EP1615767A1 - Rapid prototyping process - Google Patents
Rapid prototyping processInfo
- Publication number
- EP1615767A1 EP1615767A1 EP04727650A EP04727650A EP1615767A1 EP 1615767 A1 EP1615767 A1 EP 1615767A1 EP 04727650 A EP04727650 A EP 04727650A EP 04727650 A EP04727650 A EP 04727650A EP 1615767 A1 EP1615767 A1 EP 1615767A1
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- model
- layer
- intermediate layer
- thermal spraying
- metallic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
- C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
- C23C18/18—Pretreatment of the material to be coated
- C23C18/20—Pretreatment of the material to be coated of organic surfaces, e.g. resins
- C23C18/28—Sensitising or activating
- C23C18/30—Activating or accelerating or sensitising with palladium or other noble metal
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22C—FOUNDRY MOULDING
- B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
- B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings
- B22C9/061—Materials which make up the mould
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/115—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/12—Both compacting and sintering
- B22F3/1208—Containers or coating used therefor
- B22F3/1258—Container manufacturing
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- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
- C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
- C23C18/1601—Process or apparatus
- C23C18/1633—Process of electroless plating
- C23C18/1646—Characteristics of the product obtained
- C23C18/165—Multilayered product
- C23C18/1653—Two or more layers with at least one layer obtained by electroless plating and one layer obtained by electroplating
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- C23C18/18—Pretreatment of the material to be coated
- C23C18/20—Pretreatment of the material to be coated of organic surfaces, e.g. resins
- C23C18/2006—Pretreatment of the material to be coated of organic surfaces, e.g. resins by other methods than those of C23C18/22 - C23C18/30
- C23C18/2013—Pretreatment of the material to be coated of organic surfaces, e.g. resins by other methods than those of C23C18/22 - C23C18/30 by mechanical pretreatment, e.g. grinding, sanding
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- C23C18/18—Pretreatment of the material to be coated
- C23C18/20—Pretreatment of the material to be coated of organic surfaces, e.g. resins
- C23C18/22—Roughening, e.g. by etching
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- C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
- C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
- C23C18/18—Pretreatment of the material to be coated
- C23C18/20—Pretreatment of the material to be coated of organic surfaces, e.g. resins
- C23C18/28—Sensitising or activating
- C23C18/285—Sensitising or activating with tin based compound or composition
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/18—After-treatment
- C23C4/185—Separation of the coating from the substrate
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
- Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
Definitions
- the present invention relates to a method for producing injection molding, forming, stamping and casting tools.
- the conventional way of producing investment casting models, injection, forming and punching tools as well as prototypes is to manufacture the prototypes or the tools and models according to drawings on cutting and / or eroding machines.
- Processes including stereolithography, the method of laminated object production, fixed deposition modeling and laser sintering.
- a common feature of these processes is that a 3D CAD model is first created.
- the 3D CAD constructions are converted into volume data in the CAD system.
- the 3D volume model for rapid prototyping is then divided into cross sections on the PC. These cross sections have a layer thickness of approximately 0.1 to 0.2 millimeters. After the data has been transferred to a rapid prototyping machine, the original shape is created layer by layer from polymer plastics, paper, powdered metal or similar.
- the prototypes produced in this way can often only be used to assess functionality and design.
- the rapid prototyping processes can be used in part for the processes for producing the tools.
- the prototype / model is poured out in a mold with a clay or ceramic mass.
- the resulting negative impressions are dried in ovens. Liquid metal is then introduced into the dried mold.
- Rapid prototyping technology is applied to the manufacture of tools.
- a laser melts a ceramic powder, for example zirconium silicate, in layers around the model into a casting mold.
- Another method of producing molding, injection and pressing tools is to measure the prototype on a measuring machine and to pass the data on to a CNC machine.
- CAD data can also be used. Due to the tool and scanning head geometry, it is often not possible to produce an exact tool. A tool manufactured in this way has to be manufactured for use by extensive post-processing.
- the more modern methods such as stereolithography or laser sintering, also require the model or prototypes to be divided into segments that are later combined to form the tool. be set because the machines do not exceed a certain size (approx. 400 mm x 600 mm).
- US Pat. No. 6,257,309 B1 describes a method for producing an injection mold which can be produced by thermal spraying.
- a disadvantage of this method is that the positive impression of the model must be made of a material whose melting or softening temperature is above the temperature of the material applied by thermal spraying.
- a mold made of tool steel can only be produced in accordance with the methods presented in US Pat. No. 6,257,309 B1 if the models used have a melting or softening temperature of more than 1600 ° C. In this case, only ceramic models can be used. The production of such ceramic models is, however, very complex. Therefore, this method is hardly suitable for the production of models with small tolerances.
- a method is known in which a mold is produced by thermal spraying using a model which is produced by milling a soft metal block. After milling, i.e. before thermal spraying, a copper layer is applied to the soft metal.
- the disadvantage of this method is the very complex production of the model. Due to the necessity of the machining manufacturing process, it is not possible to produce models with fine surface contours or corresponding molded parts. In addition, the production of larger models requires a considerable amount of time, which could be a reason why this method has not yet been used economically.
- EP 0 781 625 A1 discloses a method for producing mold tools for the automotive industry, in which a negative model is first generated by stereolithography. A ceramic impression is then made from this negative model. print manufactured. In order to comply with the tolerances necessary for the automotive industry, this molding process is very complex. The molds must first be frozen and then fired ceramic. The sintered ceramic mold is then coated with tool steel by thermal spraying. In addition to the very complex manufacturing process, the fact that no larger molds can be produced with this process is part of the problem with this process, since such larger molds would have flaking or cracks in the ceramic model due to the high thermal energy.
- the invention is therefore based on the object of providing a method with which casting, injection, shaping and stamping tools can be produced quickly and precisely.
- the tools produced should be suitable for small series as well as for production.
- This object is achieved according to the invention by a process for the production of injection, forming, stamping and / or casting tools and prototypes, starting from
- step iii. or step iv. be backfilled.
- step iii. or step iv. is on a corresponding mass is applied to the covering in order to ensure the rigidity of the mold, to ensure absorption into the press and, on the other hand, to evenly dissipate the energy generated during the pressing or forming.
- the backfill can either be made of the same material as is applied by thermal spraying. But it is also possible to use other materials, if necessary
- step iii. or iv. it is also possible, after step iii. or iv. to remove the intermediate layer. Before that, of course, the model has to be detached from the manufactured shape. This process variant should be selected if the applied intermediate layer made of copper or nickel would behave disadvantageously when using the corresponding tools.
- the thickness of the coating does not play a decisive role.
- the covering has an average thickness of at least 4 mm.
- the method according to the invention makes it possible for the first time to easily produce dimensionally accurate casting tools from tool steel.
- the covering has a hardness of at least 35 HRC, in particular 50 HRC.
- the model can be made from all common materials.
- plastic preferably from CKF, polyamide, polymer resin, polyethylene, polypropylene, PMMA, GFK, polyvinyl chloride, polystyrene, epoxy resin, polyether ether ketone, polyether imide, polycarbonate, polyphenyl sulfone, polyurethane, NBR, SBR, polytetrafluoroethylene and phenolic resin ,
- This plastic model can preferably be laminated by stereolithography
- LOM Object Manufacturing
- LOM laminated object manufacturing
- the roughening of the surface of the model is carried out using an abrasive, preferably using silicon arbide with the P80 grit.
- the surface pretreatment can be carried out, for example, with a modified pressure jet system.
- the blasting system is operated at a pressure of 4 bar.
- a boron carbide nozzle with a diameter of 8 mm can be used as the jet nozzle.
- the average beam duration is 4.6 s. However, it can also be between 1 s and 15 s.
