DE102014003726A1

DE102014003726A1 - Presse zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge und Verfahren zum Herstellen

Info

Publication number: DE102014003726A1
Application number: DE102014003726.6A
Authority: DE
Inventors: Rainer Schmitt; Ümit Aydin
Original assignee: GKN Sinter Metals Engineering GmbH
Current assignee: GKN Powder Metallurgy Engineering GmbH
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-09-24
Also published as: US20170087638A1; EP3119546A1; CN106457722B; JP2017512655A; BR112016021381A2; BR112016021381B1; WO2015140228A1; CN106457722A; US11278962B2; JP6675319B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Presse zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge (46) aus im wesentlichen pulverförmigem Material, insbesondere Eisenpulver und/oder Keramikpulver, mit einem Werkzeug mit Ober- und Unterstempel, wobei der Ober- und Unterstempel jeweils mindestens einen Stempel (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g, 48a, 48b, 48c, 48d, 58) umfassen, wobei ein erster Stempel und ein zweiter Stempel zusammen als Oberstempel oder Unterstempel ineinander gleitend angeordnet sind jeweils ein erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende aufweisen, wobei zumindest einer der beiden Stempel sich entlang eines Abschnitts soweit aufspreizt, dass dessen zweites Ende eine Weite aufweist, die sich einem äußeren Durchmesser eines dem zweiten Ende zugehörigen Stempelhalters zumindest annähert. Dadurch können Pressen in kompakter Form zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge mit hoher Qualität und hoher Komplexität zur Verfügung gestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Presse zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge aus im Wesentlichen pulverförmigem Material, sowie ein Verfahren zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge.
Für das Verpressen von pulverförmigem Material ist es erforderlich für nahezu jede Bauteilhöhe eine eigene, unabhängig bewegliche Werkzeugebene bereit zu stellen. Gemäß dem Stand der Technik sind diese Werkzeugebenen übereinander angeordnet. Auf diesen Werkzeugebenen wird mittels werkzeugspezifischem Zubehör, wie Stempelhalter, Druckplatten und Klemmplatten, das Werkzeug aufgebaut und axial bewegt. Beispielsweise werden in der DE 101 35 523 C2 und in der US 5,498,147 jeweils ein Adapteraufbau beschrieben, bei dem die Werkzeugebenen auf verschiedenen Höhenniveaus angeordnet sind. Durch diese aufeinander aufbauende Konstruktion werden die Werkzeugebenen, insbesondere das Werkzeug, mit zunehmender Komplexität in axialer Richtung immer länger, da für jede folgende Werkzeugebene eine Verlängerung um die Länge des folgenden Zubehörs, beispielsweise Druck- und Klemmplatte, plus dem Verfahrweg in der Füll-, Press- und Freilegeposition und der Einbaureserve und der Nachsetzreserve eingeplant werden muss. Dadurch kommen die Werkzeugebenen, insbesondere das Werkzeug, schnell an ihre technologischen Grenzen, beispielsweise die Gefahr durch Knicken oder Beulen gemäß Euler, hohe Elastizitäten oder hohe Spannungen im Querschnitt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Presse in kompakter Form zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge mit hoher Qualität und Hoher Komplexität zur Verfügung zu stellen.
