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Die Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Die
DE 10 2014 200 234 A1 betrifft ein Werkzeug für die Warmumformung von Blechen mindestens teilweise gebildet aus einem Basisblock und einer Funktionsschicht, wobei die Funktionsschicht Kühlkanäle enthält. Dabei enthält die Funktionsschicht mehrere funktionale Schichten, die aufeinander aufbauend die Anbindung an den Basisblock herstellen und die als Kühlkanalgitter ausgestalteten in einem Laser-Sinter Verfahren hergestellten Kühlkanäle umfassen, wobei mindestens zwei der Kühlkanäle keinen gleichen räumlichen Verlauf besitzen.
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Gemäß der
DE 10 2018 106 405 A1 wird eine Gussformanordnung für ein Heißprägeformwerkzeug bereitgestellt. Die Gussformanordnung beinhaltet eine Gussform mit einem Körper, der eine Kavität definiert, sowie einen entfernbaren Kanaleinsatz. Der entfernbaren Kanaleinsatz wird in der Kavität positioniert und weist eine gekrümmte Form auf. Der entfernbaren Kanaleinsatz beinhaltet ebenso eine Vielzahl von Vorsprüngen, die den Einsatz in den Körper integrieren. Der entfernbaren Kanaleinsatz ist konfiguriert, um beim Entfernen des Einsatzes Einlässe und Aulässe für Fluid im Heißprägeformwerkzeug auszubilden.
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Bei der Herstellung eines Blechformteils lassen sich unterschiedliche Verfahrensschritte unterscheiden. Ein Schritt betrifft die eigentliche Umformung eines Rohlings bzw. Halbzeugs zur gewünschten Form. Diese Umformung kann in einer oder in mehreren Stufen erfolgen, wobei bekanntermaßen eine Warmumformung oder eine Kaltumformung möglich ist. Abgesehen von der Einstellung einer bestimmten dreidimensionalen Form wird oftmals, insbesondere im Anschluss an eine Warmumformung, auch eine Einstellung der Gefügestruktur vorgenommen. Dabei wird das Werkstück aus einem erwärmten Zustand (bspw. oberhalb der Austenitisierungstemperatur) gemäß einem vorgesehenen Zeit-Temperatur-Verlauf abgekühlt. Hierzu sind je nach Art des Bauteils und der gewünschten Gefügestruktur unterschiedliche Methoden bekannt. Im Allgemeinen resultiert aus dem gezielten Abkühlen eine größere Härte, weshalb man auch von einem Härten oder Vergüten des Werkstücks spricht.
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Zum einen ist eine nachträgliche Vergütung möglich, bei der das Werkstück aus dem Umformwerkzeug genommen, ggf. nochmals erwärmt und schließlich abgekühlt (z.B. abgeschreckt) wird. Beim Presshärten bzw. Formhärten hingegen erfolgt die Härtung bzw. Vergütung innerhalb des Formwerkzeugs, unmittelbar nach oder sogar während der Umformung. Um die notwendige Abkühlung des Werkstücks (bspw. eine Abkühlungsrate oberhalb von über 27 K/s) zu erreichen, muss das Umformwerkzeug effizient gekühlt werden. Dies geschieht üblicherweise über Kühlkanäle für ein flüssiges Kühlmittel (bspw. Wasser gegebenenfalls mit Beimischungen). Diese sollten dabei idealerweise in einem bestimmten, z.B. in etwa konstanten Abstand von der formgebenden Oberfläche verlaufen. Kühlkanäle, die wenigstens überwiegend der Kontur der formgebenden Oberfläche folgen, können als formangeglichene oder konforme Kühlkanäle bezeichnet werden. Da der Verlauf der formgebenden Oberfläche allerdings im Allgemeinen komplex ist, lassen sich diese Kühlkanäle selten durch einfache, gerade Bohrungen realisieren. Einerseits ist es möglich, das formgebende Werkzeugteil einstückig zu fertigen, wobei der Verlauf der Kühlkanäle im Allgemeinen suboptimal ist, was sich nachteilig auf den Härtungsvorgang und die Qualität des hergestellten Werkstücks auswirkt. Andererseits kann das Werkzeugteil aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt werden, wobei die Kühlkanäle teilweise auch zwischen den Einzelteilen ausgebildet sind. Hierbei lassen sich zwar im Prinzip beliebige Verläufe eines Kühlkanals realisieren, durch die Bauweise mit mehreren Einzelteilen erhöht sich jedoch der Fertigungsaufwand und somit auch die Kosten. Eine Möglichkeit, Richtungswechsel eines Kühlkanals innerhalb des Werkzeugteils zu realisieren, sind Kreuzbohrungen, d.h. zwei gerade Bohrungen, die sich innerhalb des Werkzeugteils schneiden. Der gewinkelte Verlauf des resultierenden Kühlkanals bringt allerdings erhöhte Reibung mit sich, zudem ist die Fertigung solcher Kreuzbohrungen aufwändig. Ein weiteres Problem ist, dass die formgebende Oberfläche ebenso wie die Kühlkanäle normalerweise wenigstens zum Teil durch spanende Bearbeitung des Werkzeugteils hergestellt werden. Dies ist aufwändig und mit hohem Verschleiß verbunden, da das Werkzeugteil eine besonders hohe Härte aufweist, die notwendig ist, um den Belastungen beim Presshärten Stand zu halten.
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Das hier beschriebene Problem der Fertigung von konformen Kühlkanälen ergibt sich nicht nur im Zusammenhang mit dem Presshärten sondern auch mit anderen formgebenden Verfahren wie bspw. Urformverfahren wie Aluminiumdruckguss oder Spritzguss. Auch bei diesen Verfahren ist eine gezielte Temperierung bzw. Kühlung des gefertigten Werkstücks innerhalb des Formwerkzeugs notwendig bzw. wünschenswert.
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Die
US 2019/ 0 100 820 A1 beschreibt eine Formhärtematrize, umfassend einen Körper, der eine Formfläche aufweist, Kühlkanäle innerhalb des Körpers und ein Heizelement innerhalb des Körpers, das von den Kanälen getrennt und abgesondert ist. Die Fertigung kann durch Ausbilden einer Matrize erfolgen, die eine Formfläche aufweist, sowie unter Verwendung von gedruckten Einsätzen, die dazu vorgesehen sind, Kühlkanäle auszubilden, und eines Heizelements innerhalb von Vollmaterial der Matrize. Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet der Schritt des Ausbildens der Matrize ein Positionieren der gedruckten Einsätze in einer Form und anschließendes Urformen eines Körpers aus Vollmaterial zu einer Matrize.
