WO2001028733A1 - Method for producing metallic components, especially tool inserts - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a method with which metallic components, especially tool inserts, are produced. A component (6) designed in a CAD system is firstly divided into individual modules (7, 8, 9) and these modules are produced in such a manner that a base body (7a, 8a, 9a) is then produced and is placed in a laser sintering system, and are produced such that a body (7b, 8b, 9b), which results from the difference between the base body (7a, 8a, 9a) and the final shape (7, 8, 9) of the module, is successively constructed from a powder material using laser sintering methods. A module (7, 8, 9) having the final shape results after the completion of the laser sintering process. The modules (7, 8, 9) produced in the aforementioned manner are assembled to form a component (6).

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG METALLISCHER BAUTEILE, INSBESONDERE WERKZEUGEINSÄTZE METHOD FOR PRODUCING METALLIC COMPONENTS, IN PARTICULAR TOOL INSERTS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und die Verwendung dieser Bauteile.The invention relates to a method for producing metallic components according to the preamble of the main claim and the use of these components.
Die Herstellung von Bauteilen mittels Rapid Prototy- ping ermöglicht den direkten Aufbau eines Modells aus einem 3D-CAD-Datenmodell . Diese Verfahren werden meistens für die Verarbeitung von Kunststoffen ausgelegt. Zur Herstellung metallischer Werkstücke ist das Verfahren des selektiven Lasersinterns entwickelt worden. Dabei wird ein Metallpulver schichtweise gemäß einer gesteuerten Modellvorlage aufgetragen und lokal von einem Laserstrahl versintert und mit der vorhergehenden Schicht verbunden. Der fokussierte Strahl wird dazu von einer Scaneinheit spurweise über die zu belichtenden Bereiche geführt. Das Lasersintern wird neben der Herstellung von Prototypenbauteilen auch für die Herstellung von Werkzeugen für den Spritzguß und Druckguß (Rapid Tooling) eingesetzt. Die geringe Aufbaurate des im Verfahren des Lasersinterns hergestellten Bauteile führt dazu, dass groß dimensionierte Bauteile sich nicht wirtschaftlich fertigen lassen. Ferner ist dieses Verfahren auf Werkstücke mit geringem Volumen beschränkt. Nach der lokalen Erhitzung des Pulvers durch Absorption eines Teils der Laserstrahlung kühlt es wieder ab. Dabei tritt Volumenkontraktion auf, die zu Zugspannungen in der jeweiligen Schicht führt. Mit zunehmender Bauteilhöhe addieren sich diese Spannungen und das Werkstück verformt sich.The production of components using rapid prototyping enables the direct construction of a model from a 3D CAD data model. These processes are mostly designed for processing plastics. The process of selective laser sintering has been developed for the production of metallic workpieces. A metal powder is applied in layers according to a controlled model template and locally sintered by a laser beam and connected to the previous layer. For this purpose, the focused beam is scanned by the scanning unit over the areas to be exposed. In addition to the production of prototype components, laser sintering is also used for the production of tools for injection molding and die casting (rapid tooling). The low build-up rate of the components produced in the laser sintering process means that large-sized components cannot be manufactured economically. Furthermore, this method is limited to workpieces with a small volume. After local heating of the powder by absorption of part of the laser radiation, it cools down again. there volume contraction occurs which leads to tensile stresses in the respective layer. With increasing component height, these tensions add up and the workpiece deforms.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es ermöglicht auch großdimensionierte Bauteile wirtschaftlich herzustellen.The object of the present invention is to provide a method which also enables large-scale components to be produced economically.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.This object is achieved by a method with the features of claim 1. The subclaims represent advantageous developments.
Danach wird ein Bauteil so hergestellt, das zunächst das in einem CAD Systen entworfene Bauteil in einzelne Module zerlegt wird und diese Module so hergestellt werden, dass zunächst ein Grundkörper hergestellt und in einer Lasersinteranlage angeordnet wird und dass auf einer oder mehreren Flächen des Grundkörpers ein Körper, der sich aus der Differenz zwischen dem Grundkörper und der Modulendform ergibt, sukzessiv aus einem Pulvermaterial durch Lasersinterverfahren aufgebaut wird, so, dass nach Abschluß des Lasersinterprozesses ein die Endform aufweisendes Modul entsteht und dass die so hergestellten Module zu einem Bauteil zusammengesetzt werden.A component is then manufactured in such a way that the component designed in a CAD system is first broken down into individual modules and these modules are manufactured in such a way that a base body is first produced and arranged in a laser sintering system and that a body is located on one or more surfaces of the base body , which results from the difference between the base body and the final module shape, is built up successively from a powder material by laser sintering process, so that after the laser sintering process is completed, a module having the final shape is created and that the modules produced in this way are assembled into one component.