Es wird eine Presse zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge aus im Wesentlichen pulverförmigem Material mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie eine Verwendung einer Presse mit den Merkmalen des Anspruchs 16, ein Verfahren zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge aus im Wesentlichen pulverförmigem Material mit den Merkmalen des Anspruchs 18, ein Grünling mit den Merkmalen des Anspruchs 22 und ein statistisch relevantes Kollektiv an Grünlingen mit den Merkmalen des Anspruchs 23 vorgeschlagen. Vorteilhafte Merkmale, Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Figuren wie auch aus den Ansprüchen hervor, wobei einzelne Merkmale aus einer Ausgestaltung nicht auf diese beschränkt sind. Vielmehr sind ein oder mehrere Merkmale aus einer Ausgestaltung mit einem oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausgestaltung zu weiteren Ausgestaltungen verknüpfbar. Auch dienen die Formulierungen der unabhängigen Ansprüche 1, 16, 18, 22 und 23 in ihrer angemeldeten Form nur als ein erster Entwurf der Formulierungen der zu beanspruchenden Gegenstände. Ein oder mehrere Merkmale der Formulierungen können daher ausgetauscht wie auch weggelassen werden, ebenso aber auch zusätzlich ergänzt werden. Auch können die anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels angeführten Merkmale auch verallgemeinert beziehungsweise bei anderen Ausführungsbeispielen, insbesondere Anwendungen ebenfalls eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft eine Presse zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge aus im Wesentlichen pulverförmigem Material, insbesondere Eisenpulver und/oder Keramikpulver, mit einem Werkzeug mit Ober- und Unterstempel, wobei der Ober- und Unterstempel jeweils mindestens einen Stempel umfassen, wobei ein erster Stempel und ein zweiter Stempel zusammen als Oberstempel oder als Unterstempel ineinander gleitend angeordnet sind, jeweils ein erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende aufweisen, wobei zumindest einer der beiden Stempel sich entlang eines Abschnitts soweit aufspreizt, dass dessen zweites Ende eine Weite aufweist, die sich einem äußeren Durchmesser eines dem zweiten Ende zugehörigen Stempelhalters zumindest annähert.
Der Begriff pulverförmiges Material beschreibt hierbei einen Sinterwerkstoff. Das Material kann vorwiegend einen metallischen Anteil umfassen. Das metallische Sintermaterial kann hierbei insbesondere beispielsweise ein Sinterbronze, ein Sintereisen oder einen beliebigen Sinterstahl aufweisen. Weiterhin kann das Material auch weitere Bestandteile, wie beispielsweise Keramiken, in dem Sinterwerkstoff zumindest teilweise aufweisen.
Der Begriff Stempel dient als ein Oberbegriff und bezeichnet hierbei Ober- und/oder Unterstempel, welche benötigt werden, um einen maßhaltigen Grünling herzustellen. Vorzugsweise kann der Grünling über ein zweiseitiges Pressen in einem Verdichtungsraum hergestellt werden, da vom Anwendungsumfang her dieses Verfahren allen anderen Verfahren weit überlegen ist. Die Gründe dafür sind die gute Maßhaltigkeit der Grünlinge und die hohe Produktivität bei günstigen Kosten unter Vorraussetzung sinnvoller, insbesondere hoher, Stückzahlen. Weiterhin ist es möglich, dass sowohl der erste und der zweite Stempel entweder als Ober- oder als Unterstempel ausgebildet sind, und dass zum Pressen des Grünlings je nach Anordnung des ersten und des zweiten Stempels mindestens ein Ober- oder Unterstempel dem ersten und dem zweiten Stempel gegenüber angeordnet ist.
Der Begriff Stempelhalter bezeichnet hierbei ein Bauteil mit einer Auflagefläche für das zweite Ende der Stempel. Der Stempelhalter kann beispielsweise aus zwei Stäben bestehen auf denen das zweite Ende eines Stempels aufliegt. Der Stempelhalter kann vielfältige Formen annehmen, vorzugsweise sollte der Stempelhalter der Form des zweiten Endes entsprechen. Beispielsweise kann der Stempelhalter eine runde, ovale, quadratische, mehreckige, Stegform oder eine andere Freiform aufweisen. Weiterhin können die Stempelhalter mit einer beweglichen und/oder starren Adapterplatte, vorzugsweise Ebenenplatten, eines Pressadapters verbunden sein, so dass eine Kraftübertragung über die Stempel auf die Stempelhalter direkt auf die Adapterplatte, vorzugsweise Ebenenplatte, des Pressadapters erfolgen kann.
Der Begriff Durchmesser beschreibt hierbei, dass der Stempel und der Stempelhalter einen gemeinsamen Kreis ausbilden. Der Durchmesser ist der größtmögliche Abstand zweier Punkte der Kreislinie.
Weiterhin können die beiden Stempel verschachtelt sein, so dass die mindestens zwei Stempel ineinandergeschoben sind. Auf diese Weise sind die Stempel nicht in Reihe nebeneinander angeordnet. Bei einer Reihenschaltung gemäß dem Stand der Technik sind mehrere Stempel nebeneinander auf einer Ebene und nicht ineinandergeschoben angeordnet. Sobald die Stempel sich umschließen oder sich größtenteils umschließen ist eine Reihenschaltung gemäß dem Stand der Technik nicht mehr möglich. Weiterhin ist bei einer Reihenschaltung nachteilig, dass eine geometrisch komplexe Druckplatte benötigt wird, um die Stempel auf einer Druckplatte anzuordnen.