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Die
WO 2017/ 142 731 A1 beschreibt ein Gießwerkzeug für Metallteile mit einem oberen Werkzeugteil und einem unteren Werkzeugteil, welche zwischen sich eine Formkavität bilden. Jedes Werkzeugteil weist eine formgebende Fläche auf und wenigstens eines der Werkzeugteile weist einen Einsatz sowie einen Unter-Einsatz auf, die einen Teil der formgebenden Fläche bilden. Der Einsatz sowie der Unter-Einsatz sind aus dem Werkzeugteil entnehmbar und ersetzbar.
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Die
GB 2 548 629 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Formeinsatzes für ein Gießwerkzeug, wobei ein Hybridverfahren eingesetzt wird, welches additive und subtraktive Fertigung kombiniert. Der Einsatz bildet einen Teil einer Kavität zur Erzeugung eines Bauteils mit einer gewünschten Geometrie und weist individuell geformte Segmente auf, von denen jedes im Wesentlichen aus einer Struktur sechseckiger Zellen besteht, die eine offene Bienenwaben-Struktur bilden. Es werden konforme Kühlkanäle in den Formeinsatz eingearbeitet.
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In der Veröffentlichung „Added Value in Tooling for Sheet Metal Forming through Additive Manufacturing“, B. Mueller et al., Green Manufacturing for a Blue Planet: 30 January-1 February 2013, Stellenbosch; COMA 2013, S.51-57, wird die Fertigung eines Formwerkzeugs für Presshärten durch selektives Laserschmelzen beschrieben. Dabei werden konforme Kühlkanäle mit einer verzweigten Struktur in das Formwerkzeug eingearbeitet.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die geeignete Kühlung eines formgebenden Werkzeugteils noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kühlung eines formgebenden Werkzeugteils zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein Fertigungsverfahren für ein formgebendes Werkzeugteil eines Formwerkzeugs zur Verfügung gestellt. Insbesondere kann es sich bei dem Formwerkzeug um ein Presshärtwerkzeug handeln, also eine Vorrichtung, die sowohl eine Warmumformung eines metallischen Werkstücks, normalerweise eines Blechteils, zwischen zwei Formhälften durchführt, als auch eine gleichzeitig oder im Anschluss hieran erfolgende Härtung bzw. Vergütung. Letzteres bedingt, dass das Werkstück innerhalb des Presshärtwerkzeugs abgekühlt werden muss. Die beiden Formhälften können auch als Matrize und Patrize bezeichnet werden und schließen das Werkstück während der Umformung wenigstens teilweise zwischen sich ein. Hierfür wird wenigstens eine der beiden Formhälften in Richtung auf die andere Formhälfte verfahren. Die Härtung erfolgt, während das Werkstück zwischen den beiden Formhälften eingeschlossen ist. Das erfindungsgemäß gefertigte formgebende Werkzeugteil bildet in diesem Fall wenigstens einen Teil einer der Formhälften. Im Rahmen der Erfindung kann das Formwerkzeug allerdings auch bspw. für ein Urformverfahren wie Spritzgießen oder Aluminiumdruckguss ausgebildet sein.
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Mittels additiver Fertigung, d.h. mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, wird ein Werkzeugelement gefertigt. Ein derartiges additives Fertigungsverfahren kann auch dem Bereich des Rapid Prototyping bzw. des Rapid Manufacturing zugeordnet werden. Wie nachfolgend noch deutlich wird, kann das Werkzeugelement Teil des Werkzeugteils sein oder das Werkzeugelement kann mit dem Werkzeugteil identisch sein. Normalerweise wird das Werkzeugelement aus metallischem Material gefertigt. Die Fertigung erfolgt normalerweise, indem ein metallisches Pulver schichtweise aufgetragen und selektiv bereichsweise verbunden wird. Durch die Verbindung der einzelnen Schichten untereinander entsteht das dreidimensionale Werkzeugelement. Selbstverständlich erfolgt der Fertigungsprozess auf Basis vorgegebener Daten (z.B. CAM-Daten) des herzustellenden Objekts. Als metallisches Pulver wird hierbei jedes pulver- bzw. partikelförmige Material bezeichnet, das wenigstens ein Metall umfasst. Es kann sich auch um eine Legierung oder ein Gemisch aus Partikeln unterschiedlicher Metalle handeln. Das Pulver kann auch Halbmetalle oder Nichtmetalle enthalten, bspw. als Bestandteil einer Legierung. Als Metalle kommen u.a. Kupfer, Aluminium, Titan und Eisen infrage. Entsprechend ist ein metallisches Material ein Material, das wenigstens ein Metall umfasst.
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Um die notwendige Festigkeit für das Werkzeugelement herzustellen, ist es bevorzugt, dass als additives Fertigungsverfahren selektives Laserschmelzen (SLM) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM) oder „Binder Jetting“ angewendet wird. Dabei wird ein metallisches Pulver schichtweise aufgetragen und selektiv entsprechend der vorgesehenen dreidimensionalen Form verschmolzen. Eine Auftragvorrichtung trägt jeweils eine Schicht mit einer Dicke bspw. zwischen 10 µm und 500 µm auf, allerdings sind auch andere Schichtdicken möglich. Um einen glatten und gleichmäßigen Schichtaufbau zu ermöglichen, kann die Auftragvorrichtung eine Glättvorrichtung, z.B. eine Rakel, Bürste oder Klinge umfassen, die parallel zur Aufbaufläche bewegt wird und die Oberfläche des Pulvers glättet. Nach dem Auftragen einer jeweiligen Schicht wird das Pulver bereichsweise durch einen Laserstrahl (bei SLM) bzw. Elektronenstrahl (bei EBM) aufgeschmolzen und erstarrt anschließend. Auf diese Weise bildet sich aus dem Pulver ein zusammenhängender Festkörper. Gleichzeitig wird das Pulver der zuletzt hinzugefügten Schicht mit den Festkörperstrukturen der darunterliegenden Schicht oder mehrerer darunterliegende Schichten verschmolzen, wodurch ein Zusammenhalt der Schichten untereinander hergestellt wird. U.a. in Abhängigkeit von der Schichtdicke ist es möglich, dass das Material bis zu einer Tiefe aufgeschmolzen wird, die mehreren Schichtdicken entspricht. Alternativ oder ergänzend zu SLM oder EBM können auch andere Fertigungsverfahren wie bspw. selektives Lasersintern (SLS) angewendet werden.
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Das additivgefertigte Werkzeugelement weist ein Formbereich auf, dessen Oberfläche in fertigem Zustand wenigstens bereichsweise eine formgebende Arbeitsfläche des Werkzeugteils bildet. Der Formbereich entspricht dabei einem äußeren Bereich des zu fertigenden Werkzeugteils, der wenigstens teilweise an die formgebende Arbeitsfläche angrenzt. Die Arbeitsfläche ist dabei derjenige Teil der Oberfläche des Werkzeugteils, der beim Formungsprozess (z.B. beim Presshärten) mit dem Werkstück (bzw. bei einem Urformprozess mit dem anfänglich formlosen Rohmaterial) in Kontakt kommt und somit die Formgebung bestimmt bzw. mitbestimmt. Andere Teile des Formbereichs können sich dabei direkt oder indirekt an die Arbeitsfläche anschließen. Die formgebende Arbeitsfläche kann ganz oder teilweise durch die Oberfläche des Formbereichs gebildet sein. Der Formbereich wird additiv gefertigt, wobei unmittelbar nach Abschluss der additiven Fertigung nicht notwendigerweise der „fertige Zustand“ vorliegt. Vielmehr kann sich an die additive Fertigung noch eine weitere Bearbeitung bzw. Behandlung des Formbereichs anschließen, wodurch sich bspw. die exakte Form oder andere Eigenschaften der Oberfläche noch ändern können.
