Anpassung an den Werkstück-Herstellungsprozess.

Description

Die Erfindung bezieht Sich auf Formen die bei der Teileproduktion nach dem Druck- oder Spritzgussverfahren Verwendung finden und insbesondere auf ein Verfahren zur Gestaltung und Herstellung von Heiz- und Kühlkanälen in den Formen.

Ein wesentlicher Faktor für die Produktion guter Druck- oder Spritzgussteile ist die Wärmebilanz in der Form. Dabei muss vor Inbetriebnahme die Form vorsichtig erwärmt und während der Produktion, zur Vermeidung örtlicher Überhitzung, gekühlt werden. Dieser Temperierungsprozess erfordert grösste Sorgfalt, da die Wärmezu- oder -abfuhr nicht nur die Standzeit der Form verbessert, sondern auch einen wesentlichen Einfluss auf die Teilequalität hat. So ist z. B. für ein lunkerfreies und feinkörniges Gefüge des Gußstückes eine geregelte Erstarrung zwingend erforderlich.

Stand der Technik

Durch Entwicklung moderner Berechnungsmethoden, Meß- und Regelverfahren besteht ein hoher Kenntnisstand über die Wärmeverteilung in einer Form.

Aus der WO 88/02688 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, in dem beim Spritzgussprozess eine Vielzahl von Temperaturmesstellen und deren einheitliche Überwachung offenbart ist. Gegenstand der Offenbarung ist auch die Analyse der gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen Temperaturwerte und eine gemeinsame Regelung aller Messtellen.

Eine messtechnische Erfassung des gesamten Wärmehaushaltes bei der Fertigung von Druckgussteilen wird auch in einem Aufsatz in der Fachzeitschrift "Geisserei 81 (1994) Nr. 13, Seite 452 und 453" beschrieben.

Beiden Veröffentlichungen gemeinsam ist das Ziel die Fertigungssicherheit zu erhöhen und damit die Qualität der Gußteile zu steigern. Keine Lösung wird dagegen für einen in seinem Einfluß ganz wesentlichen Aspekt, nämlich der Optimierung der Heiz- und Kühlkanäle in Querschnitt und Lage aufgezeigt.

Das auch heute noch übliche Herstellverfahren von Formen und Formeinsätzen ist eine spanende Bearbeitung wie Fräsen oder Erodieren, Heiz- und Kühlbohrungen werden durch Bohren mittels Bohrwerkzeugen eingebracht. Damit können nur geradlinige Bohrungen hergestellt werden. Dies ist unbefriedigend, da auf diese Weise nur unvollkommen den geometrischen und thermischen Verhältnissen der herzustellenden Teile und des Herstellungsprozesses entsprochen werden kann. Versuche durch mehrere untereinander verbundene Bohrungen den entstehenden thermischen Verhältnissen zu entsprechen, führen zu einer teuren Bearbeitung bei gleichzeitiger Schwächung der formbildenden Teile und selbst dann ist das Ergebnis nur ein Kompromis. Die Grenzen der mechanischen Bearbeitung durch Bohren der Kanäle zeigt sich auch deutlich im Bereich von schmalen, hohen Rippen wo eine zylindrische Bohrung sowohl problematisch einbringbar ist und darüber hinaus die gestellte Aufgabe keineswegs erfüllt.

Aufgabe und Vorteil der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und stellt sich die Aufgabe ein Verfahren vorzuschlagen, welches unter Einbeziehung von Computer-(CA-)Techniken zu einer Optimierung der Gestaltung von Heiz- und Kühlkanälen bei thermisch belasteten Formen führt. Unter Gestaltung ist dabei sowohl die Lage der Kanäle, als auch ihren Verlauf, sowie Querschnittsgrösse und Querschnittsform gemeint.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Herstellverfahren für Formen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung geht dabei von der Tatsache aus, das bereits während der Konstruktionsphase unter Nutzung der CAD-Technik entstandenen Datensätze ein räumliches Formmodel ergeben. In einer mittels Finite Elemente Berechnung durchgeführten Thermoanalyse des Formmodels kann eine Optimierung der Erwärmung bzw. Kühlung der Form simuliert wird. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen dann als CNC-Datensätze die Herstellung der realen Form. Durch moderne Fertigungsverfahren ist jede technisch sinnvolle Gestaltung der Form und damit der Heiz- und Kühlkanäle möglich. Diese neuen Fertigungstechnologien basieren nicht auf einer abtragenden, spanenden Bearbeitung, sondern durch eine gezielte "Schichtauftragung" (Lom-Verfahren) oder punktuelles "Auftropfen" (Laser-Sintern) eines Werkstoffes werden die formbildenden Konturen oder Einsätze hergestellt. Diese Technologien sind eine wesentliche Weiterentwicklung der aus der Oberflächentechnik bekannten Verfahren, wie Metallspritzen oder Beschichtungen. Neue Forschungsarbeiten betreffen auch Laser, die sehr kurze Pulse im Picosekundenbereich erzeugen, mit möglichen Anwendungen in der Präzisionsbearbeitung. Als Werkstoff kann beim Laser-Sintern neben organischen oder anorganischen Material auch Metallpulver bzw. Metallschmelze aus Eisen- oder Nichteisenmetall verarbeitet werden. Diese Verarbeitung geschieht in dem ein durch 3D-CAD Daten oder den entsprechenden CNC-Daten geregelter Laser Partikel oder Tröpfchen mit hoher Genauigkeit positioniert. Es kann auch eine definierte Menge Pulver als gleichmässige Schicht in der gewünschten Kontur verteilt werden. Ein Laserstrahl wird dann rechnergesteuert rasterförmig über die Schicht geführt, die zuvor bis dicht an ihre Schmelztemperatur erwärmt wurde und durch die Energie des Laserstrahls entsteht eine lokale Verbindung der einzelnen Pulverkörnchens. Der Laserstrahl verfestigt somit die pulverförmigen Substanzen. Statt der Laserbewegung kann auch eine Werkstückbewegung erfolgen bei stationärem Laserstrahl. Es kann anschließend ein heissisostatisches Pressen zur Verdichtung und Verfestigung des Gefüges erfolgen. Durch dieses Verfahren entstehen dreidimensionale Objekte direkt aus den Daten der CAD- Konstruktion. Somit ist auch die Herstellung von Heiz- und Kühlkanälen in beliebiger Form, Lage und Verlauf möglich.