Dadurch, dass sich zumindest einer der beiden Stempel entlang eines Abschnitts soweit aufspreizt, dass dessen zweites Ende eine Weite aufweist, die sich einem äußeren Durchmesser eines dem zweiten Ende zugehörigen Stempelhalters annähert können kompaktere Pressen hergestellt werden. Das Merkmal entlang eines Abschnitts beschreibt hierbei, dass die Stempel nach dem Aufspreizen zum zweiten Ende hin noch einen längsachsparallelen Abschnitt aufweisen können. Durch eine Aufspreizung zum zweiten Ende hin können die Stempel jeweils einen Bauraum erschaffen, in dem ein anderer Stempel untergebracht werden kann. Es kann dadurch auf längliche Stempel wie aus dem Stand der Technik verzichtet werden. Weiterhin kann die Aufspreizung eine Dimension beispielsweise von bis zu zehnmal, vorzugsweise bis zu fünfmal, insbesondere bis zu dreimal des Durchmessers am ersten Ende des Stempels aufweisen. Dadurch, dass sich die Stempel jeweils von dem ersten Ende zum zweiten Ende aufspreizen, wobei der Durchmesser am zweiten Ende vergrößert ist, kann eine höhere Werkzeugsteifigkeit und damit eine geringere Elastizität erreicht werden, wodurch höhere Pressdrücke verwendet werden können. Es können höhere Dichten der Grünlinge ermöglicht werden und neben den Form- und Lagetoleranzen der Grünlinge können auch die Höhentoleranzen der Grünlinge verbessert werden. Weiterhin kann durch die aufgespreizten Stempel der Querschnitt der Stempel erhöht werden, wodurch Spannungen reduziert werden können, und dadurch auch die Knickgefahr gemäß Euler minimiert beziehungsweise eliminiert werden kann. Die Steifigkeit der Stempel kann hoch und nahezu beliebig sein, beispielsweise bis zu einem Faktor zwei, vorzugsweise bis zu einem Faktor fünf, insbesondere mehr als der Faktor fünf der üblichen Steifigkeit erhöht werden. Der Begriff übliche Steifigkeit bezeichnet hierbei die Steifigkeit gemäß dem Stand der Technik, welche sich aus dem Durchmesser der Stempel gemäß dem Stand der Technik ergeben. Auch können durch eine Aufspreizung der Stempel unter Beachtung der Elastizität mehr Werkzeugebenen, beispielsweise größer gleich vier Werkzeugebenen, insbesondere bei Pressen kleiner gleich 1000 kN realisiert werden. Dadurch können auch kleine Bauteile mit hoher Komplexität hergestellt werden.
Dadurch, dass der Durchmesser der zweiten Enden der Stempel dem Durchmesser der jeweiligen Stempelhalter angenähert ist, kann sichergestellt werden, dass die Stempel mit ihrem zweiten Ende unmittelbar auf dem jeweiligen Stempelhalter aufliegen. Dadurch können kürzere und/oder kleinere Stempelhalter verwendet werden, wodurch die Baugröße der Pressen verringert werden kann.
