DE19831315A1 - Verfahren zur Herstellung von Prototypwerkzeugen mit dem Powder Injection Moulding Prozeß über ein Prototypwerkzeug aus Kunststoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Prototypspritzgießwerkzeugen oder -einsätzen in einem zweistufigen Prozeß, bei dem im ersten Schritt ein Negativ des Prototypwerkzeugs mit Verfahren des Rapid Prototyp (z. B. Stereolithographie) gefertigt wird und in das im zweiten Schritt über einen Powder Injection Moulding-Prozeß (PIM) ein mit Pulver gefüllter Kunststoff eingespritzt und so ein Abbild des Prototypwerkzeugs abgeformt wird. Nachfolgend wird der Kunststoff entfernt, und in einem Sinterprozeß wird das Pulver zum endgültigen Prototypwerkzeug verdichtet.

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Die Herstellung von Prototypwerkzeugen (Rapid Tooling) für Spritzgießprozesse bietet die Möglichkeit, in einem frühen Stadium der Produktentwicklung Prototypenformteile mit dem für die spätere Fertigung vorgesehenen Material und Verfahren herzustellen. Für eine höhere Stabilität und eine seriennähere Temperaturführung sind metallische Prototypwerkzeuge notwendig. Urformende Verfahren haben gegenüber generierenden Verfahren den Vorteil, daß die Komplexität keinen großen Einfluß auf die Fertigungszeit des Werkstücks hat. Zu den Urformverfahren zählen

• - das Feingießen, bei dem ein Wachsurmodell durch mehrfaches, abwechselndes Tauchen in einem keramischen Binder und anschließendem Besanden ummantelt wird. Hat diese Sand-Keramik-Schale eine Dicke von 6-15 mm erreicht, kann der Wachskern herausgeschmolzen und der Gießwerkstoff in die Form gefüllt werden. Zur Entformung wird die Schale von dem Werkstück abgeschlagen /1, 2/.
• - Ein weiteres Urformverfahren ist das Sandgußverfahren. Hierzu wird ein zweiteiliges Urmodell benötigt. Die Trennebene ist dabei mit der späteren Trennebene der Gußform identisch. Die Modellhälften werden jeweils in den Unter- und Oberkasten der Form in Sand eingefaßt. Nachdem das Urmodell aus dem Formsand herausgelöst wurde, können die Formhälften zusammengesetzt und ausgegossen werden. Zur Entformung wird die Gußform wieder geteilt /3-9/.
• - Zur Fertigung von Metallprototypwerkzeugen mit dem Gipsguß-Verfahren wird zunächst eine Negativform des Werkzeugs benötigt, in der ein Urmodell in Silikon abgeformt wird. Dieses wird in Gips eingeformt. Nach der Trocknung der Gipsform kann das Silikonpositiv entnommen und die Metallschmelze eingefüllt werden. Zur Entformung muß die Gipsform zerstört werden /3, 5/.
• - Bei dem Rapid Tooling-Verfahren der Firma Keltool wird nicht mit Metallschmelzen sondern mit metallpulvergefüllten Harzen gearbeitet. Hier wird aus einem Modell des Werkzeugs eine Silikon-Gußform erstellt, in die das Metallpulver-Harz-Gemisch gegossen wird. Nach der Entformung des konsolidierten Werkzeuggrünlings, wird in einem Sinterprozeß das Harz ausgetrieben und das Bauteil verdichtet. Abschließend wird das Werkzeug infiltriert /10/.

Das Selektive Lasersintern zählt nicht zu den Urformverfahren sondern gehört zu den generativen Verfahren. Hier wird auf einem verfahrbaren Stempel Metallpulver durch einen Laser schichtweise versintert. Nach jeder Schicht wird der Stempel um eine Schichtdicke abgesenkt und das Metallpulver für die nächste Schicht aufgetragen. Nach dem Fertigungsprozeß kann das überschüssige, nicht versinterte Metallpulver abgeklopft werden. Dieses Grünteil wird anschließend nachgesintert und mit niedrigschmelzenden Metallen infiltriert /11-23/.

Das Powder Injection Moulding (PIM) ist eine Variante des Spritzgießens, mit dem kompakte Bauteile aus einem sinterbaren Werkstoff hergestellt werden können. Hierzu wird ein mit Pulver gefüllter Kunststoff in Granulatform auf einer Spritzgießmaschine verarbeitet und so Grünlinge des späteren Bauteil erstellt. Diese Grünlinge werden nachfolgend debindert und gesintert /24-27/.

