[0001] Die Erfindung betrifft ein verfahren zum Einbringen räumlich gestalteter, der Temperierung
dienender metallener Rohrleitungen in eine metallene Dauerform zum Urformen von Metallen
oder Kunststoffen unter Druck, wobei die Rohrleitungen dem räumlichen Verlauf der
Gravurflächen der Kavität (Formhohlraum) zumindest weitgehend angepaßt werden.
[0002] Dauerformen zum Urformen von Metallen unter Druckanwendung, beispielsweise von Aluminium-
oder Zinkdruckguß oder von Kunststoffen, durch Druck- oder Spritzgießen, sowie Formeinsätze
oder Kerne im Bereich der Kavität der Dauerform werden häufig mit der Temperierung
dienenden Kanälen versehen. Diese Kanäle werden während der Urformung mit einem Kühlmittel
beaufschlagt, das der Steuerung der Wärmeabfuhr beim Erstarren und Abkühlen des Formteils
dient.
[0003] Die Kanäle werden vorwiegend durch Bohren hergestellt und verlaufen daher geradlinig.
Das Anpassen der Kanäle an einen räumlichen Verlauf der Gravurflächen der Kavität
ist daher sehr schwierig. Hierzu werden im allgemeinen viele Bohrungen aus geeigneten
Richtungen eingebracht und in der Form miteinander verbunden. Da ein großer Teil der
Bohrungen aus Hilfsbohrungen besteht, müssen diese später wieder verschlossen werden.
Trotz des hohen Fertigungsaufwandes können die auf die vorgenannte Weise hergestellten
Kanäle nur abschnittsweise der Gravur folgen. Daher genügen die so hergestellten Dauerformen
unter Wärmeübertragungsaspekten den Anforderungen häufig nur sehr unzureichend. Darüber
hinaus bilden die notwendigen Hilfsbohrungen statische Schwachstellen der hochbelasteten
Dauerformen, die zum Ausgangspunkt von Ermüdungserscheinungen werden und dadurch zum
Ausfall der Dauerform führen können.
[0004] Bei einem anderen bekannten Verfahren werden die der Temperierung dienenden Kanäle
in der Weise gebildet, daß die Dauerform zunächst in einfache raumerfüllende geometrische
Körper, wie Platten, Zylinder, Kegel o. dgl., zerlegt werden. In diese Körper werden
dann die Kanäle eingefräst. Danach werden die einzelnen Körper unter Einfügung von
Dichtungen wieder zusammengesetzt. Dieses Verfahren kann nur dann Anwendung finden,
wenn die Zerlegung der Dauerform so vorgenommen werden kann, daß die einzelnen Körper
die Hohlform zumindest teilweise enthalten. Eine Dauerform mit nach diesem Verfahren
gebildeten Kanälen weist gegenüber einer Dauerform mit gebohrten Kanälen eine geringere
Steifigkeit auf. Außerdem können Dichtungsprobleme auftreten.
[0005] Bekannt ist ferner ein pulvermetallurgisches Verfahren, das es erlaubt, beliebig
gestaltete Temperiersysteme in Druckgußformen einzubringen (DE 44 26 544 A1). Bei
diesem Verfahren werden die Kanäle durch einen metallenen Werkstoff, insbesondere
Kupfer, modelliert. Die räumlich geformten Metallstäbe werden zunächst in einem Blechbehälter,
der die spätere Form enthalten bzw. darstellen soll, konstruktionsmäßig verlegt. Dann
wird der Behälter mit einem Metallpulver aufgefüllt und gasdicht verschlossen. Danach
wird das Metallpulver heißisostatische kompaktiert. Im Anschluß daran werden die Metallstäbe
aus dem Formkörper ausgeschmolzen und somit die Kühlkanäle freigelegt.
[0006] Aus der Literatur (Powder Matallurgy 1996, Vol. 39, No. 4) ist ein weiteres pulvermetallurgiches
Verfahren bekannt, bei dem Rohrleitungen aus Stahl räumlich beliebig in einem Behälter
verlegt und an den Enden mit diesem gasdicht verschweißt werden. Analog dem vorstehend
beschriebenen Verfahren wird der Behälter mit Metallpulver aufgefüllt, gasdicht verschlossen
und heißisostatisch gepreßt. Da die Stahlrohre bei diesem bekannten Verfahren von
innen mit dem Druckmedium der Heißisostatpresse beaufschlagt werden, bleibt ihr Öffnungsquerschnitt
während des Kompaktierungsprozesses bis auf eine isotrope Schwindung weitgehend unbeeinflußt.