- SiC with a grain size of P80 with an average grain diameter of 200 to 300 ⁇ m is preferably used as the abrasive.
- blasting media that can be used are glass balls, broken glass, ceramics, high-grade corundum, mixed corundum, normal corundum, cast steel, wire grit, chilled cast iron, Alusat, shell granulate or dry-strip.
- two pressure circuits can be installed, one each for the transport of the blasting medium and the actual acceleration process. This modification results in a very constant volume flow and a large pressure range.
- a stream of compressed air transports the abrasive to the lowest possible pressure
- the flow conditions ensure, caused by a high volume flow of the blasting medium and a low proportion of compressed air, a low wear of the system and the blasting medium.
- the cross section is only reduced at the end of the transport hose in front of the mixing nozzle in order to set the desired volume flow.
- a constant volume flow of 1 l / min is preferably specified. However, volume flows between 0.1 l / min and 3 l / min can also be selected.
- compressed air volume flow 1 flows up to the nozzle, which can be continuously adjusted within a pressure range of 0.2-7 bar.
- the blasting medium which is conveyed into the mixing nozzle at a very low flow rate, is then accelerated by the high flow rate of the compressed air flow.
- the intermediate layer is coated with copper or nickel using an external currentless chemical process.
- the component is immersed in a colloidal solution (active bath).
- a colloidal solution active bath
- the palladium nuclei that are necessary for metallization and are already present in the activator solution are adsorbed on the plastic surface.
- the tin-II or tin-IV oxide hydrate additionally formed when immersed in the colloidal solution is dissolved by rinsing in an alkaline, aqueous solution (conditioning) and the palladium seed is thereby exposed.
- chemical reduction baths can be used to nickel or copper.
- the deposition of nickel is dealt with here as an example.
- the germinated and conditioned plastic surface is immersed in a nickel metal salt bath, which allows a chemical reaction in a temperature range between 82 ° C and 94 ° C.
- the electrolyte is generally a weak acid with a pH between 4.4 and 4.9.
- the intermediate layer applied without external current in particular by electrolytic processes.
- the thin copper or nickel coatings applied without external current can be reinforced with an electrolytically deposited metal layer.
- Coating components with layer thicknesses> 25 ⁇ m is not economical due to the low deposition rate of chemical coating processes.
- only a few coating materials can be deposited with the chemical coating processes, so that it is advantageous to use electrolytic processes for other technically important coating materials.
- Another important point is the Different properties of chemically and electrolytically deposited layers with layer thicknesses> 25 ⁇ m, for example leveling, hardness and gloss.
- the basics of electrolytic metal deposition can be found in B. Gaida, "Introduction to Electroplating", EG Leuze-Verlag, Saulgau, 1988 or in H. Simon, M. Thoma, "Applied Surface Technology for Metallic Materials", C. Hanser- Verlag, Kunststoff (1985).
- Plastic parts that have an electrically conductive layer due to an electroless coating process differ only slightly from those of the metals with regard to electrolytic metallization. Nevertheless, some points should not be neglected in the electrolytic metallization of metallized plastics. Due to the mostly low conductive layer thickness, the current density must be reduced at the beginning of the electrolytic deposition. If this point is not observed, the conductive layer may peel off and burn. Furthermore, care should be taken to ensure that annoying tarnish layers are removed with specially suitable decapitation baths. Furthermore, residual stresses can destroy the layer. When nickel layers are deposited from an ammoniacal bath, tensile stresses of the order of 400 to 500 MPa, for example, can occur.
- Additives such as saccharin and butynediol can change the structure of the nickel coatings in the form of a changed grain size and form microdeformations to promote the reduction of internal stresses, which can have a positive effect on a possible premature coating failure.
- a layer made of aluminum, titanium or their alloys is applied to the metallic layer of the molding tool or prototype produced using the method according to the invention, the surface of which is anodically oxidized or ceramized.
- Such anodically oxidized or ceramicized layers of aluminum, titanium or their alloys are known on metallic objects and are sold for example under the name Hart-Coat ® or Kepla-Coat ® by the company AHC endurentechnik GmbH & Co. OHG. These layers are characterized by a particularly high hardness and a high operating resistance and by mechanical stress.
- One or more further metallic layers can be arranged between the metallic layer deposited without external current and the layer of aluminum, titanium or their alloys.
- the further metallic layers arranged between the electrolessly deposited layer and the aluminum layer are selected depending on the intended use.
- the choice of such intermediate layers is well known to the person skilled in the art and is described, for example, in the book “The AHC Surface - Manual for Construction and Manufacturing", 4th extended edition 1999.
- Foreign ion storage is black colored, ceramic oxide layer made of aluminum, titanium or their alloys.
- the ceramic oxide layer made of aluminum, titanium or their alloys, colored black by foreign ions, is of particular interest for high-quality optical elements, especially in the aerospace industry.
- the model provided with the intermediate layer can be positioned and fixed in a frame.
- This variant should be selected if the external dimensions of the part to be manufactured are to be specified. This reduces mechanical rework.
- the covering can be filled in or backfilled within this frame. Thermal spraying or pouring out with an epoxy resin which may contain metal particles or with aluminum-containing foams are particularly suitable.
- the coating applied by thermal spraying is an alloyed tool steel. This makes it easy to make high-strength and extremely wear-resistant
- Manufacture tools in less time is thermal spraying using a wettable powder, which preferably consists of 30-50% by weight of molybdenum powder and 70-50% by weight of steel powder. It is particularly preferably such a powder which consists of 50% by weight of molybdenum powder and 50% by weight of steel powder.
- the tools produced in this way are suitable for normal use in production, ie their resilience is in no way inferior to that of a tool manufactured in a conventional manner from the same material. This makes it possible for the first time to produce a production-ready tool in a very short time, which also has significant advantages in terms of dimensional accuracy.
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Abstract
A method for producing injection-moulding, shaping, cutting and/or casting tools, as well as prototypes, starting from models, is characterised by the following steps: i. the model surface is roughened without a preliminary chemical treatment of the model surface; ii. an intermediate copper or nickel layer is applied to the surface of the model, the intermediate metallic layer not being applied by thermal spraying, CVD, PVD or laser treatment; iii. a metallic or ceramic coating is applied to the intermediate layer by thermal spraying; and iv. the model is removed from the intermediate layer.
Description
Rapid Prototyping-Verfahren Rapid prototyping process
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Spritz-, Umform-, Stanz- und Gusswerkzeugen.The present invention relates to a method for producing injection molding, forming, stamping and casting tools.
Der konventionelle Weg, Feingussmodelle, Spritz-, Umform- und Stanzwerkzeuge sowie Prototypen herzustellen, ist, den Prototypen bzw. die Werkzeuge und Modelle nach Zeichnungen auf spanenden und/oder erodierenden Maschinen zu fertigen.The conventional way of producing investment casting models, injection, forming and punching tools as well as prototypes is to manufacture the prototypes or the tools and models according to drawings on cutting and / or eroding machines.
Neuere Methoden zur Herstellung von Modellen/Prototypen sind die Rapid Prototyping-Newer methods for the production of models / prototypes are the rapid prototyping
Verfahren, unter anderen die Stereolithographie, die Methode der lamellierten Gegenstandsherstellung, fixiertes Absetzmodellieren und das Lasersintern.Processes, including stereolithography, the method of laminated object production, fixed deposition modeling and laser sintering.
Generell ist diesen Verfahren gemeinsam, dass zunächst ein 3D-CAD Modell erzeugt wird. Die 3D-CAD Konstruktionen werden in Volumendaten im CAD-System konvertiert.A common feature of these processes is that a 3D CAD model is first created. The 3D CAD constructions are converted into volume data in the CAD system.