Nachteile des Standes der Technik

Das Feingießen ist durch die Prozeßschritte "Eintauchen in einem keramischen Binder, Besanden und Trocknen", die sich über Tage erstrecken können, ein sehr zeitaufwendiges Verfahren. Zusätzlich werden Urmodelle aus Wachs benötigt, die unter Umständen ebenfalls über Urformverfahren hergestellt werden müssen.

Hier bietet das Sandguß-Verfahren zwar zeitliche und finanzielle Vorteile, dieses läßt aber aufgrund der schlechten Oberflächenqualität und der begrenzten Abbildegenauigkeit keine detailreichen Modelle zu.

Mit dem Gipsguß-Verfahren können auch detaillierter Strukturen abgeformt werden. Aufgrund der geringeren Temperaturbeständigkeit ist allerdings nur die Verarbeitung von Leichtmetallen möglich. Zusätzlich weisen die hergestellten Bauteile aufgrund der geringen Wärmeleitung des Gipses und der daraus resultierenden geringeren Abkühlgeschwindigkeit ein um ca. 20% geringere Festigkeit im Vergleich von z. B. Druckgußbauteilen auf.

Beim Keltool-Verfahren werden relativ viele Prozeßschritte benötigt, um zum Prototyp- Werkzeug zu gelangen. Neben der Fertigung eines Urmodells ist hier zusätzlich eine Silikonform notwendig. Nach der Abformung schließen sich weiterhin ein Sinterprozeß und die Infiltrierung des Werkzeugs an. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß dieses Verfahren nur auf kleine Geometrien beschränkt ist.

Das Selektive Lasersintern bietet aufgrund der Möglichkeit, direkt aus den CAD-Daten das Werkzeug oder die Werkzeugschale zu fertigen, zeitliche Vorteile. Nachteilig ist aber, daß die erzeugten Oberflächen sehr rauh sind und sich das Bauteil aufgrund der großen Temperatur­ unterschiede beim Bauprozeß schnell verzieht, so daß diese meist recht massiv aufgebaut sind. Die massive Bauweise verlängert allerdings wieder die Fertigungszeit.

Das PIM-Verfahren wird zur Zeit zur Herstellung von gesinterten Metall- und Keramikteilen verwendet. Zur Formgebung werden bei diesem Verfahren Stahlwerkzeuge eingesetzt.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, welches es ermöglicht, Prototypen, Prototypwerkzeuge oder -einsätze mit dem PIM-Verfahren herzustellen. Dazu muß ein Negativ dieser Werkzeuge mit einem RP-Verfahren als Werkzeugeinsatz gefertigt werden. Weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein geeignetes Material zu verwenden, welches beim PIM-Prozeß eine adäquate Fließfähigkeit aufweist, um eine hohe Abbildegenauigkeit zu erreichen und die Kavität beim Füllvorgang nicht zu schädigen. Dieses Material muß weiterhin einen genügend hohen Pulveranteil aufweisen, um bei dem anschließ­ enden Sinterprozeß ausreichend verdichtet werden zu können. Die so hergestellten Prototyp­ werkzeuge sollen eine gute Oberflächenqualität und eine geringe Porösität sowie eine hohe Festigkeit aufweisen.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die Herstellung von Prototypwerkzeugen, -werkzeugschalen oder Werkzeugeinsätzen mit dem Powder Injection Moulding bietet folgende Vorteile:

Durch die Direktherstellung des Werkzeugnegativs mittels Rapid Prototyping Verfahren (z. B. Stereolithographie) läßt sich der aufwendige Verfahrensschritt der Modellherstellung einsparen. Je nach verwendetem RP-Verfahren und Ausstattung des Anwenders kann die Herstellung des Werkzeugnegativs ggf. auch intern erfolgen. Andernfalls kann der Anwender auf ein großes Dienstleisterangebot zurückgreifen.

Die Verwendung von RP-Negativformen zur Abformung der Prototypwerkzeuge hat weiterhin erhebliche zeitliche und finanzielle Vorteile gegenüber den beim PIM sonst eingesetzten Metallwerkzeugen.

Durch die Verwendung von Kunststoffen als Binder, lassen sich Viskositäten erzielen, die eine Verarbeitung im Spritzgießprozeß ermöglichen. Dies bietet die Vorteile bei der Abformgenauigkeit, dem Ausfüllen von kleinsten Strukturen und dem maximalen erreichbaren Pulveranteil. Das Füllen kleiner Strukturen wird durch den Einsatz einer Spritzgießmaschine unterstützt, da hiermit die Kavität zuerst mit hohen Drücken gefüllt werden kann und anschließend durch den Nachdruck die Volumenschwindung ausgeglichen wird. Insbesondere mit Stereolithographiekavitäten lassen sich so höchste Genauigkeiten erzielen, da die Stereolithographie bei Verwendung von Epoxidharzen die kleinste Auflösung und die glattesten Oberflächen unter den RP-Verfahren bietet.