[0007] Die beiden letztgenannten bekannten Verfahren zeichnen sich durch ihre nahezu beliebige
räumliche Gestaltungsfreiheit aus. Dennoch fanden diese Verfahren bisher nur wenig
Verbreitung. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Genauigkeit der Leitungsführung
in der fertigen Form erheblich eingeschränkt ist und damit in krassem Gegensatz zu
der sonst üblichen hohen Präzision des Formenbaus steht. Dieser Mangel ist die Folge
der nicht sehr genau vorhersehbaren Schwindung des Formenkörpers beim Kompaktierungsprozeß.
Im Formenbau sind die pulvermetallurgischen Verfahren nicht bekannt.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbringen räumlich gestalteter
Rohrleitungen in eine metallene Dauerform zu schaffen, das es ermöglicht, die Rohrleitungen
räumlich weitgehend frei, jedoch mit hoher Lagegenauigkeit zu gestalten und im Innern
einer metallenen Dauerform stoff- und formschlüssig zu verbinden.
[0009] Die gestellte Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs beschrieben Art dadurch
gelöst,
- daß die Dauerform bzw. der zu kühlende Formkörper oder Formeinsatz in eine Vielzahl
planparalleler Schichten, wie Rechteck-, Vieleck-, Zylinderplatten u. dgl., zerlegt
wird, die so bemessen sind, daß die spätere Gravur von den Schichten vielfach geschnitten
wird,
- daß jede Schicht mit mindestens einer Nut versehen wird, wobei die Nuten derart angeordnet
werden, daß sie mit dem gewünschten Verlauf der Kühlrohre entlang der Kontur der später
einzuarbeitenden Gravur übereinstimmen,
- daß in die Nuten die Kühlrohre eingefügt und befestigt werden,
- daß die Schichten in der richtigen Reihenfolge lagengenau zu der Gesamtform zusammengelegt
und fixiert werden,
- daß die zusammengelegten und fixierten Schichten in einen die Gesamtform allseitig
engumschließenden Blechcontainer eingekapselt werden, wobei der Blechcontainer im
Bereich der austretenden Kühlrohre entsprechende Öffnungen aufweist, durch die die
Kühlrohre hindurchgeführt sind,
- daß der Blechcontainer gasdicht verschlossen und luftleer gepumpt wird
- und daß der Blechcontainer derart heißisostatisch gepreßt wird, daß die einzelnen
Schichten untereinander und mit den Kühlrohren diffusiv verschweißt werden.
[0010] Da jede Schnittfläche der einzelnen Schichten dazu bestimmt ist, mindestens ein Kühlrohr
aufzunehmen, wird die Anzahl der Schichten durch die Anzahl der erforderlichen Kühlrohre
festgelegt.
[0011] Nach Abschluß des erfindungsgemäßen Verfahrens sind alle Teile metallurgisch miteinander
verbunden. Die diffusionsverschweißten Schichten sind nicht mehr trennbar.
[0012] Die Kontaktflächen der einzelnen Schichten sind so innig verbunden, daß sie weder
durch Ultraschallprüfung noch metallographisch wieder auffindbar sind. Die Festigkeit
des Diffusionsverbundes unterscheidet sich nicht von der Festigkeit des Grundwerkstoffs
der Dauerform.
[0013] Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte diffusionsverschweißte Dauerform
läßt sich weichglühen und in jeder sonstigen Weise bearbeiten, beispielsweise um die
Gravur in die Dauerform einzuarbeiten.
[0014] In Ausgestaltung der Erfindung wird zwischen den zusammengelegten und fixierten Schichten
und den Blechcontainer ein metallenes oder keramisches Pulverbett eingebracht.
[0015] Das Pulverbett hat - abhängig von der Art des gewählten Pulverbetts - unterschiedliche
Wirkungen. Ein metallenes Pulverbett, das zweckmäßigerweise aus artgleichem Werkstoffstahlpulver
gebildet ist, wird dann gewählt, wenn nach dem heißisostatischen Pressen eine feste
Verbindung zu den Schichten herbeigeführt werden soll. Hierbei dient das Pulverbett
dazu, Lücken, Spalte und Hohlräume auszugleichen. Ein keramisches, nicht sinteraktives
Pulverbett, beispielsweise aus Aluminium- oder Zirkoniumoxid, hat eine gegenteilige
Wirkung. In diesem Falle wird durch das heißisostatische Pressen keine Verbindung
zwischen den Schichten und dem Pulverbett sowie dem Blechcontainer gebildet, so daß
sich der Container zum Schluß mit geringem Aufwand entfernen läßt.