Vorteilhaft ist, wenn der Grundkörper aus Vollmaterial besteht.It is advantageous if the base body consists of solid material.
Die nach diesem Verfahren hergestellten Module werden als Module für Werkzeugeinsätze verwendet, die in ein Fertigungswerkzeug eingesetzt werden. So hergestellte Fertigungswerkzeuge können insbesondere für den KunststoffSpritzguß, den Druckguß, das Warmkom- paktieren, das Schmiedeverfahren und die Blechumformung eingesetzt werden. Dabei werden die Module, d.h. Grundkörper mit den auf deren einer oder mehreren Flächen durch Lasersintern generierten Körpern zu ei nem Werkzeugeinsatz montiert, d.h. miteinander verbunden. Die Verbinung ist z.B. eine Schraubverbindung. Die Module können auch zum Werkzeugeinsatz unter gleichzeitigem Einsatz in ein Fertigungswerkzeug montiert werden.The modules produced according to this process are used as modules for tool inserts that are used in a production tool. Manufacturing tools manufactured in this way can be used in particular for plastic injection molding, die casting, hot compaction, the forging process and sheet metal forming. The modules, ie basic bodies with the bodies generated on their one or more surfaces by laser sintering, become egg assembled, ie connected to each other. The connection is, for example, a screw connection. The modules can also be installed in a production tool for use with tools.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to the drawings. Show it:
Fig.l: Schematische Darstellung des Aufbauprozesses eines ModulsFig.l: Schematic representation of the process of building a module
Fig.2: Querschnitt durch ein herzustellendes BauteilFig.2: Cross section through a component to be manufactured
Fig.3: Darstellung des Aufbauprozesses der Module für das Bauteil nach Fig.2Fig. 3: Representation of the assembly process of the modules for the component according to Fig. 2
Fig.4 Darstellung eines modularen WerkzeugeinsatzesFig. 4 Representation of a modular tool insert
Fig.5 Modularer Werkzeugeinsatz im FertigungswerkzeugFig. 5 Modular tool insert in the manufacturing tool
Zur Durchführung des Verfahrens werden konventionelle lasersinteranlagen eingesetzt. Diese weisen einen Laser, meistens einen C02 oder Nd:YAG Laser, eine optische Vorrichtung mit einer Fokussierlinse, einen PC gesteuerten Galvanometer Scanner zur Ablenkung des Laserstrahles, eine Bauplattform auf der die Laserstrahlsinterteile erzeugt werden und eine Dosier- und Beschichtungseinheit, auf. Dabei ist der Ablauf des lasersinterverfahrens wie folgt: auf eine Arbeitsfläche wird eine dünne Pulverschicht aufgebracht und anschließend entsprechend der Schnittebene der Bauteilgeometrie mit einem Laserstrahl belichtet. Sukzessiv wird Schicht für Schicht ein dreidimensionaler Körper aufgebaut. Dazu müssen die in einem CAD-System konstruierten Körper zunächst über eine Schnittstelle in das STL-Datenformat konvertiert werden. Die Körper werden hier durch triangulierte Oberflächen beschrieben. Anschließend werden diese 3D-Daten in Schichten für jede Höhe des Bauteils zerlegt. Typische Schichthöhen sind 0,05 mm - 0,2 mm. Im Bauprozeß wird zunächst von einem Abstreifer eine dünne Lage Pulver über eine Plattform verteilt. Der fokussierte Laserstrahl mit einem Durchmesser von 0,2 - 0,5 mm belich tet dann die Kontur des Körpers und anschließend mit einem Füllalgorithmus spurweise das Volumen des Bau teils. Durch Absorption der Laserstrahlung werden die Pulverpartikel lokal an- bzw. aufgeschmolzen und bilden je nach zugeführter Energie eine Struktur mit einer Porosität von maximal 40 % bis hin zur vollständigen Verdichtung. Durch die relativ hohen Scangeschwindigkeiten im Vergleich zum Strahldurchmesser, ist die Dauer der lokalen Wärmezufuhr nur im Bereich von einigen Millisekunden. Der Wärmetransport innerhalb der Schicht findet durch Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung statt. Die Eigenschaften hinsichtlich Wärmeübertragung sowohl des Pulvers als auch der Atmosphäre beeinflussen dabei die Ausbildung des Temperaturprofils. Die minimale Wandstärke ist etwas größer als der Fokusdurchmesser, da durch