Das 3D Volumenmodell für das Rapid Prototyping wird anschließend im PC in Querschnitte aufgeteilt. Diese Querschnitte haben dabei eine Schichtdicke von etwa 0,1 bis 0,2 Millimetern. Nach dem Übertragen der Daten auf eine Rapid Prototyping Maschine wird die ursprüngliche Form aus Polymer-Plastiken, Papier, pulverisiertem Metall oder ähnli- ehern Schicht für Schicht erzeugt.The 3D volume model for rapid prototyping is then divided into cross sections on the PC. These cross sections have a layer thickness of approximately 0.1 to 0.2 millimeters. After the data has been transferred to a rapid prototyping machine, the original shape is created layer by layer from polymer plastics, paper, powdered metal or similar.
Die so hergestellten Prototypen können oft nur für die Beurteilung auf Funktionsfähigkeit und Design herangezogen werden.The prototypes produced in this way can often only be used to assess functionality and design.
Für die Produktentwicklung und -Optimierung ist es zumeist notwendig, Materialeigenschaften und -verhalten möglichst nahe am Original zu untersuchen. Dafür werden die Teile aus den Materialien benötigt, die später in der Serienfertigung verwendet werden. Um die Werkzeuge für die Produktion sowie Kleinserien herstellen zu können, müssen Gussschalen, Kunststoffspritz-, Aluspritz- sowie Umform- und Stanzwerkzeuge durch me- chanische Bearbeitung gefertigt werden.For product development and optimization, it is usually necessary to examine material properties and behavior as closely as possible to the original. This requires the parts made of the materials that will later be used in series production. In order to be able to manufacture the tools for production as well as small series, cast shells, plastic injection, aluminum injection and forming and stamping tools have to be manufactured by mechanical processing.
Für die Verfahren zur Herstellung der Werkzeuge können die Rapid Prototyping-Verfahren teilweise angewendet werden.The rapid prototyping processes can be used in part for the processes for producing the tools.
Eine ältere Vorgehensweise, um Gussschalen für das Feingießen herzustellen, ist, einOne of the older ways of making cast trays for investment casting is one
Wachsmodell mehrmals solange zu beschlickern und zu besanden, bis sich eine dicke
Schicht um das Modell bildet. Anschließend wird das Wachs ausgeschmolzen und die Form gebrannt. Dann erst kann man das gewünschte Teil abgießen.To slip and sand over the wax model several times until there is a thick one Layer around the model. The wax is then melted out and the mold is fired. Only then can you pour the desired part.
Für das Sandgussgießen werden negative Holzmodelle angefertigt, die dann auf Platten montiert werden und mit sogenannten Formmaschinen in die Ober- und Unterkästen gedrückt werden. Die so entstandenen Hohlräume werden nach Zusammenfügen von Ober- und Unterkasten mit Aluminium- oder Stahlguss gefüllt.For the sand casting, negative wooden models are made, which are then mounted on plates and pressed into the upper and lower boxes with so-called molding machines. The resulting cavities are filled with cast aluminum or steel after the top and bottom boxes have been joined together.
Bei einem anderen Verfahren wird der Prototyp/das Modell in einer Form mit einer Ton- oder Keramikmasse ausgegossen. Die so entstandenen Negativabdrücke werden in Öfen getrocknet. In die getrocknete Form wird anschließend flüssiges Metall eingebracht.In another method, the prototype / model is poured out in a mold with a clay or ceramic mass. The resulting negative impressions are dried in ovens. Liquid metal is then introduced into the dried mold.
Die so hergestellten Prototypen müssen mit mechanischen Arbeitsverfahren wie Schleifen und Polieren weiter bearbeitet werden. Diese älteren Methoden, wie das Herstellen von Holzmodellen, sind zeitaufwendig und können bei komplizierten Teilen einige Wochen in Anspruch nehmen.The prototypes produced in this way must be further processed using mechanical working methods such as grinding and polishing. These older methods, such as making wooden models, are time-consuming and can take a few weeks for complex parts.
Neben diesen konventionellen Verfahren werden auch modernere und schnellere Arbeitverfahren eingesetzt (Rapid Tooling). Die Technologie des Rapid Prototyping wird dabei auf die Herstellung von Werkzeugen angewandt.In addition to these conventional methods, more modern and faster working methods are also used (rapid tooling). Rapid prototyping technology is applied to the manufacture of tools.
Eine dieser neueren Methoden ist das Lasersintern. Hierbei verschmilzt ein Laser schichtweise ein keramisches Pulver, zum Beispiel Zirkonsilikat, um das Modell zu einer Gießform.One of these newer methods is laser sintering. Here, a laser melts a ceramic powder, for example zirconium silicate, in layers around the model into a casting mold.
Methoden wie das Lasersintern sind schnell, sie erfordern jedoch eine relativ teure Maschinenausstattung.Methods such as laser sintering are fast, but they require relatively expensive machine equipment.
Eine weitere Methode zur Herstellung von Form-, Spritz- und Presswerkzeugen ist es, den Prototypen auf einer Messmaschine zu vermessen und die Daten an eine CNC-Ma- schine weiterzugeben. Alternativ können auch CAD-Daten verwendet werden. Durch die Werkzeug- und Abtastkopfgeometrie bedingt ist es hierbei oft nicht möglich, ein exaktes Werkzeug zu fertigen. Ein so hergestelltes Werkzeug muss durch aufwendige Nachbearbeitung für den Einsatz gefertigt werden.Another method of producing molding, injection and pressing tools is to measure the prototype on a measuring machine and to pass the data on to a CNC machine. Alternatively, CAD data can also be used. Due to the tool and scanning head geometry, it is often not possible to produce an exact tool. A tool manufactured in this way has to be manufactured for use by extensive post-processing.
Beim Herstellen von großen Werkzeugen müssen bei den moderneren Methoden, wie zum Beispiel der Stereolithographie oder dem Lasersintern, zudem die Modell oder Prototypen in Segmente geteilt werden, die später wieder zu dem Werkzeug zusammenge-
setzt werden, da die Maschinen eine bestimmte Größe (ca. 400 mm x 600 mm) nicht überschreiten.When producing large tools, the more modern methods, such as stereolithography or laser sintering, also require the model or prototypes to be divided into segments that are later combined to form the tool. be set because the machines do not exceed a certain size (approx. 400 mm x 600 mm).
Aus der US 6 305 459 ist bekannt, Formkerne aus Kunststoff, deren Inneres gekühlt wird, außen durch thermisches Spritzen mit einer metallischen Schicht zu überziehen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass nur einfache, rotationssymmetrische Gegenstände mit einer entsprechenden Schicht überzogen werden können. Flächige Gebilde, die keine Rotationsachse aufweisen, können mit diesem Verfahren nicht metallisiert werden, da sich durch die Geometrie bedingt sogenannte Hot-Spols, d.h. lokale Überhitzungen, bil- den und aufgrund der verwendeten thermischen Energie das Kunststoffsubstrat schmilzt.From US Pat. No. 6,305,459 it is known to mold plastic cores, the interior of which is cooled, with a metallic layer on the outside by thermal spraying. A disadvantage of this method is that only simple, rotationally symmetrical objects can be covered with a corresponding layer. Flat structures that do not have an axis of rotation cannot be metallized with this method, since so-called hot spols, i.e. local overheating, and the plastic substrate melts due to the thermal energy used.
