Umformwerkzeuge aus Blechlamellen schnell und maßgenau hergestellt

Kürzere Produktentwicklungszeiten können nur durch eine schnelle Verfügbarkeit der für die Produktion notwendigen Werkzeuge erreicht werden. Dafür bieten sich Werkzeuge aus Blechlamellen an....

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Kürzere Produktentwicklungszeiten können nur durch eine schnelle Verfügbarkeit der für die Produktion notwendigen Werkzeuge erreicht werden. Dafür bieten sich Werkzeuge aus Blechlamellen an. Spritzgieß-, Druckguss- und Umformwerkzeuge mit komplizierten Außen- und Innenkonturen lassen sich in der Verfahrenskombination von Laserschneiden und Diffusionsschweißen herstellen.Zwischen einer Idee und einem fertigen Produkt liegt erfahrungsgemäß ein langer Weg. Die Zeit, die dabei verstreicht, geht dem Wettbewerbsvorteil verloren. Deshalb muss die Zeit vom Entwurf eines Werkzeuges bis hin zu seiner Produktionstauglichkeit reduziert werden. Bei heutigen Umformwerkzeugen wie beispielsweise im Automobilbau liegt diese Zeit bei 10 bis 12 Monaten. Ursachen dafür liegen im hohen maschinellen und manuellen Herstellungsaufwand.So entfallen etwa 55 bis 65% der Kosten auf die spanende Bearbeitung und das Tuschieren. Kürzere Modellzykluszeiten, die Variantenvielfalt der Produkte und die dadurch bedingten kleineren Stückzahlen verlangen eine schnellere und kostengünstigere Bereitstellung der Werkzeuge.Die Werkzeuge müssen häufig gekühlt oder beheizt werden. Ideal ist eine Steuerung des Wärmeflusses. Das kann durch Kühl- oder Heizkanäle unterschiedlicher Form und Abmessung erreicht werden. Geiger und seine Mitarbeiter prägten für derartige Werkzeuge den Begriff ,,intelligente" Werkzeuge. Dieser Begriff soll erweitert werden. Denn unter einem intelligenten Werkzeug versteht man solche Werkzeuge, die an verschiedenen Stellen unterschiedliche Funktionen erfüllen. An jeder Stelle des Werkzeuges soll der für die jeweilige Beanspruchung günstigste Werkstoff eingesetzt werden.Mit den konventionellen trennenden Verfahren ist eine Lösung der genannten Probleme nur eingeschränkt erreichbar. Eine Alternative bieten die generativen Fertigungsverfahren. Die Werkzeuge werden dabei additiv aus Blechen, Platten oder Segmenten aufgebaut. Sie entstehen nicht durch Abtragen sondern durch schichtweisen Aufbau.Das Verbinden der Bleche kann mit Hilfe von Klemmen, durch Kleben, Löten oder Schweißen einer Längsnaht an den Seiten erfolgen. Diese Verbindungstechnologien erlauben es aber nicht, dichte und temperaturbeständige Werkzeuge mit komplizierten Innenkonturen zu fertigen. Dazu ist ein stoffschlüssiges Verbinden der Blechoberflächen notwendig. Ein dafür geeignetes Verfahren ist das Diffusionsschweißen.Die geschweißten Lamellen erfordern nur wenig NacharbeitDas Diffusionsschweißen ermöglicht ein stoffschlüssiges Verbinden metallischer Werkstoffe ohne Erzeugen einer schmelzflüssigen Phase. Die beim Schweißen auftretende makroskopische Verformung ist vernachlässigbar gering. Die geschweißten Teile müssen deshalb nicht oder nur wenig nachgearbeitet werden. Diffusionsgeschweißte Verbindungen sind thermisch und mechanisch hoch belastbar sowie flüssigkeits- und gasdicht.Die Festigkeit der Verbindung liegt im Bereich der Grundwerkstoffe. Das Verfahren ist besonders geeignet zum Herstellen großflächiger Verbindungen. Es bietet sich deshalb zum Aufbau von Werkzeugen aus Blechlamellen an. Das Ausschneiden der Bleche erfolgt mit dem Laserstrahl.Die Verfahrenskombination Laserstrahlschneiden und Diffusionsschweißen erlaubt den Aufbau einer durchgehenden Linie von der Konstruktion