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Neben dem Formbereich weist das Werkzeugelement wenigstens einen ersten Kühlkanal für eine Kühlflüssigkeit auf. D.h., der jeweilige erste Kühlkanal ist dazu vorgesehen, beim Betrieb des Formwerkzeugs (z.B. im Rahmen des Presshärtens) eine Kühlflüssigkeit bzw. ein flüssiges Kühlmittel (normalerweise Wasser gegebenenfalls mit Beimischungen) zu leiten. Selbstverständlich können auch mehrere erste Kühlkanäle vorgesehen sein. Über den wenigstens einen ersten Kühlkanal kann in der Regel primär der Bereich der Arbeitsfläche gekühlt werden und somit sekundär auch das mit diesem in Kontakt stehende Werkstück. Um die notwendige Kühlung zu realisieren, kann der erste Kühlkanal wenigstens abschnittsweise benachbart zur Außenwandung, insbesondere benachbart zur Arbeitsfläche, verlaufen. Da die additive Fertigung eine nahezu beliebige Formgebung ermöglicht, kann der erste Kühlkanal ohne weiteres in einem beliebigen gewünschten Abstand zur Arbeitsfläche verlaufen, auch wenn diese eine komplizierte Form hat. D.h. es lässt sich ohne weiteres auch ein konformer Kühlkanal realisieren. Unabhängig vom Abstand zur Arbeitsfläche kann der erste Kühlkanal einen Verlauf unterschiedlichster Art aufweisen. Insbesondere lassen sich verschiedenartige Krümmungen realisieren, was vorteilhaft hinsichtlich des Strömungswiderstands ist, während ein abgewinkelter Verlauf normalerweise die Reibungsverluste erhöht. Bei der Krümmung kann es sich um einen einfachen Bogen handeln, bspw. einen Halbkreis oder Viertelkreis, oder bspw. um einen spiralförmigen oder mäandrierenden Verlauf.
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Wenigstens ein erster Kühlkanal weist einen Richterabschnitt auf, der bezüglich einer Sperrrichtung einen größeren Strömungswiderstand für Kühlflüssigkeit aufweist als bezüglich einer entgegengesetzten Durchlassrichtung. Der Richterabschnitt, der auch als Gleichrichterabschnitt bezeichnet werden könnte, bildet wenigstens einen Teil eines ersten Kühlkanals, ggf. auch einen gesamten ersten Kühlkanal. Die Besonderheit des Richterabschnitts liegt darin, dass sein Strömungswiderstand für die Kühlflüssigkeit von der Durchflussrichtung abhängt. Fließt die Kühlflüssigkeit in einer ersten Richtung, die hier als Sperrrichtung bezeichnet wird, durch den Richterabschnitt, erfährt sie einen größeren Strömungswiderstand als wenn sie in einer hierzu entgegengesetzten zweiten Richtung fließt, die als Durchlassrichtung bezeichnet wird. Dabei ist der Begriff „Sperrrichtung“ nicht dahingehend auszulegen, dass der Durchfluss der Kühlflüssigkeit in dieser Richtung vollkommen gesperrt ist, wenngleich dies im Rahmen der Erfindung denkbar wäre. Allerdings wird der Durchfluss in Sperrrichtung behindert, so dass sich - bei betragsmäßig gleicher Druckdifferenz zwischen den Enden des Richterabschnitts - ein geringerer Volumenstrom in Sperrrichtung einstellt als in Durchlassrichtung. Der Volumenstrom hat wiederum Einfluss auf die Kühlwirkung auf das umgebende Material des Werkzeugelements. Somit kann die Kühlwirkung eines Bereichs, der zum Richterabschnitt benachbart ist, allein durch die Durchflussrichtung der Kühlflüssigkeit beeinflusst werden. Daneben könnten bspw. andere erste Kühlkanäle vorgesehen sein, die keinen derartigen Richterabschnitt aufweisen, womit Volumenstrom und Kühlwirkung unabhängig von der Durchflussrichtung sind. Somit kann bspw. je nach Durchflussrichtung entweder eine gleichmäßige Kühlung realisiert werden oder eine lokal unterschiedliche Kühlung. Wie bereits erwähnt ist so eine bedarfsgerechte Anpassung des Härteverlaufs durch Anpassung der Kühlung für dieselbe Bauteilgeometrie erreichbar. Dies ist vorteilhaft beispielsweise für unterschiedliche Fahrzeugderivate oder Fahrzeugklassen mit unterschiedlichem Gewicht oder Anforderungen aber demselben Bauteil mit identischer dreidimensionaler Form ohne Werkzeuganpassung bzw. im selben Werkzeug. Der jeweilige Richterabschnitt kann insbesondere ein Tesla-Ventil aufweisen, dessen grundsätzliche Aufbau bspw. in der
US 1 329 559 A beschrieben ist.
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Unter Umständen weicht die Oberfläche des Formbereichs nach der additiven Fertigung geringfügig von der vorgesehenen Form ab. Dies kann bspw. damit zusammenhängen, dass durch einen schichtweisen Aufbau keine exakt glatten Flächen erzeugt werden. Auch ist es denkbar, dass es im Zuge des additiven Fertigungsverfahrens zu thermischen Verformungen des Werkzeugelements kommt, so dass es sich (geringfügig) verzieht. Um eventuelle Ungenauigkeiten zu beheben, kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Formbereichs nach ihrer additiven Fertigung abtragend nachbearbeitet wird. Die Nachbearbeitung kann hierbei spanend erfolgen, bspw. durch Fräsen.