Ferner beschreibt die US 6 257 309 B1 ein Verfahren zur Herstellung einer Spritzgussform, die durch thermisches Spritzen hergestellt werden kann. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass der Positiv-Abdruck des Modells aus einem Material gefertigt sein muss, dessen Schmelz- oder Erweichungstemperatur oberhalb der Temperatur des durch thermisches Spritzen aufgetragenen Materials ist. Dies bedeutet, dass eine Form aus Werkzeugstahl nur dann entsprechend den in der US 6257 309 B1 vorgestellten Verfahren hergestellt werden kann, wenn die verwendeten Modelle eine Schmelz- oder Erweichungstemperatur von mehr als 1600 °C aufweisen. In diesem Fall können folglich nur Modelle aus Keramiken verwendet werden. Die Herstellung solcher Keramikmodelle ist allerdings sehr aufwendig. Daher eignet sich dieses Verfahren so gut wie gar nicht zur Herstellung von Modellen mit geringen Toleranzen.Furthermore, US Pat. No. 6,257,309 B1 describes a method for producing an injection mold which can be produced by thermal spraying. A disadvantage of this method is that the positive impression of the model must be made of a material whose melting or softening temperature is above the temperature of the material applied by thermal spraying. This means that a mold made of tool steel can only be produced in accordance with the methods presented in US Pat. No. 6,257,309 B1 if the models used have a melting or softening temperature of more than 1600 ° C. In this case, only ceramic models can be used. The production of such ceramic models is, however, very complex. Therefore, this method is hardly suitable for the production of models with small tolerances.
Aus der GB 2 367 073 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Form durch thermisches Spritzen hergestellt wird unter Verwendung eines Modells, das durch Fräsen eines Weichmetallblocks gefertigt wird. Nach dem Fräsen, das heißt vor dem thermischen Spritzen, wird eine Kupferschicht auf das Weichmetall aufgebracht. Nachteilig bei diesem Verfahren ist die sehr aufwendige Herstellung des Modells. Auf- grund der Notwendigkeit des spanabhebenden Herstellverfahrens ist es nicht möglich, Modelle mit feinen Oberflächenkonturen herzustellen, beziehungsweise entsprechende Formteile. Darüber hinaus erfordert die Herstellung größerer Modelle einen erheblichen Zeitaufwand, was ein Grund dafür sein könnte, dass dieses Verfahren bisher keine wirtschaftliche Anwendung gefunden hat.From GB 2 367 073 a method is known in which a mold is produced by thermal spraying using a model which is produced by milling a soft metal block. After milling, i.e. before thermal spraying, a copper layer is applied to the soft metal. The disadvantage of this method is the very complex production of the model. Due to the necessity of the machining manufacturing process, it is not possible to produce models with fine surface contours or corresponding molded parts. In addition, the production of larger models requires a considerable amount of time, which could be a reason why this method has not yet been used economically.
Des weiteren ist aus der EP 0 781 625 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Gussformwerkzeugen für die Automobilindustrie bekannt, bei dem zuerst ein Negativmodell durch Stereolithographie erzeugt wird. Von diesem Negativmodell wird dann ein Keramikab-
druck gefertigt. Um die für die Automobilindustrie notwendigen Toleranzen einzuhalten, ist dieses Abformverfahren sehr aufwendig. Die Formen müssen zuerst gefroren und anschließend keramisch gebrannt werden. Die gesinterte Keramikform wird anschließend mit Werkzeugstahl durch thermisches Spritzen überzogen. Machteilig bei diesem Verfah- ren ist - neben dem sehr aufwendigen Herstellungsverfahren - die Tatsache, dass keine größeren Formen mit diesem Verfahren hergestellt werden können, da aufgrund der hohen thermischen Energie solche größeren Formen Abplatzungen oder Risse in dem Keramikmodell aufweisen würden. Deshalb ist die Herstellung größerer Umformwerk- zeuge, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie zur Herstellung von Motorhauben verwendet werden, nur durch Herstellung mehrer kleiner Formen möglich, die am Schluss zu einer großen Form zusammengesetzt werden. Dadurch ergeben sich allerdings Probleme in bezug auf die Maßhaltigkeit der Umformwerkzeuge.Furthermore, EP 0 781 625 A1 discloses a method for producing mold tools for the automotive industry, in which a negative model is first generated by stereolithography. A ceramic impression is then made from this negative model. print manufactured. In order to comply with the tolerances necessary for the automotive industry, this molding process is very complex. The molds must first be frozen and then fired ceramic. The sintered ceramic mold is then coated with tool steel by thermal spraying. In addition to the very complex manufacturing process, the fact that no larger molds can be produced with this process is part of the problem with this process, since such larger molds would have flaking or cracks in the ceramic model due to the high thermal energy. For this reason, the production of larger forming tools, such as those used in the automotive industry for the production of engine hoods, is only possible by producing several small molds, which are then assembled into one large mold. However, this creates problems with regard to the dimensional accuracy of the forming tools.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem schnell und präzise Guss-, Spritz-, Umform- und Stanzwerkzeuge hergestellt werden können. Die hergestellten Werkzeuge sollen sich sowohl für Kleinserien als auch für die Produktion eignen.The invention is therefore based on the object of providing a method with which casting, injection, shaping and stamping tools can be produced quickly and precisely. The tools produced should be suitable for small series as well as for production.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Spritz-, Umform-, Stanz- und/oder Gusswerkzeugen sowie Prototypen, ausgehend vonThis object is achieved according to the invention by a process for the production of injection, forming, stamping and / or casting tools and prototypes, starting from
Modellen, gekennzeichnet durch die Schritte: i. Aufrauhen der Oberfläche des Modells ohne chemische Vorbehandlung derModels characterized by the steps: i. Roughen the surface of the model without chemical pretreatment
Oberfläche des Modells; ii. Aufbringen einer Zwischenschicht aus Kupfer oder Nickel auf die Oberflä- ehe des Modells, wobei die metallische Zwischenschicht nicht durch thermisches Spritzen, CVD, PVD oder Laserbehandlung aufgebracht wird; iii. Aufbringen eines metallischen oder keramischen Belags auf die Zwischenschicht durch thermisches Spritzen; und iv. Entfernen des Modells von der Zwischenschicht.Surface of the model; ii. Applying an intermediate layer of copper or nickel to the surface of the model, the metallic intermediate layer not being applied by thermal spraying, CVD, PVD or laser treatment; iii. Applying a metallic or ceramic coating to the intermediate layer by thermal spraying; and iv. Remove the model from the intermediate layer.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren des Standes der Technik wird bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kein Negativabdruck des Modells, zum Beispiel aus Keramik oder Metall, verwendet. Auf diese Weise ist es möglich, mit höherer Präzision zu arbeiten und die sowohl zeitaufwendige als auch technisch anspruchsvolle Anfertigung eines solchen Negativabdrucks zu umgehen.In contrast to the known methods of the prior art, no negative impression of the model, for example made of ceramic or metal, is used in the method of the present invention. In this way it is possible to work with greater precision and to avoid the time-consuming and technically demanding preparation of such a negative impression.
Die so hergestellten Spritz-, Umform-, Stand- und Gusswerkzeuge können in einem weiteren Schritt nach dem Schritt iii. oder Schritt iv. hinterfüllt werden. In diesem Fall wird auf
den Belag eine entsprechende Masse aufgebracht, um die Steifigkeit der Form sicherzustellen, eine Aufnahme in die Presse zu gewährleisten und andererseits die bei der Pressung oder Umformung entstehende Energie gleichmäßig abzuleiten. Die Hinterfüllung kann entweder durch das gleiche Material erfolgen, wie es auch durch thermisches Sprit- zen aufgebracht wird. Es ist aber auch möglich, andere Materialien, gegebenenfalls mitThe injection, forming, standing and casting tools produced in this way can be carried out in a further step after step iii. or step iv. be backfilled. In this case, is on a corresponding mass is applied to the covering in order to ensure the rigidity of the mold, to ensure absorption into the press and, on the other hand, to evenly dissipate the energy generated during the pressing or forming. The backfill can either be made of the same material as is applied by thermal spraying. But it is also possible to use other materials, if necessary
Metallpartikeln oder faserverstärkte Epoxyhar∑e, zu verwenden.Metal particles or fiber reinforced epoxy resins to use.