Wärmeleitung auch die Bereiche in unmittelbarer Nähe des Laserstrahls über die Aktivierungsgrenze hinaus erhitzt werden .Conventional laser sintering systems are used to carry out the process. These have a laser, usually a C0 2 or Nd: YAG laser, an optical device with a focusing lens, a PC-controlled galvanometer scanner for deflecting the laser beam, a construction platform on which the laser beam sintered parts are generated and a dosing and coating unit. The process of the laser sintering process is as follows: a thin layer of powder is applied to a work surface and then exposed to a laser beam in accordance with the cutting plane of the component geometry. A three-dimensional body is built up layer by layer. For this purpose, the bodies constructed in a CAD system must first be converted into the STL data format via an interface. The bodies are described here by triangulated surfaces. This 3D data is then broken down into layers for each height of the component. Typical layer heights are 0.05 mm - 0.2 mm. In the construction process, a thin layer of powder is first distributed over a platform by a scraper. The focused laser beam with a diameter of 0.2 - 0.5 mm illuminates Then the contour of the body and then with a filling algorithm trace the volume of the part. By absorbing the laser radiation, the powder particles are melted or melted locally and, depending on the energy supplied, form a structure with a maximum porosity of 40% up to complete compaction. Due to the relatively high scanning speeds compared to the beam diameter, the duration of the local heat supply is only in the range of a few milliseconds. The heat transport within the layer takes place through radiation, convection and heat conduction. The heat transfer properties of both the powder and the atmosphere influence the formation of the temperature profile. The minimum wall thickness is slightly larger than the focus diameter, since the areas in the immediate vicinity of the laser beam are also heated above the activation limit by heat conduction.
In Fig.l ist schematisch der Aufbauprozess eines Lasersinterkörpers 1,2 auf einem Grundkörper 3,4 dargestellt. Die Grundkörper 3,4 werden durch Fräsen in verschiedenen Größenabstufungen in Serie vorgefertigt. Sie lassen sich auf diese Weise hochpräzise kostengünstig herstellen, da nur eine geringes Zerspanvolumen erforderlich ist. Der Konstrukteur wählt aus dem Sortiment der zur Verfügung stehenden Grundkörpern die geeignetesten Größen aus und paßt sie in die erforderliche CAD-Geometrie, die sich nach dem herzustellenden Werkzeug richtet, ein. Durch Subtraktion der Geometrie des Grundkörpers 3,4 von der Geometrie des fertigen Moduls wird die durch Lasersintern aufzubringende Struktur 1,2 ermittelt. Die Daten werden fertigungstechnisch aufbereitet und anschließend die Grundkörper 3,4 auf der Bauplattform 5 der Laserinteranlage plaziert. Der Bauprozeß wird gestartet und die die spätere Modulkontur ergebende Geometrie durch Lasersintern erzeugt.In Fig.l the process of building a laser sintered body 1, 2 on a base body 3, 4 is shown schematically. The basic bodies 3, 4 are prefabricated in series by milling in various sizes. In this way, they can be manufactured cost-effectively with high precision, since only a small machining volume is required. The designer selects the most suitable sizes from the range of available basic bodies and fits them into the required CAD geometry, which is based on the tool to be manufactured. By subtracting the geometry of the base body 3, 4 from the geometry of the finished module, the structure 1, 2 to be applied by laser sintering is determined. The data are processed in terms of production technology and the base bodies 3, 4 are then placed on the construction platform 5 of the laser intersystem. The building process is started and the geometry resulting from the later module contour is generated by laser sintering.
In Fig.2 ist ein Bauteil/Werkzeug 6 dargestellt, welches mittels der hergestellten Module hergestellt werden soll .2 shows a component / tool 6 which is to be produced by means of the modules produced.