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Gemäß der Erfindung weist wenigstens ein Richterabschnitt einen Hauptabschnitt auf sowie einen hiermit verbundenen Gegenstromabschnitt, der in Sperrrichtung betrachtet unter einem Winkel von weniger als 90° vom Hauptabschnitt abzweigt und unter einem Winkel von über 90° und somit gegenläufig wieder in den Hauptabschnitt einmündet. D.h. es lassen sich innerhalb des Richterabschnitts wenigstens zwei Abschnitte unterscheiden, nämlich der Hauptabschnitt sowie der Gegenstromabschnitt, welcher vom Hauptabschnitt abzweigt und auch wieder in diesen einmündet. Der Gegenstromabschnitt ist beiderseits flüssigkeitsleitend mit dem Hauptabschnitt verbunden. Insgesamt weist der Richterabschnitt also eine verzweigte Struktur auf. Betrachtet man den Verlauf des Hauptabschnitts in Sperrrichtung, so zweigt der Gegenstromabschnitt in einem Winkel von weniger als 90°, man könnte auch sagen, in einem spitzen Winkel, vom Hauptabschnitt ab. Hierdurch wird begünstigt, dass sich die Kühlflüssigkeit beim Durchströmen des Richterabschnitts in Sperrrichtung gewissermaßen aufteilt, so dass ein Teil durch den Hauptabschnitt strömt, während ein anderer Teil in den Gegenstromabschnitt strömt. Die den Gegenstromabschnitt durchströmende Kühlflüssigkeit gelangt schließlich wieder in den Hauptabschnitt, wobei der Gegenstromabschnitt allerdings nunmehr in einem Winkel von über 90°, man könnte auch sagen, in einem stumpfen Winkel, in den Hauptabschnitt einmündet. Dabei weist der Gegenstromabschnitt normalerweise eine Richtungsänderung auf, so dass er bspw. schleifenartig oder bogenförmig ausgebildet sein kann. Die Flüssigkeit erfährt dann beim Durchströmen des Gegenstromabschnitts eine wenigstens teilweise Bewegungsumkehr. Jedenfalls mündet der Gegenstromabschnitt gegenläufig in den Hauptabschnitt ein, d.h. ein Teilstrom, der dem Verlauf des Gegenstromabschnitts folgt, fließt gegenläufig (also in einem Winkel von über 90°) zu einem Teilstrom, der dem Verlauf des Hauptabschnitts folgt. Somit kommt es spätestens beim Aufeinandertreffen der beiden Teilströme zu wesentlichen Verwirbelungen und somit zu einer erheblichen Erhöhung des Strömungswiderstands. Der Verlauf der Teilströme im Hauptabschnitt und im Gegenstromabschnitt ist hier vereinfachend beschrieben und die tatsächlichen Strömungsverläufe können hiervon abweichen. In jedem Fall führt der beschriebene Verlauf des Gegenstromabschnitts zu einer erheblichen Vergrößerung des Strömungswiderstands. Die hier beschriebene Struktur ist bei einem Tesla-Ventil verwirklicht. Es versteht sich, dass der Hauptabschnitt sowie der Gegenstromabschnitt durch additive Fertigung hergestellt werden. Die Wirkung kann deutlich verstärkt werden, indem entlang des Hauptabschnitts eine Mehrzahl von Gegenstromabschnitten hergestellt werden.
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Gemäß eine weiteren Ausführungsform, die optional mit der oben beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, weist wenigstens ein Richterabschnitt einen Hauptabschnitt auf und wenigstens ein starres, in Durchlassrichtung geneigtes Leitelement erstreckt sich zur Mitte des Hauptabschnitts. Das Leitelement kann leitflügelartig oder leitschaufelartig ausgebildet sein. Seine Funktion besteht darin, im Betriebszustand den Kühlmittelstrom aufzuteilen und teilweise von der Mitte des Hauptabschnitts nach außen umzuleiten, wenn der Richterabschnitt in Sperrrichtung betrieben wird. Dies führt allgemein zu einer Vergrößerung des Strömungswiderstands. Wird der Richterabschnitt in Durchlassrichtung betrieben, kann die Kühlflüssigkeit hingegen innerhalb des Hauptabschnitts am Leitelement vorbeiströmen. Auch diese Struktur ist bei einem Tesla-Ventil verwirklicht, wobei jeweils ein Leitelement gleichzeitig eine Berandung eines Gegenstromabschnitts bildet. Es versteht sich, dass das Leitelement durch additive Fertigung hergestellt wird.
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Die Wirkung kann deutlich verstärkt werden, indem entlang des Hauptabschnitts eine Mehrzahl von Leitelementen hergestellt werden.
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Es ist auch möglich, bspw. im Zuge der additiven Fertigung, funktionale Elemente in das Werkzeugelement zu integrieren, die unabhängig von der additiven Fertigung vorgefertigt wurden. Bei derartigen funktionalen Elementen kann es sich bspw. um Sensoren handeln, die auf diese Weise in das Werkzeugteil integriert werden. Es ist dabei möglich, das Werkzeugelement um den eigentlichen Sensor herum additiv zu fertigen, so dass dieser gewissermaßen eingeschlossen wird. Denkbar wäre allerdings auch die Integration anderer funktioneller Elemente, wie bspw. eines Heizelements oder eines Ventilelements für einen Richterabschnitt. Insbesondere aufgrund der Temperaturführung im Werkzeug wäre auch der Einsatz eines Temperatursensors sinnvoll.
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Gemäß einer Ausführungsform können durch additive Fertigung eine Mehrzahl von Aussparungen innerhalb des Werkzeugelements erzeugt werden, die von jedem ersten Kühlkanal beabstandet sind. Die Funktion dieser Aussparungen kann bspw. in einer Gewichtsreduzierung bzw. einer Materialersparnis liegen. Darüber hinaus können diese Aussparungen allerdings auch dazu dienen, das Wärmeleitverhalten des Werkzeugelements zu verändern. Es versteht sich, dass ein Bereich des Werkzeugelements, der derartige Aussparungen aufweist, eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als ein massiv ausgebildeter Bereich. Die Wärmeleitfähigkeit kann sogar richtungsabhängig eingestellt werden, bspw. durch eine Bienenwabenstruktur, bei der sich die Aussparungen sowie die zwischen diesen ausgebildeten Wände parallel zueinander in eine Richtung erstrecken. In der entsprechenden Richtung ist die Wärmeleitfähigkeit dann höher als quer hierzu. Auch ist es möglich, die Aussparungen lediglich bereichsweise unterhalb der formgebenden Arbeitsfläche anzuordnen, so dass dort bereichsweise die Wärmeleitfähigkeit und somit der Wärmefluss von bzw. zur Arbeitsfläche verringert wird.