Es ist in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ebenfalls möglich, nach Schritt iii. oder iv. die Zwischenschicht zu entfernen. Zuvor muss natürlich das Modell von der hergestellten Form gelöst werden. Diese Verfahrensvariante ist dann zu wählen, wenn die aufgebrachte Zwischenschicht aus Kupfer oder Nickel sich nachteilig im Einsatz der entsprechenden Werkzeuge verhalten würde.In a further embodiment according to the invention, it is also possible, after step iii. or iv. to remove the intermediate layer. Before that, of course, the model has to be detached from the manufactured shape. This process variant should be selected if the applied intermediate layer made of copper or nickel would behave disadvantageously when using the corresponding tools.
Im Hinblick auf die möglich Hinterfüllung des Belages des durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Gusswerkzeuges spielt die Dicke des Belages keine entscheidende Rolle. In Bezug auf eine möglichst hohe Maßgenauigkeit ist es aber vorteilhaft, wenn der Belag eine durchschnittliche Dicke von mindestens 4 mm aufweist.With regard to the possible backfilling of the coating of the casting tool produced by the method according to the invention, the thickness of the coating does not play a decisive role. With regard to the highest possible dimensional accuracy, however, it is advantageous if the covering has an average thickness of at least 4 mm.
Wie bereits zuvor erwähnt, ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstmals mög- lieh, auf einfache Weise maßhaltegenaue Gusswerkzeuge aus Werkzeugstahl herzustellen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Belag eine Härte von mindestens 35 HRC, insbesondere von 50 HRC, auf.As already mentioned above, the method according to the invention makes it possible for the first time to easily produce dimensionally accurate casting tools from tool steel. According to a preferred embodiment, the covering has a hardness of at least 35 HRC, in particular 50 HRC.
Durch die hohe Härte wird eine hohe Verschleißfestigkeit erreicht. Das Modell kann aus allen gängigen Materialien hergestellt sein.Due to the high hardness, high wear resistance is achieved. The model can be made from all common materials.
Insbesondere kann es aus einem Kunststoff hergestellt sein, bevorzugt aus CKF, Polyamid, Polymerharz, Polyethylen, Polypropylen, PMMA, GFK, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Epoxidharz, Polyetheretherketon, Polyetherimid, Polycarbonat, Polyphenylsulfon, Poly- urea, NBR, SBR, Polytetrafluorethylen und Phenolharz. Dieses Kunststoffmodell kann in bevorzugter Weise durch Stereolithographie, LaminatedIn particular, it can be made from a plastic, preferably from CKF, polyamide, polymer resin, polyethylene, polypropylene, PMMA, GFK, polyvinyl chloride, polystyrene, epoxy resin, polyether ether ketone, polyether imide, polycarbonate, polyphenyl sulfone, polyurethane, NBR, SBR, polytetrafluoroethylene and phenolic resin , This plastic model can preferably be laminated by stereolithography
Object Manufacturing (LOM) oder durch Lasersintern hergestellt werden. Auf diese Weise lassen sich besonders einfach maßhaltegenaue Modelle in sehr kurzer Zeit herstellen. Es ist aber ebenfalls möglich, das Modell aus Holz oder Papier herzustellen. Auch hier ist ein bevorzugtes Herstellverfahren das Laminated Object Manufacturing (LOM).Object Manufacturing (LOM) or by laser sintering. In this way, it is particularly easy to produce accurate models in a very short time. But it is also possible to make the model out of wood or paper. Here, too, a preferred manufacturing process is laminated object manufacturing (LOM).
Ganz besonders bevorzugt handelt es sich erfindungsgemäß um ein Verfahren, bei dem das Aufrauhen der Oberfläche des Modells mit einem Strahlmittel, vorzugsweise mit Sili- ciumearbid mit der Körnung P80, durchgeführt wird.
Die Oberflächenvorbehandlung kann zum Beispiel mit einer modifizierten Druckstrahlanlage vorgenommen werden. Die Strahlanlage wird mit einem Druck von 4 bar betrieben. Als Strahldüse kann beispielsweise eine Borcarbiddüse mit einem Durchmesser von 8 mm eingesetzt werden. Die Strahldauer beträgt im Mittel 4,6 s. Sie kann aber auch zwi- sehen 1 s und 15 s betragen. Als Strahlmittel wird bevorzugt SiC der Körnung P80 mit einem mittleren Korndurchmesser von 200 bis 300 μm verwendet. Andere Strahlmittel, die verwendet werden können, sind Glaskugeln, Glasbruch, Keramik, Edelkorund, Mischkorund, Normalkorund, Stahlguss, Drahtkorn, Hartguss, Alusat, Schalengranulat oder Dry- Strip. Um das Strahlsystem speziell an die Anforderungen der zu behandelnden Kunststoffmodifikation hinsichtlich reproduzierbarer Oberflächentopographien anzupassen, können 2 Druckkreisläufe installiert werden, je einer für den Transport des Strahlmittels und den eigentlichen Beschleunigungsvorgang. Diese Modifikation ergibt einen sehr konstanten Volumenstrom und einen großen Druckbereich. Ein Druckluftstrom transportiert das Strahlmittel mit einem möglichst geringen Druck zurAccording to the invention, it is very particularly preferably a method in which the roughening of the surface of the model is carried out using an abrasive, preferably using silicon arbide with the P80 grit. The surface pretreatment can be carried out, for example, with a modified pressure jet system. The blasting system is operated at a pressure of 4 bar. For example, a boron carbide nozzle with a diameter of 8 mm can be used as the jet nozzle. The average beam duration is 4.6 s. However, it can also be between 1 s and 15 s. SiC with a grain size of P80 with an average grain diameter of 200 to 300 μm is preferably used as the abrasive. Other blasting media that can be used are glass balls, broken glass, ceramics, high-grade corundum, mixed corundum, normal corundum, cast steel, wire grit, chilled cast iron, Alusat, shell granulate or dry-strip. In order to adapt the blasting system specifically to the requirements of the plastic modification to be treated with regard to reproducible surface topographies, two pressure circuits can be installed, one each for the transport of the blasting medium and the actual acceleration process. This modification results in a very constant volume flow and a large pressure range. A stream of compressed air transports the abrasive to the lowest possible pressure
Düse. Die Strömungsverhältnisse gewährleisten, verursacht durch einen hohen Volumenstrom des Strahlmittels und einen geringen Anteil an Druckluft, einen geringen Verschleiß der Anlage und des Strahlmittels. Erst am Ende des Transportschlauches vor der Mischdüse wird der Querschnitt reduziert, um den gewünschten Volumenstrom einzustellen. Bei den Kunststoffvorbehandlungen wird bevorzugt ein konstanter Volumenstrom von 1 l/min vorgegeben. Es können jedoch auch Volumenströme zwischen 0,1 l/min und 3 l/min gewählt werden. Im zweiten Teil des Systems strömt bis zur Düse Druckluft (Volumenstrom 1), die sich in einem Druckbereich von 0,2-7 bar stufenlos einstellen lässt. Das Strahlmittel, welches mit einer sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeit in die Mischdüse gefördert wird, wird dann durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Druckluftstroms beschleunigt.Jet. The flow conditions ensure, caused by a high volume flow of the blasting medium and a low proportion of compressed air, a low wear of the system and the blasting medium. The cross section is only reduced at the end of the transport hose in front of the mixing nozzle in order to set the desired volume flow. In the case of plastic pretreatments, a constant volume flow of 1 l / min is preferably specified. However, volume flows between 0.1 l / min and 3 l / min can also be selected. In the second part of the system, compressed air (volume flow 1) flows up to the nozzle, which can be continuously adjusted within a pressure range of 0.2-7 bar. The blasting medium, which is conveyed into the mixing nozzle at a very low flow rate, is then accelerated by the high flow rate of the compressed air flow.