Da durch den Sinterprozeß die Verdichtung von der Formgebung entkoppelt wird, können auch Pulver verwendet werden, die höhere Verarbeitungstemperaturen benötigen, (z. B. Stahl), die aber auch gleichzeitig eine höhere Festigkeit aufweisen. Dies bietet den Vorteil, daß mit dem späteren Prototypwerkzeug auch schwierig zu verarbeitende Materialien wie z. B. glasfaserverstärktes Polyamid verarbeitbar sind. Durch die Verdichtung beim Sinterprozeß wird auch keine Infiltrierung mit niedrigschmelzenden Metallen, wie beim Keltool-Verfahren z. B. mit Kupfer, notwendig, was eine weitere Schwächung des Werkzeugs bedeuten würde. Die aus dem Verdichtungsprozeß resultierende Schwindung muß bei der Konstruktion und der Herstellung des Werkzeugnegativs berücksichtigt werden, was bei der Herstellung von PIM-Bau­ teilen aber eine übliche Vorgehensweise darstellt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Schema des Prozeßablaufs für das PIM-Spritzgießen von Metallprototypwerkzeugen, werkzeugschalen oder -werkzeugeinsätzen.

Grundsätzlich können zur Herstellung des Werkzeugnegativs alle Rapid Prototyping- Verfahren eingesetzt werden. Ebenfalls können zum Füllen des Werkzeugnegativs prinzipiell alle Varianten des Spritzgießens eingesetzt werden. Möglich sind zusätzlich auch Preßverfahren. Als Binder sind alle Kunststoffe (z. B. Harze, Thermoplaste, Wachse) und als Füllstoff alle sinterbaren Materialien (z. B. Metallpulver, Keramikpulver) denkbar.

Beispiel: Herstellung des Werkzeugeinsatznegativs mittels der Stereolithographie und Fertigung des Prototypwerkzeugeinsatzes mit dem Metalpowder Iniection Moulding- Prozeß

Aus den CAD-Daten (1) des späteren Bauteils wird ein CAD-Modell des Werkzeugeinsatznegativs generiert, über das das spätere Prototypwerkzeug abgeformt werden soll. Mit diesen CAD-Daten wird ein File im STL-Format erzeugt (2) und das Werkzeugnegativ unter Berücksichtigung der für den späteren Sinterprozeß notwendigen Maßzugabe auf einer Stereolithographieanlage hergestellt (3). Das Negativ des Werkzeug­ einsatzes wird anschließend in ein Stammwerkzeug für das Spritzgießen eingesetzt (4), in einem MIM-Prozeß mit einem metallpulvergefüllten Wachs abgeformt (5) und anschließend entformt. Nach dem Debindern des Grünlings wird dieser durch einen Sintervorgang verdichtet (7). Gegebenenfalls muß eine Nachbehandlung (z. B. Oberflächenbehandlungen) zum fertigen Prototypwerkzeugeinsatz erfolgen (8).

LITERATUR

/1/ Lätchen, M. Rapid Prototyping - kaum konstruiert und schon als Titan- oder Aluminium-Feingußteil gefertigt, Tagungsumdruck, 4. Anwendertagung Produkt- und Prozeßentwicklung mit neuen Technologien, Dresden 1996, S. 299-307
/2/ Neumann, R. Auswahlkriterien für den Feinguß und den Präzisionssandguß, 8^th