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Das Werkzeugteil kann unter Umständen allein durch das Werkzeugelement gebildet werden, d.h. Werkzeugelement und Werkzeugteil können identisch sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform weist das Werkzeugteil zusätzlich zum Werkzeugelement ein Basiselement auf. Im Zuge des Fertigungsverfahrens kann das Werkzeugelement wenigstens teilweise in eine Ausnehmung eines Basiselements des Werkzeugteils eingesetzt werden, wodurch wenigstens ein erster Kühlkanal flüssigkeitsleitend mit einem innerhalb des Basiselements ausgebildeten zweiten Kühlkanal verbunden wird. Das Basiselement ist im Allgemeinen hinsichtlich Volumen bzw. Gewicht größer ausgebildet als das Werkzeugelement, allerdings ist dies nicht zwangsläufig der Fall. Das Basiselement weist wenigstens einen zweiten Kühlkanal auf, der selbstverständlich ebenfalls zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit vorgesehen ist. Weiterhin weist das Basiselement eine Ausnehmung auf, die derart dimensioniert ist, dass sie das Werkzeugelement wenigstens teilweise aufnehmen kann. Insbesondere können die Innenabmessungen der Ausnehmung an die Außenabmessungen des Werkzeugelements angepasst sein. Im Zuge des Herstellungsverfahrens wird das Werkzeugelement wenigstens teilweise in die Ausnehmung eingesetzt. Die Abmessungen der Ausnehmung und des Werkzeugelements sowie die Position des ersten und zweiten Kühlkanals sind so aufeinander abgestimmt, dass der erste Kühlkanal durch das Einsetzen flüssigkeitsleitend mit dem zweiten Kühlkanal verbunden wird, d.h. der zweite Kühlkanal mündet in den ersten Kühlkanal bzw. umgekehrt. Somit kann im Betriebszustand Kühlflüssigkeit zwischen dem ersten und zweiten Kühlkanal ausgetauscht werden. Hierbei sind unterschiedlichste Ausgestaltungen denkbar. Insbesondere kann das Basiselement zwei zweite Kühlkanäle aufweisen, die durch einen einzigen ersten Kühlkanal miteinander verbunden werden. Die zweiten Kühlkanäle können dabei auf derselben Seite des Werkzeugelements angeordnet sein oder auf unterschiedlichen, bspw. gegenüberliegenden Seiten. Im ersteren Fall kann der erste Kühlkanal, der die beiden zweiten Kühlkanäle verbindet, gebogen oder schleifenartig ausgebildet sein.
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Bevorzugt bildet das Basiselement wenigstens bereichsweise die formgebende Arbeitsfläche des Werkzeugteils. D.h. diese formgebende Arbeitsfläche ist teilweise durch das Werkzeugelement (genau gesagt dessen Außenbereich) gebildet sowie teilweise durch das Basiselement. Somit ist es u.a. möglich, z.B. die mechanischen Eigenschaften der Arbeitsfläche selbst sowie ggf. auch die Wärmeleitung von und zur Arbeitsfläche bereichsweise zu modifizieren, derart, dass die entsprechenden Eigenschaften sich beim Werkzeugelement sowie beim Basiselement voneinander unterscheiden. Außerdem kann es vorteilhaft sein, das Basiselement in einem Nichtadditiven Verfahren, bspw. durch Urformung und anschließende abtragende Bearbeitung, zu fertigen, wodurch Teile der formgebenden Arbeitsfläche zeit- und kosteneffektiv gefertigt werden können.
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Insbesondere kann eine Modifikation oder Reparatur des Basiselements vorgenommen werden. In diesem Fall wird die Ausnehmung durch abtragende Bearbeitung des Basiselements erzeugt, wobei ein Abschnitt des Basiselements entfernt wird, der nachfolgend durch das Werkzeugelement ersetzt wird. D.h., vor der entsprechenden Bearbeitung war das Basiselement u.U. für sich genommen in einem formgebenden Verfahren einsetzbar. Entweder kann seine Einsatzfähigkeit durch Verschleiß in dem entsprechenden Abschnitt vermindert sein oder es kann schlicht eine Modifikation, gewissermaßen ein Nachrüsten, des entsprechenden Abschnitts erwünscht sein. Bspw. könnte eine größere Härte im Bereich der Arbeitsfläche gewünscht sein oder sogar eine lokal andere Geometrie der Arbeitsfläche. Beides ließe sich durch Entfernen des Abschnitts (bspw. durch Bohren, Fräsen, Erodieren oder Laserabtragung) und nachträgliches Einsetzen des Werkzeugelements erreichen. Auch könnte ein anderer Verlauf eines Kühlkanals innerhalb des entsprechenden Abschnitts erwünscht sein, bspw. derart, dass der Abstand des Kühlkanals von der vom gebenden Arbeitsfläche verändert wird. Der entsprechende Abschnitt mit dem darin liegenden Kühlkanal kann wie beschrieben entfernt werden und nachträglich kann das Werkzeugelement mit dem wunschgemäß ausgestalteten ersten Kühlkanal eingesetzt werden. Selbstverständlich wäre es auch möglich, ein Werkzeugelement einzusetzen, dass in Form und Zusammensetzung vollständig dem zuvor entfernten Abschnitt des Basiselements entspricht. Die hier beschriebene Variante wird als eigenständige Erfindung angesehen, auch wenn das zugehörige Fertigungsverfahren die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist, ohne dass ein erster Kühlkanal einen Richterabschnitt aufweisen muss.
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Bevorzugt kann wenigstens ein zweiter Kühlkanal vor dem Einsetzen des Werkzeugelements durch abtragende Bearbeitung des Basiselements hergestellt werden. D.h. es kann zur Herstellung dieses Kühlkanals auf das im Allgemeinen zeit- und kostenintensivere additive Fertigungsverfahren verzichtet werden, was insgesamt auch für das Basiselement gelten kann. Stattdessen kann das Basiselement bspw. gegossen werden und der zweite Kühlkanal anschließend durch abtragende Bearbeitung, insbesondere spanende Bearbeitung wie Bohren, hergestellt werden.
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Somit können innerhalb eines miteinander verbundenen Kanalsystems bspw. gerade Kühlkanäle als abtragend gefertigte zweite Kühlkanäle innerhalb des Basiselements realisiert sein, während z.B. gekrümmte oder abgewinkelte Kühlkanäle als additiv gefertigte erste Kühlkanäle innerhalb des Werkzeugelements realisiert sind.
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Die additive Fertigung eröffnet verschiedenste Möglichkeiten. Gemäß einer Ausgestaltung wird das Werkzeugelement aus einem einzigen Material, bspw. einem einzigen Metall gefertigt. Alternativ ist es aber auch möglich, dass unterschiedliche Bereiche des Werkzeugelements aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Dazu können bei einem Pulverbettverfahren bspw. unterschiedliche metallische Pulver aufgetragen und in sich sowie miteinander verschmolzen oder versintern werden. Dies kann zum einen genutzt werden, um unterschiedliche Oberflächeneigenschaften zu realisieren, wie bspw. eine bereichsweise erhöhte Härte oder Abriebfestigkeit. Darüber hinaus können bspw. unterschiedliche Materialien mit verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten kombiniert werden. So könnte bspw. im Formbereich ein härteres, wenngleich weniger wärmeleitfähiges Material wie Stahl eingesetzt werden, während in einem weiter von der Arbeitsfläche entfernten Bereich einen weniger robustes, allerdings wärmeleitfähigeres Material wie Kupfer oder Messing verwendet werden könnte. Die hier beschriebene Variante wird als eigenständige Erfindung angesehen, auch wenn das zugehörige Fertigungsverfahren die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist, ohne dass ein erster Kühlkanal einen Richterabschnitt aufweisen muss.