Die Zwischenschicht wird in einer weiteren, ebenfalls besonders bevorzugten Ausführungsform mittels eines außenstromlos chemischen Verfahrens mit Kupfer oder Nickel beschichtet.In a further, likewise particularly preferred embodiment, the intermediate layer is coated with copper or nickel using an external currentless chemical process.
Wie bereits die Verfahrensbezeichnung aussagt, wird bei der außenstromlosen Metallab- scheidung während des Beschichtungsprozesses keine elektrische Energie von außen zugeführt sondern die Metallschicht wird ausschließlich durch eine chemische Reaktion abgeschieden. Die Metallisierung von nichtleitenden Kunststoffen in einer chemisch reduktiv arbeitenden Metallsalzlösung benötigt einen Katalysator an der Oberfläche, um an diesem das metastabile Gleichgewicht des Metallreduktionsbades zu stören und an der Oberfläche des Katalysators Metall abzuscheiden. Dieser Katalysator besteht aus Edelmetallkeimen wie Palladium, Silber, Gold und vereinzelt Kupfer, die auf der Kunst-
Stoffoberfläche aus einem Aktivatorbad angelagert werden. Bevorzugt wird, verfahrenstechnisch begründet, jedoch eine Aktivierung mit Palladiumkeimen. Im wesentlichen erfolgt die Aktivierung der Substratoberfläche in zwei Schritten. In einem ersten Schritt wird das Bauteil in eine kolloidale Lösung (Aktivalorbad) eingetaucht. Dabei werden die für eine Metallisierung notwendigen, bereits in der Aktivatorlösung vorhandenen Palladiumkeime an der Kunststoffoberfläche adsorbiert. Nach der Bekeimung wird durch Spülen in einer alkalischen, wäßrigen Lösung (Konditionierung) das sich beim Eintauchen in die kolloidalen Lösung zusätzlich gebildete Zinn-Il- bzw. Zinn-IV-Oxidhydrat aufgelöst und dadurch der Palladiumkeim freigelegt. Nach dem Spülen kann mit chemi- sehen Reduktionsbädern vernickelt oder verkupfert werden.As the process designation already says, in the case of metal deposition without external current, no electrical energy is supplied from the outside during the coating process, but the metal layer is only deposited by a chemical reaction. The metallization of non-conductive plastics in a chemically reductive metal salt solution requires a catalyst on the surface in order to disrupt the metastable balance of the metal reduction bath and to deposit metal on the surface of the catalyst. This catalyst consists of precious metal nuclei such as palladium, silver, gold and occasionally copper, which are based on the art Fabric surface from an activator bath are deposited. It is preferred, based on process engineering, however, activation with palladium seeds. Essentially, the substrate surface is activated in two steps. In a first step, the component is immersed in a colloidal solution (active bath). The palladium nuclei that are necessary for metallization and are already present in the activator solution are adsorbed on the plastic surface. After germination, the tin-II or tin-IV oxide hydrate additionally formed when immersed in the colloidal solution is dissolved by rinsing in an alkaline, aqueous solution (conditioning) and the palladium seed is thereby exposed. After rinsing, chemical reduction baths can be used to nickel or copper.
Dies erfolgt in einem durch einen Stabilisator im metastabilen Gleichgewicht gehaltenen Bad, welches sowohl das Metallsalz als auch das Reduktionsmittel enthält. Die Bäder für die Nickel- bzw. Kupferabscheidung haben die Eigenschaft, die in ihnen gelösten Metallionen an den Keimen zu reduzieren und elementares Nickel oder Kupfer abzuscheiden. Im Beschichtungsbad müssen sich die beiden Reaktionspartner den Edelmetallkeimen an der Kunststoffoberfläche nähern. Durch die hierdurch stattfindende Redoxreaktion entsteht die Leitschicht, wobei die Edelmetallkeime dabei die Elektronen des Reduktionsmittels aufnehmen und sie bei Annäherung eines Metallions wieder abgeben. Bei dieser Reaktion wird Wasserstoff freigesetzt. Nachdem die Palladiumkeime mit Nickel bzw. Kupfer überzogen wurden, übernimmt die aufgebrachte Schicht die katalytische Wirkung.This is done in a bath kept in a metastable equilibrium by a stabilizer, which contains both the metal salt and the reducing agent. The baths for the nickel or copper deposition have the property of reducing the metal ions dissolved in them at the nuclei and of depositing elementary nickel or copper. In the coating bath, the two reactants have to approach the noble metal nuclei on the plastic surface. The resulting redox reaction creates the conductive layer, the noble metal nuclei taking up the electrons of the reducing agent and releasing them again when a metal ion approaches. This reaction releases hydrogen. After the palladium nuclei have been coated with nickel or copper, the applied layer takes on the catalytic effect.
Dies bedeutet, dass die Schicht von den Palladiumkeimen aus zusammenwächst, bis sie völlig geschlossen ist.This means that the layer grows together from the palladium seeds until it is completely closed.
Exemplarisch wird an dieser Stelle auf die Abscheidung von Nickel eingegangen. Beim Beschichten mit Nickel wird die bekeimte und konditionierte Kunststoffoberfläche in ein Nickelmetallsalzbad eingetaucht, welches in einem Temperaturbereich zwischen 82°C und 94°C eine chemische Reaktion zulässt. Der Elektrolyt ist im allgemeinen eine schwache Säure mit einem pH-Wert, der zwischen 4,4 und 4,9 liegt.The deposition of nickel is dealt with here as an example. When coating with nickel, the germinated and conditioned plastic surface is immersed in a nickel metal salt bath, which allows a chemical reaction in a temperature range between 82 ° C and 94 ° C. The electrolyte is generally a weak acid with a pH between 4.4 and 4.9.
Es ist aber auch möglich, in einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform auf die so außenstromlos aufgebrachte Zwischenschicht noch eine oder mehrere metallische Schichten, insbesondere durch elektrolytische Verfahren aufzubringen. Die außenstromlos aufgebrachten dünnen Kupfer- oder Nickelüberzüge können mit einer elektrolytisch abgeschiedenen Metallschicht verstärkt werden. Eine Beschichtung von Bauteilen mit Schichtendicken >25 μm ist aufgrund der niedrigen Abscheidungsgeschwin- digkeit chemischer Beschichtungsprozesse nicht wirtschaftlich. Weiterhin können mit den chemischen Beschichtungsprozessen nur wenige Beschichtungswerkstoffe abgeschieden werden, so dass es vorteilhaft ist, für weitere technisch wichtige Schichtwerkstoffe auf elektrolytische Verfahren zurückzugreifen. Ein weiterer wesentlicher Punkt sind die unter-
schiedlichen Eigenschaften chemisch und elektrolytisch abgeschiedener Schichten bei Schichtstärken > 25 μm , beispielsweise Einebnung, Härte und Glanz. Die Grundlagen der elektrolytischen Metallabscheidung sind in B. Gaida, „Einführung in die Galvanotechnik", E.G. Leuze-Verlag, Saulgau, 1988 oder in H. Simon, M. Thoma, „Angewandte Ober- flächentechnik für metallische Werkstoffe", C. Hanser- Verlag, München (1985) beschrieben.However, in a further, likewise preferred embodiment, it is also possible to apply one or more metallic layers to the intermediate layer applied without external current, in particular by electrolytic processes. The thin copper or nickel coatings applied without external current can be reinforced with an electrolytically deposited metal layer. Coating components with layer thicknesses> 25 μm is not economical due to the low deposition rate of chemical coating processes. Furthermore, only a few coating materials can be deposited with the chemical coating processes, so that it is advantageous to use electrolytic processes for other technically important coating materials. Another important point is the Different properties of chemically and electrolytically deposited layers with layer thicknesses> 25 μm, for example leveling, hardness and gloss. The basics of electrolytic metal deposition can be found in B. Gaida, "Introduction to Electroplating", EG Leuze-Verlag, Saulgau, 1988 or in H. Simon, M. Thoma, "Applied Surface Technology for Metallic Materials", C. Hanser- Verlag, Munich (1985).