Der Kanal in einer schmalen Rippe kann statt eines zylindrischen Querschnittes jetzt auch in ovaler, rechteckiger oder anderer beliebiger Form ausgeführt werden. Das heisst optimale, prozessgeregelte Ausführungen sind möglich. Dieses gilt auch für Sektoren der Form die zuvor nicht erreicht wurden, ebenso wie für einen grosszügiger mit Radien oder anderen "weichen" Übergängen gestalteter Verlauf bei Richtungswechsel.

Anhand der zwei Figuren wird diese neue Gestaltungsmöglichkeit bildlich dargestellt.

Diese Figuren zeigen:

Fig. 1 Querschnitt einer Form als "Stand der Technik"

Fig. 2 Querschnitt einer Form in der Gestaltung gemäß der Erfindung

Fig. 1 zeigt beispielhaft den Schnitt durch einen Formteil 1. Durch Pfeil 2 ist der Eintritt der Temperierflüssigkeit, durch Pfeil 3 deren Austritt gekennzeichnet. Insgesamt 8 Bohrungen müssten zur Herstellung der eigentlichen Temperierkanäle 4 eingebracht werden. Nachhaltig ist dabei neben dem hohen Fertigungsaufwand der Einsatz von Stopfen 5 deren Verwendung zu den bekannten Dichtproblemen führt, was durch Dehnung und Schrumpfung der Werkstoffe unter Temperatureinfluss unvermeidlich ist.

Ein weiterer Nachteil ist das die durch Wärmestau besonders gefährdete Zonen 6 nicht mit den Kanälen 4 im erforderlichen Masse erreicht werden. Nur durch Bohrungen in der Formgravur könnte diesem abgeholfen werden, was sich aus Funktions- und Standzeitgründen verbietet.

In guter Anschaulichkeit ist die erfinderische Ausführungsform in Fig. 2 dargestellt. Es werden dabei auch die entscheidenden Zonen 6 erreicht und damit die Teilqualität verbessert, bei gleichzeitiger Erhöhung der Formstandzeit. Die Verwendung von Stopfen ist nicht erforderlich und der Verlauf des Temperierkanal 7 kann in optimaler Form gewählt werden. Besonders gut erkennbar ist auch der strömungsgünstige Verlauf von Temperierkanal 7.

Beispielhafte Querschnittsgestaltungen im Verlauf des Temperierkanal 7 zeigen die Darstellungen 8, 9 und 10.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst auch vielmehr alle Weiterbildungen im Rahmen der Schutzrechtsansprüche. So gilt diese in gleicher Weise auch für anschmelzbare Modelle aus organischen, anorganischen und metallischen Materialen mit integrierten geometrisch vielfältigen Temperierbohrung.

Claims (4)

1. Verfahren zur Ermittlung und Herstellung von Temperierkanälen (7) in thermisch belasteten Formen (1) die durch auftragende Formgebungsverfahren wie Laser-Sintern hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten theoretischen Phase mittels Thermoanalyse die Anzahl, der Verlauf und die Form der Temperierkanäle ermittelt werden, dass in einer zweiten Phase die Ergebnisse in CNC-Daten umgesetzt werden und das in einer dritten Phase mittels dieser Daten die Regelung einer werkstoffauftragenden Einrichtung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Temperierkanäle (7) in Formen (1) beliebiger Form erfolgen kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Temperierkanäle (7) in beliebigen Formen gestaltet sein kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet dass der Querschnitt eines Temperierkanal nicht konstant ist.