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Gemäß einer Ausgestaltung wird das Werkzeugelement wenigstens im Bereich der Arbeitsfläche aus einem härteren Material gefertigt als das Basiselement. Hierdurch kann ein beim Formverfahren mechanisch stark belasteter Bereich von vornherein besser vor Verschleiß geschützt werden. Zum anderen ist es auch möglich, einen von Verschleiß betroffenen Bereich wie oben beschrieben gewissermaßen zu reparieren und dabei gleichzeitig mechanisch zu verstärken. Dabei kann zum einen das gesamte Werkzeugelement aus einem härteren Material gefertigt werden als das Basiselement. Daneben wäre es möglich, dass z.B. lediglich der Formbereich im Zuge der additiven Fertigung aus einem härteren Material gefertigt wird. Schließlich wäre es möglich, dass die Oberfläche des Formbereichs mit einer Beschichtung versehen wird, die eine erhöhte Härte aufweist. Soweit hier von einem „härteren Material“ die Rede ist, schließt dies auch die Möglichkeit ein, dass bspw. eine härtere Gefügestruktur eingestellt wird, ohne dass eine andere chemische Zusammensetzung vorliegen muss.
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Normalerweise ist es nicht möglich, bspw. eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Werkzeugelement und dem Basiselement herzustellen, nachdem Ersteres eingesetzt wurde. Hierzu bieten sich Verstiftungen und/oder Verschraubungen an. Somit ergibt sich grundsätzlich das Problem, im Übergangsbereich vom ersten zum zweiten Kühlkanal einen flüssigkeitsdichten Anschluss zu realisieren. Dies wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung dadurch realisiert, dass bei der additiven Fertigung des Werkzeugelements eine Nut hergestellt wird, die eine Verbindungsöffnung umgibt, die endseitig eines ersten Kühlkanals zur Verbindung mit einem zweiten Kühlkanal ausgebildet ist, und vor dem Einsetzen des Werkzeugelements in die Ausnehmung ein elastisches Dichtungselement in die Nut eingesetzt wird. Die Verbindungsöffnung ist eine endseitige Öffnung des ersten Kühlkanals und ist dort angeordnet, wo der erste Kühlkanal aus dem Werkzeugelement austritt bzw. in dieses eintritt. Diese wird beim Einsetzen des Werkzeugelements in das Basiselement gegenüber einer entsprechenden Öffnung des zweiten Kühlkanals angeordnet. Im Zuge der additiven Fertigung wird um diese Verbindungsöffnung herum eine Nut hergestellt, die bspw. kreisförmig oder oval ausgebildet sein kann. Vor dem Einsetzen des Werkzeugelements wird ein elastisches Dichtungselement, bspw. ein O-Ring, in die Nut eingesetzt. Die Abmessungen der Nut und des Dichtungselement sind so abgestimmt, dass das Dichtungselement beim Einsetzen des Werkzeugelements in die Ausnehmung elastisch verformt wird. Dabei kann es sich wenigstens teilweise in die Nut hinein bewegen, sofern deren Abmessungen dies zulassen. Das Dichtungselement dichtet den Übergangsbereich zwischen dem Werkzeugelement und dem Basiselement im Bereich der Verbindungsöffnung ab, so dass ein Austritt von Kühlflüssigkeit idealerweise verhindert oder zumindest minimiert wird. Das Dichtungselement kann aus einem geeigneten Material gefertigt werden, bspw. einem gummielastischen Material wie Gummi oder Silikon. Da die Nut im Bereich der Verbindungsöffnung und somit im Bereich des ersten sowie zweiten Kühlkanals angeordnet ist, treten dort normalerweise im Betrieb keine besonders hohen Temperaturen auf. Falls es dennoch ausnahmsweise zu einer thermischen Beschädigung des Dichtungselement kommen sollte, kann dieses ohne größeren Aufwand ersetzt werden, indem das Werkzeugelement aus der Ausnehmung entfernt und das beschädigte Dichtungselement aus der Nut entnommen, und durch ein neues ersetzt wird. Die hier beschriebene Variante wird als eigenständige Erfindung angesehen, auch wenn das zugehörige Fertigungsverfahren die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist, ohne dass ein erster Kühlkanal einen Richterabschnitt aufweisen muss.
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Der Querschnitt der Nut kann in unterschiedlicher Weise gewählt werden, wobei die Wahl selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der Form des Dichtungselements steht. Insbesondere kann die Nut einen hinterschnittenen Querschnitt aufweisen. Dieser kann bspw. trapezförmig sein, so dass die Nut eine breite aufweist, die sich zur Oberfläche des Werkzeugelements hin verringert.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine perspektivische Darstellung von Teilen eines Werkzeugteils während eines ersten Schrittes eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine perspektivische Darstellung des Werkzeugteils aus 1 während eines zweiten Schrittes des Verfahrens;
- 3 eine vergrößerte Detailansicht von 1;
- 4 und 5 vergrößerte Schnittdarstellungen des Werkzeugteils aus 1;
- 6 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines Werkzeugteils während eines ersten Schrittes eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 7 eine perspektivische Darstellung von Teilen des Werkzeugteils aus 6 während eines zweiten Schrittes des Verfahrens;
- 8 eine perspektivische Darstellung des Werkzeugteils aus 6 während eines dritten Schrittes des Verfahrens;
- 9 - 12 verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäß gefertigten Werkzeugelementen;
Sowie
- 13 - 16 Schnittdarstellungen eines Richterabschnitts eines Kühlkanals eines erfindungsgemäß gefertigten Werkzeugteils.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung von Teilen eines Werkzeugteils 1, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann. Das Werkzeugteil 1 kann bspw. einen Teil einer Matrize oder Patrize eines (nicht dargestellten) Presshärtwerkzeugs bilden. Mittels des Presshärtwerkzeugs kann ein Blechteil warm umgeformt und gehärtet werden. Die Umformung geschieht u.a. an einer Arbeitsfläche 4 des Werkzeugteils 1. 1 zeigt schematisch einen Zwischenschritt des Fertigungsverfahrens, vor dem Zusammenfügen eines Werkzeugelements 10 mit einem Basiselement 20. Beide Elemente 10, 20 sind hier quaderförmig ausgebildet, was allerdings rein beispielhaft bzw. schematisch zu verstehen ist.
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Das Werkzeugelement 10 ist durch additive Fertigung, bspw. durch selektives Laserschmelzen (SLM) aus Stahl gefertigt. Im Zuge der additiven Fertigung wurde ein erster Kühlkanal 11 erzeugt, der insgesamt gebogen ausgebildet ist und in zwei erste Verbindungöffnungen 12 mündet. An einem Formbereich 10.1 des Werkzeugelements 10 ist eine Oberfläche 2 ausgebildet, die im fertigen Zustand einen Teil einer formgebenden Arbeitsfläche 4 des Werkzeugteils 1 bildet. Um die endgültige Form der Oberfläche 2 einzustellen, kann diese nach Ende der additiven Fertigung noch abtragend nachbearbeitet werden. Außerdem könnte eine harte Beschichtung, bspw. aus Wolframcarbid, aufgebracht werden.