bis zum Einsatz des fertigen Werkzeuges in der Produktion. Der Laserstrahl wird deswegen genutzt, weil er eine hohe Flexibilität und Genauigkeit beim Ausschneiden der Bleche bietet. Das Werkzeug wird mit Hilfe eines CAD-Systems konstruiert. Durch Einarbeiten der für das Diffusionsschweißen notwendigen Hilfsgeometrien, wie Positionierbohrungen und Spannvorrichtungen, entsteht ein erweitertes 3D-CAD-Modell des Werkstückes.In das CAD-System wurde ein Softwaretool zur Zerlegung des 3D-Modells integriert. Die Wahl verschiedener Schichtdicken und Zerlegungsabschnitte ermöglicht eine an die Kontur des Bauteils angepasste Zerlegung des Modells. Die beim Slicen entstandenen 2D-Konturen werden über die DXF-Schnittstelle an die Schneidsoftware der Laserstrahlanlage übergeben. Durch das Slicen entstandene Ellipsen und Splines werden automatisch durch Kreisbögen ersetzt, die Geometriedaten mit den Technologieparametern verknüpft und der NC-Code zum Laserstrahlschneiden generiert.Das Herauslösen einzelner Teilabschnitte des 3D-CAD-Modells als 3D-Konturen gestattet eine Fertigung von Segmenten durch Drehen, Fräsen oder Erodieren. So können beim anschließenden Diffusionsschweißen aus Blechlamellen aufgebaute Segmente mit spanend gefertigten Teilen kombiniert werden. Bild 4 zeigt den Verfahrensablauf vom rechnerinternen 3D-CAD-Modell bis hin zum fertigen Teil. Die Verfahrenskombination kann zum Herstellen von Spritzgieß-, Druckguß- und Umformwerkzeugen eingesetzt werden.Spritzgießwerkzeuge werden im Allgemeinen gekühlt. Bei zähen Kunststoffmassen kann aber auch ein Erwärmen notwendig sein. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik werden die Kühl- oder Heizkanäle durch Bohren eingebracht. Dabei ist keine konturangepasste Temperierung möglich. Das betrifft besonders die Kerne. Der Aufbau der Werkzeuge aus Blechen und das Verbinden der Bleche durch Diffusionsschweißen erlaubt die Herstellung von konturangepassten Kühl- oder Heizkanälen.Durch eine bessere Kühlung lassen sich die Abkühlzeiten und damit die Taktzeiten senken sowie die Temperierfehler minimieren. Außerdem kann an den Stellen mit großen Massenanhäufungen wesentlich stärker gekühlt werden als an dünneren Wandungen. Das führt zu einer höheren Qualität und Genauigkeit der Teile. Bei Werkzeugen mit mehreren Einspritzstellen ist es dagegen notwendig, die langen Zuführkanäle zu erwärmen, damit das Material nicht zu schnell erstarrt.Werkzeuge schnell und ohne besondere Formen hergestelltIn Bezug auf die Herstellung von Werkzeugen für die Blechumformung ergeben sich im wesentlichen die folgenden Vorteile:- Die Zeit von der Entwicklung bis zur Realisierung des Werkzeuges lässt sich drastisch verkürzen. Komplizierte Werkzeuge können in wenigen Tagen hergestellt werden.- Zur Fertigung der Werkzeuge sind keine speziellen Werkzeuge oder Formen notwendig.- Die Nacharbeit (beispielsweise Überdrehen der Außenkontur zum Beseitigen der Stufen) ist gering. Sie lässt sich problemlos ausführen.- Die Werkzeuge können in der Diffusionsschweißanlage gehärtet werden. Es sind Stahl-Hartmetall-Verbindungen realisierbar. An verschleißbeanspruchten Kanten können Hartmetallteile eingesetzt werden.- Die Verfahrenskombination erlaubt das Einbringen von Kühl- und Temperierkanälen in die Werkzeuge. Dadurch lassen sich Werkzeuge mit gesteuerter Wärmeführung erzeugen. Diese sind beispielsweise für das Umformen von Teilen aus Magnesium-Knetlegierungen und ähnlichen Werkstoffen von ganz besonderem Interesse.- Es kann eine durchgehende Linie vom rechnerinternen 3D-CAD-Modell bis zum fertigen Werkzeug aufgebaut werden.