Kunststoffteile, die durch einen außenstromlosen Beschichtungsprozess eine elektrisch leitende Schicht aufweisen, unterscheiden sich hinsichtlich der elektrolytischen Metallisierung nur unwesentlich von denen der Metalle. Trotzdem sollten einige Punkte bei der elektrolytischen Metallisierung von metallisierten Kunststoffen nicht außer acht gelassen werden. Aufgrund der meist geringen Leitschichtstärke muss die Stromdichte zu Beginn der elektrolytischen Abscheidung reduziert werden. Wird dieser Punkt nicht beachtet, kann es zum Ablösen und zum Verbrennen der Leitschicht kommen. Ferner sollte darauf geachtet werden, dass störende Anlaufschichten mit speziell dafür geeigneten Dekapier- bädern entfernt werden. Weiterhin können Eigenspannungen zum Zerstören der Schicht führen. Bei der Abscheidung von Nickelschichten aus einem ammoniakalischen Bad können beispielsweise Zugspannungen in der Größenordnung von 400 bis 500 MPa auftreten. Durch Zusätze, wie Saccharin und Butindiol, kann eine Veränderung der Struktur der Nickelüberzüge in Form einer veränderten Korngröße und Bildung von Mikrodeformatio- nen den Abbau von inneren Spannungen begünstigen, was sich auf ein mögliches vorzeitiges Versagen bei der Beschichtung positiv auswirken kann.Plastic parts that have an electrically conductive layer due to an electroless coating process differ only slightly from those of the metals with regard to electrolytic metallization. Nevertheless, some points should not be neglected in the electrolytic metallization of metallized plastics. Due to the mostly low conductive layer thickness, the current density must be reduced at the beginning of the electrolytic deposition. If this point is not observed, the conductive layer may peel off and burn. Furthermore, care should be taken to ensure that annoying tarnish layers are removed with specially suitable decapitation baths. Furthermore, residual stresses can destroy the layer. When nickel layers are deposited from an ammoniacal bath, tensile stresses of the order of 400 to 500 MPa, for example, can occur. Additives such as saccharin and butynediol can change the structure of the nickel coatings in the form of a changed grain size and form microdeformations to promote the reduction of internal stresses, which can have a positive effect on a possible premature coating failure.
Beispiele für außenstromlos aufgebrachte Metallschichten sind in dem Handbuch der Firma AHC Oberflächentechnik ausführlich beschrieben („Die AHC-Oberfläche", Hand- buch für Konstruktion und Fertigung, 4. Auflage, 1999).Examples of metal layers applied without external current are described in detail in the manual of the company AHC Oberflächentechnik ("The AHC surface", manual for construction and manufacture, 4th edition, 1999).
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf der außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formwerkzeugs bzw. Prototyps eine Schicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen aufgebracht, deren Oberfläche anodisch oxidiert oder keramisiert ist.In a further embodiment of the present invention, a layer made of aluminum, titanium or their alloys is applied to the metallic layer of the molding tool or prototype produced using the method according to the invention, the surface of which is anodically oxidized or ceramized.
Solche auf anodischem Wege oxidierten oder keramisierten Schichten aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen sind auf metallischen Gegenständen bekannt und werden beispielsweise unter der Bezeichnung Hart-Coat® oder Kepla-Coat® von der Firma AHC Oberflächentechnik GmbH & Co. OHG vertrieben. Diese Schichten zeichnen sich durch eine besonders hohe Härte und einen hohen Betriebswiderstand und über mechanischen Beanspruchungen.
Zwischen der außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht und der Schicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen können noch eine oder mehrere weitere metallische Schichten angeordnet sein.Such anodically oxidized or ceramicized layers of aluminum, titanium or their alloys are known on metallic objects and are sold for example under the name Hart-Coat ® or Kepla-Coat ® by the company AHC Oberflächentechnik GmbH & Co. OHG. These layers are characterized by a particularly high hardness and a high operating resistance and by mechanical stress. One or more further metallic layers can be arranged between the metallic layer deposited without external current and the layer of aluminum, titanium or their alloys.
Die weiteren, zwischen der stromlos abgeschiedenen Schicht und der Aluminiumschicht angeordneten metallischen Schichten sind je nach Einsatzzweck ausgewählt. Auswahl solcher Zwischenschichten ist dem Fachmann gut bekannt und beispielsweise in dem Buch „Die AHC-Oberfläche - Handbuch für Konstruktion und Fertigung" 4. erweiterte Auflage 1999 beschrieben.The further metallic layers arranged between the electrolessly deposited layer and the aluminum layer are selected depending on the intended use. The choice of such intermediate layers is well known to the person skilled in the art and is described, for example, in the book "The AHC Surface - Manual for Construction and Manufacturing", 4th extended edition 1999.
Ebenso ist es möglich, dass die Oberfläche eines solchen Gegenstands eine durchIt is also possible for the surface of such an object to pass through
Fremdioneneinlagerung schwarz gefärbte, keramische Oxidschicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen ist.Foreign ion storage is black colored, ceramic oxide layer made of aluminum, titanium or their alloys.
Die durch Fremdionen schwarz gefärbte keramische Oxidschicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen ist für hochwertige optische Elemente von besonderem Interesse, insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie.The ceramic oxide layer made of aluminum, titanium or their alloys, colored black by foreign ions, is of particular interest for high-quality optical elements, especially in the aerospace industry.
Die Herstellung von durch Fremdioneneinlagerung schwarz gefärbten keramischen Oxidschichten ist beispielsweise in der US-A-5035781 oder US-A-5075178 beschrieben. Die Erzeugung von Oxidkeramikschichten auf Aluminium oder Titan ist beispielsweise in der EP 0 545 230 B1 beschrieben. Die Herstellung von anodisch erzeugten Oxidschichten auf Aluminium ist beispielweise in der EP 0 112 439 B1 beschrieben.The production of ceramic oxide layers colored black by foreign ion incorporation is described, for example, in US-A-5035781 or US-A-5075178. The production of oxide ceramic layers on aluminum or titanium is described, for example, in EP 0 545 230 B1. The production of anodically produced oxide layers on aluminum is described, for example, in EP 0 112 439 B1.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das mit der Zwischenschicht versehene Modell in einem Rahmen positioniert und fixiert werden.In a further embodiment of the method according to the invention, the model provided with the intermediate layer can be positioned and fixed in a frame.
Diese Variante ist dann zu wählen, wenn die Außenabmessung des zu fertigenden Teils vorgegeben werden soll. Dadurch wird die mechanische Nacharbeit reduziert.This variant should be selected if the external dimensions of the part to be manufactured are to be specified. This reduces mechanical rework.
Innerhalb dieses Rahmens kann der Belag ausgefüllt oder hinterfüllt werden. Es eignen sich besonders das thermische Spritzen oder auch ein Ausgießen mit einem gegebenen- falls metallpartikelhaltigen Epoxyharz oder auch mit aluminiumhaltigen Schäumen.The covering can be filled in or backfilled within this frame. Thermal spraying or pouring out with an epoxy resin which may contain metal particles or with aluminum-containing foams are particularly suitable.
Bei dem durch thermisches Spritzen aufgebrachten Belag handelt es sich gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung um einen legierten Werkzeugstahl. Somit ist es auf einfach Weise möglich, hochfeste und extrem verschleißbeständigeAccording to a particularly preferred embodiment of the present invention, the coating applied by thermal spraying is an alloyed tool steel. This makes it easy to make high-strength and extremely wear-resistant
Werkzeuge in kürzerster Zeit herzustellen.