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Der erste Kühlkanal 11 kann bei diesem sowie bei jedem der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele einen Richterabschnitt 15 aufweisen, welcher im Weiteren noch mit Bezug auf 13 - 16 erläutert wird.
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Das Basiselement 20 kann bspw. konventionell aus Werkzeugstahl gegossen sein und weist zwei zweite Kühlkanäle 21 auf, die gerade ausgebildet sind und in das Basiselement 20 hineingebohrt sein können. Des Weiteren weist das Basiselement 20 eine quaderförmige Ausnehmung 23 auf, die z.B. unmittelbar beim Gießen geformt werden kann oder aber nachträglich durch abtragende Bearbeitung wie bspw. durch Fräsen. Die Abmessungen der Ausnehmung 23 sind an diejenigen des Werkzeugelements 10 angepasst, so dass letzteres in die Ausnehmung 23 eingefügt werden kann. Die Kühlkanäle 21 münden jeweils in zweite Verbindungsöffnungen 22 am Rand der Ausnehmung 23. Eine Oberfläche 3 des Basiselements 20 bildet im fertigen Zustand ebenfalls einen Teil der formgebenden Arbeitsfläche 4.
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2 zeigt das Werkzeugteil 1 nach dem Einsetzen des Werkzeugelements 10 in die Ausnehmung 23 des Basiselements 20. Die Oberfläche 2 des Werkzeugelements 10 geht praktisch nahtlos in die Oberfläche 3 des Basiselements 20 über. Die ersten Verbindungsöffnungen 12 grenzen unmittelbar an die zweiten Verbindungsöffnungen 22 an, wodurch eine flüssigkeitsleitende Verbindung zwischen den Kühlkanälen 11, 21 gegeben ist. Genauer gesagt sind die zweiten Kühlkanäle 21 durch den gebogenen ersten Kühlkanal 11 miteinander verbunden, wobei die gebogene Form des ersten Kühlkanals, die sich durch additive Fertigung leicht erzeugen lässt, für einen optimalen Strömungswiderstand sorgt, im Unterschied zu abgewinkelten Kühlkanälen, welche sich durch Kreuzbohrungen erzeugen lassen.
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Um eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen dem ersten Kühlkanal 11 und den zweiten Kühlkanälen 21 zu gewährleisten, ist eine Abdichtung durch einen gummielastischen O-Ring 30 vorgesehen. Dieser wird in eine ringförmige Nut 13 eingefügt, die um die erste Verbindungsöffnungen 12 herum angeordnet ist, wie in der Detaildarstellung von 3 erkennbar. Wie aus den Schnittdarstellung in 4 und 5 hervorgeht, weist die Nut 13 einen hinterschnittenen Querschnitt auf und ist in ihren Dimensionen so auf den O-Ring 30 abgestimmt, dass dieser zunächst in die Nut 13 eingeklemmt werden kann, wie in 4 dargestellt, und nach dem Einsetzen des Werkzeugelements 10 in die Ausnehmung 23 durch das benachbarte Basiselement 20 in die Nut 13 hineingedrückt wird.
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Während eines Umformvorgangs wird ein Blechteil (bspw. nach vorhergehender Austenitisierung) zwischen dem Werkzeugteil 1 und einem weiteren Teil des Presshärtwerkzeugs (Matrize bzw. Patrize) umgeformt. Während des Umformens bzw. unmittelbar anschließend hieran wird eine Kühlflüssigkeit (normalerweise Wasser gegebenenfalls mit Beimischungen) durch die Kühlkanäle 11, 21 geleitet, wodurch eine starke Abkühlung der Arbeitsfläche 4 und somit auch des Blechteils erfolgt. Durch diese Abkühlung wird die Gefügestruktur des fertigen Blechteils maßgeblich beeinflusst. Die Abkühlung wiederum kann durch verschiedene Parameter beeinflusst werden, bspw. durch den Kühlmittelstrom, den Abstand der Kühlkanäle 11, 21 von der Arbeitsfläche 4 sowie die Wärmeleitung innerhalb des Werkzeugelements 10 und des Basiselements 20. Durch die additive Fertigung ist eine individuelle Gestaltung der ersten Kühlkanäle 11 möglich, was unmittelbar Einfluss auf die Gefügestruktur im Bereich der Oberfläche 2 des Werkzeugelements 10 hat. In dem in 1 und 2 dargestellten Beispiel verläuft der erste Kühlkanal 11 in konstantem Abstand relativ dicht unterhalb der Arbeitsfläche 4. Es sind allerdings auch andere Möglichkeiten gegeben, wie nachfolgend noch dargestellt wird.
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6 - 8 zeigen Verfahrensschritte einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei liegt zunächst, wie in 6 dargestellt, ein Basiselement 20 mit einem einzigen, gerade hindurchgeführten zweiten Kühlkanal 21 vor. Dieser ist durch das Basiselement 20 hindurchgebohrt und verläuft in einem konstanten Abstand zur Oberfläche 3. Wenn in einem Teilbereich die Kühleigenschaften verändert werden sollen, kann durch abtragende Bearbeitung eine Ausnehmung 23 erzeugt werden, d.h. es wird ein Teil des Basiselements 20 entfernt, wie in 7 dargestellt. Der zweite Kühlkanal 21 wird hierdurch aufgeteilt und es ergeben sich am Rand der Ausnehmung 23 zweite Verbindungsöffnungen 22. Durch additive Fertigung wird ein zur Ausnehmung 23 passendes Werkzeugelement 10 hergestellt, mit einem ersten Kühlkanal 11, dessen erste Verbindungsöffnungen 12 an die zweiten Verbindungsöffnungen 22 angepasst sind, der allerdings keinen geraden, durchgehend oberflächennahen Verlauf aufweist, sondern gebogen ist und teilweise in einem größeren Abstand von der Oberfläche 2 des Werkzeugelements 10 verläuft.
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Wie in 8 dargestellt, wird das Werkzeugelement 10 in die Ausnehmung 23 eingesetzt, so dass die beiden Teile des zweiten Kühlkanals 21 durch den ersten Kühlkanal 11 miteinander verbunden werden. Aufgrund des größeren Abstandes von der Arbeitsfläche 4 ist der lokal durch den ersten Kühlkanal 11 vermittelte Kühleffekt qualitativ geringer als der durch die Teile des zweiten Kühlkanals 21. Das Werkzeugelement 10 kann optional aus einem härteren Material hergestellt werden als das Basiselement 20.