[0016] Das erfindungsgemäße Verfahren kann noch dadurch verbessert werden, daß der Blechcontainer
vor dem Verschließen mit Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, gespült wird und daß das
Verschließen des Blechcontainers unter Inertgas erfolgt. Hierbei erfolgt zweckmäßigerweise
das Verschließen des Blechcontainers bei Umgebungsdruck.
[0017] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Zerlegung der Dauerform bzw.
des zu kühlenden Formkörpers oder Formeinsatzes in Schichten sowohl senkrecht als
auch waagerecht zur Formentrennebene. Die Dauerform besteht somit aus senkrechten
und/oder waagerechten und/oder gemischten Stapeln planparalleler Schichten.
[0018] Nach einem anderen Merkmal der Erfindung erfolgt die Zerlegung der Dauerform bzw.
des zu kühlenden Formkörpers oder Formeinsatzes in Schichten sowohl senkrecht als
auch waagerecht zur Schließrichtung des Formwerkzeugs.
[0019] In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, daß die Zerlegung der Dauerform bzw.
des zu kühlenden Formkörpers oder Formeinsatzes in Schichten in beliebig im Raum angeordnete
Ebenen erfolgt.
[0020] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
metallenen Dauerform zum Urformen von Metallen oder Kunststoffen unter Druck ist die
Dauerform aus bekannten Formenstählen, wie Werkzeug- und Schnellarbeitsstählen, gebildet.
[0021] Bei einer anderen Ausführungsform der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
metallenen Dauerform zum Urformen von Metallen oder Kunststoffen unter Druck ist die
Dauerform aus bekannten Nickel-, Kupfer- oder Aluminiumlegierungen gebildet.
[0022] Die vorstehend genannten Werkstoffe haben sich im Formenbau bestens bewährt.
[0023] Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung besteht
darin, daß auch für die Kühlrohre Stähle, insbesondere Rostfreistähle, oder Nickel-,
Kupfer- und Aluminiumlegierungen verwendet werden.
[0024] Zweckmäßigerweise sind die einzelnen Schichten der Dauerform bzw. des zu kühlenden
Formkörpers oder Formeinsatzes mit Entlüftungskanälen versehen.
[0025] Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Dauerform kann noch dadurch
verbessert werden, daß die einzelnen Schichten der Dauerform bzw. des zu kühlenden
Formkörpers oder Formeinsatzes mit einer Profilierung versehen sind. Hierdurch werden
die Kontaktflächen der einzelnen Schichten miteinander verzahnt.
[0026] Eine weitere Verbesserung der Dauerform kann dadurch erreicht werden, daß die einzelnen
Schichten der Dauerform bzw. des zu kühlenden Formkörpers oder Formeinsatzes mit Zapfen,
Stiften o. dgl. versehen sind, die in entsprechende Ausnehmungen, die in den jeweils
angrenzenden Schichten vorgesehen sind, eingreifen. Dadurch ist eine sehr genaue Fixierung
der Bestandteile der Dauerform vor deren diffusivem Verschweißen gewährleistet.
[0027] Bei bestimmten Verläufen der Kühlrohre kann es zweckmäßig sein, daß zwischen oder
neben den mit mindestens einer Nut versehenen Schichten mindestens eine zusätzliche
Schicht vorgesehen ist, die keine Nut aufweist.
[0028] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Dauerformen schematisch dargestellt. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Draufsicht auf eine Dauerform;
- Fig. 2
- eine Vorderansicht eines Teils einer Dauerform;
- Fig. 3
- mehrere Schichten einer Dauerform in der Art einer Explosionszeichnung;
- Fig. 4
- eine Vorderansicht eines anderen Teils einer Dauerform;
- Fig. 5
- mehrere Schichten einer anderen Dauerform in der Art einer Explosionszeichnung;
[0029] Die in der Zeichnung dargestellten Dauerformen sind in Schichten 1 zerlegt und weisen
im Bereich der Schnittflächen der Schichten 1 Kühlleitungen 2 auf. Die Kühlleitungen
2 sind dabei der Gravur 3 der Kavität angepaßt. Der besseren Übersicht wegen sind
in der Fig. 1 die Kühlleitungen 2 durch dünne Vollinien dargestellt.
[0030] Die die Dauerform bildenden Schichten 1 sind mit Nuten 4 versehen (Fig. 3), in die
die Kühlleitungen 2 eingefügt sind. Es kann aber auch eine zusätzliche Schicht 1'
vorgesehen sein, die keine Nut aufweist. Wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist,
sind die zusammengelegten und fixierten Schichten 1 von einem Blechcontainer 5 eingekapselt,
aus dem die Kühlleitungen 2 nach außen hervorragen.