Dazu werden, wie in Fig.3 dargestellt, drei Module 7,8,9, hergestellt. Jedes Modul 7,8,9, besteht aus einem Grundkörper 7a, 8a, 9a und einem auf diesem im Lasersinterprozess aufgebauten Körper 7b, 8b, 9b. Die Körper 7b, 8b, 9b ergeben sich, wie bereits oben beschrieben, aus der Differenz zwischen der Modulkontur 7,8,9 und dem Grundkörper 7a, 8a, 9a. Die Oberflächen der so hergestellten Module 7,8,9 werden nach dem Lasersinterprozess gefinisht. Die Module 7,8,9 werden vorzugsweise für ein Kunststoff Druck- oder Spritzgußwerkzeugeinsatz 10 eingesetzt, wie in Fig.4 dargestellt. Dazu werden vorher beim CNC-Fräsen in den Grundkörpern 7a, 8a, 9a Innengewinde vorgesehen, und die Grundkörper 7a, 8a, 9a miteinander durch eine Schraubverbindung 12 verbunden. Dadurch entsteht ein Werkzeugeinsatz 10, welches anschließend in ein Fertigungswerkzeug 11 eingesetzt wird. Vorzugsweise ist eine Schraubverbindung 13 vorgesehen. Die Fugen an den Nahtstellen der Module werden mit einer Dichtmasse geschlossen. For this purpose, as shown in FIG. 3, three modules 7, 8, 9 are produced. Each module 7, 8, 9 consists of a base body 7a, 8a, 9a and a body 7b, 8b, 9b built thereon in the laser sintering process. The bodies 7b, 8b, 9b result, as already described above, from the difference between the module contour 7,8,9 and the base body 7a, 8a, 9a. The surfaces of the modules 7, 8, 9 thus produced are finished after the laser sintering process. The modules 7, 8, 9 are preferably used for a plastic die or injection molding tool insert 10, as shown in FIG. For this purpose, internal threads are previously provided in the base bodies 7a, 8a, 9a during CNC milling, and the base bodies 7a, 8a, 9a are connected to one another by a screw connection 12. This creates a tool insert 10, which is then inserted into a production tool 11. A screw connection 13 is preferably provided. The joints at the seams of the modules are closed with a sealing compound.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile, insbesondere Werkzeugeinsätze, dadurch gekennzeichnet, dass das in einem CAD System entworfene Bauteil (6) zunächst in einzelne Module (7,8,9) zerlegt wird und diese Module so hergestellt werden, dass zunächst ein Grundkörper (7a, 8a, 9a) hergestellt und in einer Lasersinteranlage angeordnet wird und dass auf dem Grundkörper (7a, 8a, 9a) ein Körper (7b, 8b, 9b), der sich aus der Differenz zwischen dem Grundkörper (7a, 8a, 9a) und der Modulendform (7,8,9) ergibt, sukzessiv aus einem Pulvermaterial durch Lasersinterverfahren aufgebaut wird, so, dass nach Abschluß des Lasersinterprozesses ein die Endform aufweisendes Modul (7,8,9) entsteht und dass die so hergestellten Module (7,8,9) zu einem Bauteil (6) zusammengesetzt werden.1. A method for producing metallic components, in particular tool inserts, characterized in that the component (6) designed in a CAD system is first broken down into individual modules (7, 8, 9) and these modules are manufactured in such a way that a basic body ( 7a, 8a, 9a) is produced and arranged in a laser sintering system and that on the base body (7a, 8a, 9a) is a body (7b, 8b, 9b) which results from the difference between the base body (7a, 8a, 9a) and the final module shape (7,8,9) results, is successively built up from a powder material by laser sintering process, so that after the laser sintering process is completed, a module (7,8,9) having the final shape is created and that the modules (7, 8,9) can be assembled into a component (6).
2.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (6) als Werkzeugeinsatz (10) in ein Fertigungswerkzeug (11) eingesetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the component (6) is used as a tool insert (10) in a production tool (11).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (7a, 8a, 9a) aus Vollmaterial besteht.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the base body (7a, 8a, 9a) consists of solid material.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Module (7,8,9) zunächst miteinander zu einem Werkzeugeinsatz (10) und dann mit einem Fertigungswerkzeug (11) oder gleichzeitig miteinander und mit einem Fertigungswerkzeug (11), verbunden werden.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the modules (7, 8, 9) are first connected to one another to form a tool insert (10) and then to a production tool (11) or simultaneously to one another and to a production tool (11) ,
5.Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Schraubverbindung (12,13) ist . 5. The method according to claim 4, characterized in that the connection is a screw connection (12, 13).
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