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Alternativ zu dem in 7 dargestellten Werkzeugelement 10 können auch andere Werkzeugelemente 10 in die Ausnehmung 23 eingesetzt werden. 9 zeigt in perspektivischer Darstellung ein alternatives Werkzeugelement 10 mit einem ersten Kühlkanal 11, der ebenfalls einen gebogenen Verlauf zeigt, allerdings durchgehend in nahezu konstantem Abstand zur Oberfläche 2 angeordnet ist. Somit ergibt sich keine verminderte Kühlwirkung im Vergleich zum durchgehend geraden zweiten Kühlkanal 21, der in 6 dargestellt ist, sondern u. U. sogar eine verstärkte Kühlwirkung, da mit einem einzigen Kühlkanal 11 eine größere Fläche gekühlt werden kann. Der Einfachheit halber ist in 7 lediglich ein Bogen bzw. eine Schleife des ersten Kühlkanals 11 dargestellt, prinzipiell könnten aber auch eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Schleifen vorgesehen sein, so dass sich insgesamt ein mäandrierender Verlauf ergibt.
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Das Ausführungsbeispiel in 10 unterscheidet sich von demjenigen in 9 dadurch, dass der Formbereich 10.1 aus Eisen bzw. Stahl gefertigt ist, während ein bezüglich der Arbeitsfläche 4 dahinter liegender Leitungsbereich 10.2 aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung gefertigt ist. Die unterschiedlichen Materialien lassen sich im Zuge einer des additiven Fertigungsverfahrens ohne weiteres miteinander kombinieren, bspw. derart, dass nacheinander unterschiedliche metallische Pulver aufgetragen und bereichsweise verschmolzen werden. Auf diese Weise können die mechanische Widerstandsfähigkeit des Eisens und die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers in vorteilhafter Weise in einem Werkzeugelement 10 kombiniert werden.
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Das Ausführungsbeispiel in 11 zeigt einen ersten Kühlkanal 11, der spiralförmig ausgebildet ist und ähnlich wie in 10 überwiegend nahe der Arbeitsfläche 4 angeordnet ist. Durch die Spiralform kann ähnlich wie bei einer mäandrierenden Form die Kühlwirkung auf die Arbeitsfläche 4 sowie das umzuformen Werkstück maximiert werden.
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12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Werkzeugelements 10, welches einen ersten Kühlkanal 11 gemäß einem beliebigen der zuvor genannten Ausführungsbeispiele aufweisen kann. In der perspektivischen Darstellung von 12 ist eine der Arbeitsfläche 4 gegenüberliegende Unterfläche 5 erkennbar sowie eine Mehrzahl von Aussparungen 14, die im Zuge der additiven Fertigung hergestellt wurden. Diese sind im dargestellten Beispiel sechseckig-prismatisch ausgebildet und nach Art von Bienenwaben angeordnet. Durch die Aussparungen 14 können zum einen Material und Gewicht eingespart werden, zum anderen kann die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugelements 10 gezielt beeinflusst werden, da diese lokal durch die Aussparungen 14 verringert wird.
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Wie bereits oben erwähnt, kann der erste Kühlkanal 11 bei jedem der gezeigten Ausführungsbeispiele einen Richterabschnitt 15 aufweisen, dessen Aufbau nachfolgend anhand von 13 - 16 erläutert wird.
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13 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Teils des Werkzeugelements 10 mit einem Richterabschnitt 15, der einen Teil des ersten Kühlkanals 11 bildet. Der Richterabschnitt 15, welcher nach Art eines Tesla-Ventils ausgebildet ist, ist hier insgesamt gestreckt dargestellt, er könnte allerdings auch bspw. gebogen ausgebildet sein, wobei die nachfolgend beschriebene Struktur in abgewandelter Form beibehalten werden kann. Innerhalb des Richterabschnitts 15 kann ein nahezu gerade durchgehender Hauptabschnitt 16 identifiziert werden sowie eine Mehrzahl von Gegenstromabschnitten 17, die abwechselnd beiderseits des Hauptabschnitt 16 angeordnet sind. 14 - 16 zeigen jeweils ein Detail aus 13 mit einem einzigen Gegenstromabschnitt 17. Dieser zweigt in einer Sperrrichtung S betrachtet in einem spitzen Winkel α vom Hauptabschnitt 16 ab und mündet in einem stumpfen Winkel β wieder in den Hauptabschnitt 16 ein. Dabei wird der Gegenstromabschnitt 17 einerseits durch ein Leitelement 18 begrenzt, welches im Zuge der additiven Fertigung des Werkzeugelements 10 hergestellt wurde. Dieses ist am Hauptabschnitt 16 angeordnet und verläuft in Sperrrichtung S betrachtet von der Mitte des Hauptabschnitts 16 fort nach außen. Fließt Kühlflüssigkeit in Sperrrichtung S durch den Richterabschnitt 15, wie in 15 dargestellt, wird der Kühlmittelstrom durch das Leitelement 18 aufgeteilt, wobei ein Teil durch den Gegenstromabschnitt 17 fließt, wodurch eine Richtungsumkehr erfährt und schließlich gegenläufig auf den Kühlmittelstrom im Hauptabschnitt 16 trifft. Dabei kommt es zu wesentlichen Verwirbelungen, die eine laminare Strömung unmöglich machen. Der Effekt wird wesentlich dadurch verstärkt, dass wie in 13 dargestellt eine Mehrzahl von Gegenstromabschnitten 17 und zugehörigen Leitelementen 18 aufeinanderfolgend angeordnet sind. Wird hingegen Kühlflüssigkeit in einer zur Sperrrichtung S entgegengesetzten Durchlassrichtung D durch den Richterabschnitt 15 geleitet, bildet sich nahezu ausschließlich ein Kühlmittelstrom durch den im Wesentlichen geraden Hauptabschnitt 16 aus, während die Strömung in denen Gegenstromabschnitten 17 vernachlässigbar ist. Somit kann sich unter Umständen eine wenigstens überwiegend Laminare Strömung ausbilden. Somit weist der Richterabschnitt 15 in Sperrrichtung S einen wesentlich größeren Strömungswiderstand für die Kühlflüssigkeit auf als in Durchlassrichtung D. Im dargestellten Ausführungsbeispielen kann der unterschied bspw. einem Faktor zwischen 10 und 100 entsprechen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugteil
- 2, 3
- Oberfläche
- 4
- Arbeitsfläche
- 5
- Unterfläche
- 10
- Werkzeugelement
- 10.1
- Formbereich
- 10.2
- Leitungsbereich
- 11, 21
- Kühlkanal
- 12, 22
- Verbindungsöffnung
- 13
- Nut
- 14
- Aussparung
- 15
- Richterabschnitt
- 16
- Hauptabschnitt
- 17
- Gegenstromabschnitt
- 18
- Leitelement
- 20
- Basiselement
- 23
- Ausnehmung
- α, β
- Winkel
- D
- Durchlassrichtung
- S
- Sperrrichtung