[0031] Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, können die Schichten 1 der Dauerform mit einer Profilierung
7 und/oder mit Zapfen 8 versehen sein.
[0032] Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Schichten 1 der Dauerform
Entlüftungskanäle 6 auf.
1. Verfahren zum Einbringen räumlich gestalteter, der Temperierung dienender metallener
Rohrleitungen in eine metallene Dauerform zum Urformen von Metallen oder Kunststoffen
unter Druck, wobei die Rohrleitungen dem räumlichen Verlauf der Gravurflächen der
Kavität (Formhohlraum) zumindest weitgehend angepaßt werden,
dadurch gekennzeichnet,
1.1 daß die Dauerform bzw. der zu kühlende Formkörper oder Formeinsatz in eine Vielzahl
planparalleler Schichten (1), wie Rechteck-, Vieleck-, Zylinderplatten u. dgl., zerlegt
wird, die so bemessen sind, daß die spätere Gravur (3) von den Schichten (1) vielfach
geschnitten wird,
1.2 daß jede Schicht (1) mit mindestens einer Nut (4) versehen wird, wobei die Nuten
(4) derart angeordnet werden, daß sie mit dem gewünschten Verlauf der Kühlrohre (2)
entlang der Kontur der später einzuarbeitenden Gravur (3) übereinstimmen,
1.3 daß in die Nuten (4) die Kühlrohre (2) eingefügt und befestigt werden,
1.4 daß die Schichten (1) in der richtigen Reihenfolge lagengenau zu der Gesamtform
zusammengelegt und fixiert werden,
1.5 daß die zusammengelegten und fixierten Schichten (1) in einen die Gesamtform
allseitig engumschließenden, gasdichten Blechcontainer (5) eingekapselt werden, wobei
der Blechcontainer (5) im Bereich der austretenden Kühlrohre (2) entsprechende Öffnungen
aufweist, durch die die Kühlrohre (2) hindurchgeführt sind,
1.6 daß der Blechcontainer (5) luftleer gepumpt und gasdicht verschlossen wird
1.7 und daß der Blechcontainer (5) derart heißisostatisch gepreßt wird, daß die
einzelnen Schichten (1) untereinander und mit den Kühlrohren (2) diffusiv verschweißt
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zusammengelegten
und fixierten Schichten (1) und dem Blechcontainer (5) ein metallenes oder keramisches
Pulverbett eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechcontainer (5)
vor dem Verschließen mit Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, gespült wird und daß das
Verschließen des Blechcontainers (5) unter Inertgas erfolgte.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschließen des Blechcontainers
(5) bei Umgebungsdruck erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerlegung
der Dauerform bzw. des zu kühlenden Formkörpers oder Formeinsatzes in Schichten (1)
sowohl senkrecht als auch waagerecht zur Formentrennebene erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerlegung
der Dauerform bzw. des zu kühlenden Formkörpers oder Formeinsatzes in Schichten (1)
sowohl senkrecht als auch waagerecht zur Schließrichtung des Formwerkzeugs erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerlegung
der Dauerform bzw. des zu kühlenden Formkörpers oder Formeinsatzes in Schichten (1)
in beliebig im Raum angeordnete Ebenen erfolgt.
8. Nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellte metallene Dauerform
zum Urformen von Metallen oder Kunststoffen unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dauerform aus bekannten Formenstählen, wie Werkzeug- und Schnellarbeitsstählen
gebildet ist.
9. Nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellte metallene Dauerform
zum Urformen von Metallen oder Kunststoffen unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dauerform aus bekannten Nickel-, Kupfer- oder Aluminiumlegierungen gebildet ist.
10. Dauerform nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kühlrohre (2)
Stähle, insbesondere Rostfreistähle, oder Nickel-, Kupfer- und Aluminiumlegierungen
verwendet werden.
11. Dauerform nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten
(1) der Dauerform bzw. des zu kühlenden Formkörpers oder Formeinsatzes mit Entlüftungskanälen
(6) versehen sind.
12. Dauerform nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen
Schichten (1) der Dauerform bzw. des zu kühlenden Formkörpers oder Formeinsatzes mit
einer Profilierung (7) versehen sind.
13. Dauerform nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen
Schichten (1) der Dauerform bzw. des zu kühlenden Formkörpers oder Formeinsatzes mit
Zapfen (8), Stiften o. dgl. versehen sind, die in entsprechende Ausnehmungen, die
in den jeweils angrenzenden Schichten (1) vorgesehen sind, eingreifen.
14. Dauerform nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
oder neben den mit mindestens einer Nut (4) versehenen Schichten (1) mindestens eine
zusätzliche Schicht (1') vorgesehen ist, die keine Nut aufweist.