Eine Möglichkeit zur Herstellung solcher Beläge ist das thermische Spritzen mittels eines Spritzpulvers, welches vorzugsweise aus 30-50 Gew.-% Molybdänpulver und 70-50 Gew.- % Stahlpulver besteht. Besonderst bevorzugt handelt es sich um ein solches Pulver, welches aus 50 Gew.-% Molybdänpulver und 50 Gew.-% Stahlpulver besteht. Die so hergestellten Werkzeuge eignen sich für den normalen Einsatz in der Produktion, d.h. ihre Beanspruchbarkeit steht der eines auf herkömmliche Weise hergestellten Werkzeugs aus dem gleichen Material in nichts nach. Damit ist es erstmals möglich, ein produktionsreifes Werkzeug in sehr kurzer Zeit herzustellen, das zudem wesentliche Vorteile in bezug auf die Maßhaltigkeit aufweist.
Manufacture tools in less time. One possibility for producing such coverings is thermal spraying using a wettable powder, which preferably consists of 30-50% by weight of molybdenum powder and 70-50% by weight of steel powder. It is particularly preferably such a powder which consists of 50% by weight of molybdenum powder and 50% by weight of steel powder. The tools produced in this way are suitable for normal use in production, ie their resilience is in no way inferior to that of a tool manufactured in a conventional manner from the same material. This makes it possible for the first time to produce a production-ready tool in a very short time, which also has significant advantages in terms of dimensional accuracy.
Claims
1.) Verfahren zur Herstellung von Spritz-, Umform-, Stanz- und/oder Gusswerkzeugen sowie Prototypen, ausgehend von Modellen, gekennzeichnet durch die Schritte: i. Aufrauhen der Oberfläche des Modells ohne chemische Vorbehandlung der Oberfläche des Modells; ii. Aufbringen einer Zwischenschicht aus Kupfer oder Nickel auf die Oberfläche des Modells, wobei die metallische Zwischenschicht nicht durch thermisches Spritzen, CVD, PVD oder Laserbehandlung aufgebracht wird; iii. Aufbringen eines metallischen oder keramischen Belags auf die Zwischenschicht durch thermisches Spritzen; und iv. Entfernen des Modells von der Zwischenschicht.1.) Process for the production of injection, forming, stamping and / or casting tools and prototypes, based on models, characterized by the steps: i. Roughening the surface of the model without chemical pretreatment of the surface of the model; ii. Applying an intermediate layer of copper or nickel to the surface of the model, the metallic intermediate layer not being applied by thermal spraying, CVD, PVD or laser treatment; iii. Applying a metallic or ceramic coating to the intermediate layer by thermal spraying; and iv. Remove the model from the intermediate layer.
2.) Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt iii. oder iv. der Belag hinterfüllt wird.2.) Method according to claim 1, characterized in that after step iii. or iv. the surface is backfilled.
3.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt iii. oder iv. die Zwischenschicht entfernt wird.3.) Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that after step iii. or iv. the intermediate layer is removed.
4.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Belag eine durchschnittliche Dicke von mindestens 4 mm aufweist.4.) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the covering has an average thickness of at least 4 mm.
5.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Belag eine Härte von mindestens 35 HRC, insbesondere von mehr als 50 HRC, aufweist.5.) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the covering has a hardness of at least 35 HRC, in particular of more than 50 HRC.
6.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell aus Kunststoff, bevorzugt aus CKF, Polyamid, Polymerharz, Poly- ethylen, Polypropylen, PMMA, GFK, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Epoxidharz, Poly- etheretherketon, Polyetherimid, Polycarbonat, Polyphenylsulfon, Polyphenylensulfid, Polyarylamid, Polyurea, NBR, SBR, Polytetrafluorethylen oder Phenolharz besteht.6.) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the model made of plastic, preferably of CKF, polyamide, polymer resin, polyethylene, polypropylene, PMMA, GFK, polyvinyl chloride, polystyrene, epoxy resin, polyether ether ketone, polyetherimide, polycarbonate , Polyphenyl sulfone, polyphenylene sulfide, polyarylamide, polyurea, NBR, SBR, polytetrafluoroethylene or phenolic resin.
7.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell aus Kunststoff hergestellt ist, bevorzugt durch Stereolithographie, Laminated Object Manufacturing (LOM) oder Lasersintern. 7.) Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the model is made of plastic, preferably by stereolithography, laminated object manufacturing (LOM) or laser sintering.
8.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell aus Holz oder Papier hergestellt ist.8.) Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the model is made of wood or paper.
9.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauhen der Oberfläche des Modells mit einem Strahlmittel, vorzugsweise mit Siliciumcarbid mit der Körnung P80, durchgeführt wird.9.) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the roughening of the surface of the model is carried out with an abrasive, preferably with silicon carbide with the grain size P80.
10.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht mittels eines außenstromlos chemischen Verfahrens mit Kupfer oder Nickel beschichtet wird.10.) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the intermediate layer is coated with copper or nickel by means of an electroless chemical process.
11.) Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf die außenstromlos aufgebrachte Zwischenschicht eine weitere metallische Schicht, insbesondere durch ein elektrolytisches Verfahren, aufgebracht ist.11.) Method according to claim 10, characterized in that a further metallic layer, in particular by an electrolytic method, is applied to the intermediate layer applied without external current.
12.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht eine Schicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen aufgebracht ist, deren Oberfläche anodisch oxidiert oder keramisiert ist.12.) Method according to one of the preceding claims, characterized in that a layer of aluminum, titanium or their alloys is applied to the metallic layer deposited without external current, the surface of which is anodically oxidized or ceramicized.
13.) Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht und der Schicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen noch eine oder mehrere metallische Schichten angeordnet sind.13.) Method according to claim 12, characterized in that one or more metallic layers are arranged between the metal layer deposited without external current and the layer of aluminum, titanium or their alloys.
14.) Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Gegenstands eine durch Fremdioneneinlagerung schwarz gefärbte, keramische Oxidschicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen ist.14.) Method according to claim 12 or 13, characterized in that the surface of the object is a ceramic oxide layer made of aluminum, titanium or their alloys, which is colored black by the inclusion of foreign ions.
15.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Zwischenschicht versehene Modell in einem Rahmen positioniert und fixiert wird.15.) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the model provided with the intermediate layer is positioned and fixed in a frame.
16.) Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Rahmens der Belag ausgefüllt oder hinterfüllt wird, insbesondere durch thermisches Spritzen oder Ausgießen mit einem gegebenenfalls metallpartikelhaltigen Epoxyharz oder mit aluminiumhaltigen Schäumen. 16.) Method according to claim 15, characterized in that the covering is filled or backfilled within the frame, in particular by thermal spraying or pouring with an epoxy resin which may contain metal particles or with aluminum-containing foams.
17.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch thermisches Spritzen ein legierter Werkzeugstahl aufgebracht wird.17.) Method according to one of the preceding claims, characterized in that an alloyed tool steel is applied by thermal spraying.
18.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch thermisches Spritzen ein Spritzpulver, welches vorzugsweise aus 30-50 Gew.-% Molybdänpulver und 70-50 Gew.-% Stahlpulver, insbesondere aus 50 Gew.-% Molybdänpulver und 50 Gew.-% Stahlpulver, besteht, aufgebracht wird. 18.) The method according to any one of the preceding claims, characterized in that by thermal spraying a wettable powder, which preferably from 30-50 wt .-% molybdenum powder and 70-50 wt .-% steel powder, in particular from 50 wt .-% molybdenum powder and 50 wt .-% steel powder, is applied.
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