European User Group Meeting, Darmstadt, 1996
/3/ Gebhardt, A. et. al. Serienqualität und -stückzahlen durch Abformprozesse, Tagungsumdruck, 4. Anwendertagung Produkt- und Prozeßent­ wicklung mit neuen Technologien, Dresden, 1996, S. 147-159
/4/ Behrend, U. Form- und Werkzeugherstellung mit Hilfe der Lasertechnik, Tagungsumdruck, 4. Anwendertagung Produkt- und Prozeßent­ wicklung mit neuen Technologien, Dresden, 1996, S. 161-183
/5/ Geuer, A. Einsatzpotential des Rapid Prototyping in der Produktent­ wicklung; Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg, New York; 1996
/6/ N. N. Sandguß, Firmenschrift der Firma EOS Electro Optical Systems, Tuttlingen, 1996,
/7/ N. N. The fastest way to cast metal prototypes, Firmenschrift der Firma EOS Electro Optical Systems, Tuttlingen, 1996,
/8/ Andrè, L.-E. Time-Compression Engineering and the Quest for Metal, Rapid News Vol. 3, 1995, S. 32-39
/9/ Wimpenny, D. et. al. Application of Rapid Prototyping to Sand Casting, EARP No. 6, 1995, S. 10-11
/10/ N. N. 3D Keltool™ for Rapid Manufacturing, Firmenschrift der Firma 3D Systems, Darmstadt, 1996
/11/ Gebhardt, A. Rapid Prototyping: Werkzeuge für die schnelle Produktent­ wicklung, Carl Hanser Verlag, München, Wien; 1996
/12/ Jacobs, P. F. Rapid Prototyping & Manufacturing, Fundamentals of Stereo­ lithography, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, USA, 1992
/13/ Keller, B. et. al. Rapid-Prototyping-Lasersinter-Technologie, Laser-Praxis, Juni, 1995, S. 46-48
/14/ Langen, M. Einsatz des Rapid Prototyping und Rapid Tooling im Rahmen eines Simultaneous Engineering in der Spritzgießverarbeitung, Dissertation an der RWTH-Aachen, 1997
/15/ div. Rapid Prototyping Systems, fast track to product realization Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, USA, 1993
/16/ Wood, L. Rapid Automated Prototyping, An Introduction Industrial Press Inc., New York, USA; 1993
/17/ N. N. Rapid Prototyping - Integrative Entwicklung von Kunststoff- und Metallbauteilen, Veröffentlichung der Firma grunewald & partner, K-Impulse, Information aus dem Kunststoff-Institut Lüdenscheid, Nr. 7, August 1996
/18/ Seitz, S. Rapid Tool - Vom Design zum Werkzeug in Tagen, Form + Werkzeug, 1, 1997, S. 24-28
/19/ Lorenzen, J. et. al. Rapid Tooling - Verfahren zur schnellen Herstellung von Prototypwerkzeugen, Tagungsumdruck Kapitel 8, Verkürzung von Entwicklungszeiten durch Rapid Prototyping, EURO- FORUM-Konferenz, Köln, 1996
/20/ N. N. SLS - Selective Laser Sintering, Systembeschreibung, Firmen­ schrift der Firma DTM GmbH, Hilden, 1996
/21/ N. N. Rapid Tool™ /LR - Formeinsätze in wenigen Tagen, Firmen­ schrift der Firma DTM GmbH, Hilden, 1996
/22/ Lohner, A. Der schnelle Weg zum Spritzgießwerkzeug - Lasergesinterte Kavitäten und Werkzeugeinsätze, Kunststoffe, November 1996, S. 1665-1669
/23/ Kauf, M. et. al. Lasergestütztes Rapid Tooling von Formwerkzeugen, Rapid Product Development, Proceedings, Stuttgart, 1996, S. 175-188
/24/ German, R. M. Powder Injection Molding
Metal Powder Industries Federation
Princeton, USA; 1990
/25/ Bielzer, R. Ermittlung von Kriterien zur systematischen Binderauswahl beim Pulverspritzgießen und Übertragung des Verfahrens auf PTFE, Dissertation an der RWTH Aachen, 1992
/26/ Barth, W. P. Pulverspritzgießen: Ein Beitrag zur Verarbeitung ultrahoch­ gefüllter Kunststoffe, Dissertation an der RWTH Aachen, 1988
/27/ German, R. M. Theory of Thermal Debinding, The International Journal of Powder Metallurgy, Vol. 23, No. 4. 1987, S. 237-245

Claims (3)

1. Verfahren zum Spritzgießen von Prototypwerkzeugen, nach dem Powder Injection Moulding (PIM)-Prozeß, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein Werkzeug für das PIM mittels Rapid Tooling-Verfahren hergestellt wird,
• b) dieses in einem Spritzgießprozeß nach dem Powder Injection Moulding eingesetzt wird,
• c) hierbei ein mit Pulver gefüllter Kunststoffen als Formmasse verwendet wird,
• d) dadurch nach der Formgebung ein Grünling des späteren Werkzeugs entsteht,
• e) dieses anschließend debindert und
• f) abschließend in einem Sintervorgang verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abformung des Prototypwerkzeugs mit dem Spritzprägeverfahren, dem Spritzpressen oder einem Preßverfahren erfolgt.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Werkzeugeinsätze oder Werkzeugschalen für das Rapid Tooling gefertigt werden, die anschließend mit geeigneten Werkstoffen hinterfüttert werden.