Vorzugsweise weist das zweite Ende eine Weite auf, die zumindest einen inneren Durchmesser eines zugehörigen Stempelhalters überdeckt. Das zweite Ende kann somit im Wesentlichen dieselbe Breite wie der jeweilige Stempelhalter aufweisen. Das zweite Ende kann eine Breite aufweisen entsprechend der Breite zwischen dem äußeren Durchmesser und dem inneren Durchmesser des jeweiligen Stempelhalters. Dadurch wird es ermöglicht, dass mehrere Stempel und deren jeweilige Stempelhalter ineinander verschachtelt in der Presse angeordnet werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind der erste Stempel an seinem zweiten Ende unmittelbar auf einem ersten Stempelhalter und der zweite Stempel an seinem zweiten Ende unmittelbar einem zweiten Stempelhalter jeweils ohne Mitwirkung von einer Druckplatte angeordnet. Dadurch dass die Stempel unmittelbar auf einen Stempelhalter ohne Verwendung von Zubehör, wie Druckplatten und/oder Klemmplatten, angeordnet werden können, kann das Gesamtgewicht des gesamten Werkzeugaufbaus minimiert werden, wodurch ein Leichtbau ermöglicht werden kann, so dass auch ein Rüsten in der Presse in kurzer Zeit durchgeführt werden kann. Durch den Verzicht von Druckplatten, kann eine Kraft direkt von dem ersten Ende des Stempels über die Aufspreizung an die Stempelhalter abgeleitet werden. Im Stand der Technik führt die Verwendung von Druckplatten jedoch zu einer massiven Bauweise mit einem hohen Gewicht, da die Kraft auf kürzestem axialen Bauraum über die Druckplatten nach Außen auf den Stempelhalter abgeleitet werden muss. Bei der vorliegenden Erfindung können anstatt Werkzeuge mit komplettem Zubehör tauschen zu müssen, nur die Stempel einzeln oder als Paket ausgetauscht werden. Dadurch können die Rüstzeiten und somit die Maschinenstillstandszeiten reduziert werden. Weiterhin kann der Bauraum bei einer Presse mit größer gleich drei Werkzeugebenen ungefähr um die Hälfte reduziert werden. Dadurch können kompaktere Presse mit größer gleich drei Werkzeugebenen zum Herstellen von Grünlingen zur Verfügung gestellt werden. Selbst bei kleinen Pressen unterhalb von 1000 kN kann hiermit eine Ebenenzahl am Produkt größer gleich vier realisiert werden, da die sonst üblichen langen Stempel kürzer ausgeführt werden können. Weiterhin können die Stempelhalter mit einer beweglichen und/oder starren Adapterplatte, vorzugsweise Ebenenplatten, eines Pressadapters verbunden sein, so dass eine Kraftübertragung über die Stempel auf die Stempelhalter direkt auf die Adapterplatte, vorzugsweise Ebenenplatte, des Pressadapters erfolgen kann.
Es ist bevorzugt, dass der erste und der zweite Stempel in einer Pressrichtung entlang einer gemeinsamen Längsachse mit ihren jeweils aufgespreizten zweiten Enden ineinander gleitend angeordnet sind. Die Stempel können sich dabei zumindest teilweise radial umschließen. Der Begriff Pressrichtung beschreibt hierbei die Richtung des ersten Endes der Stempel, in die das erste Ende der Stempel beim Herstellen des Grünlings in der Presse entlang der Längsachse bewegt wird. Die Stempel weisen dabei in dem sich teilweise radial umschließenden Abschnitt eine konzentrische, rotationssymmetrische, U-förmige, quadratische, polygonförmige, mehreckige oder eine Freigeometrie auf.
Vorzugsweise weisen der erste Stempel und der zweite Stempel jeweils eine gleiche oder nahezu gleiche Elastizität auf. Insbesondere weisen alle Stempel auf einer Stempelseite, beispielsweise Unter- oder Oberstempelseite, vorzugsweise gleiche oder nahezu gleiche Elastizitäten auf. Die Elastizitäten können durch eine Gestaltoptimierung aller Stempel auf Unterstempelseite und/oder Oberstempelseite durch Berechnung angepasst werden, so dass alle nahezu identisch sind. Beispielsweise kann eine Abweichung der Elastizität zwischen den Stempeln vorzugsweise < 50%, bevorzugt < 20%, besonders bevorzugt 10% betragen. Der Begriff elastische Längenänderung ist hierbei durch das Elastizitätsmodul und die entsprechenden Spannung im jeweiligen Stempelquerschnitt und die dazugehörigen Einzellängen gekennzeichnet und kann mit folgender Formel berechnet werden:
mit ΔL_i = elastische Längenänderung des jeweiligen Stempelabschnitts, L_0i = Länge des jeweiligen Stempelabschnitts; σ_i = Spannung im jeweiligen Stempelabschnitt, E = Elastizitätsmodul; i = Abschnittsnummer der jeweiligen Stempelabschnitte.
Dadurch kann erreicht werden, dass kein Elastizitätsunterschied während des Pressens in allen Werkzeugebenen auftritt, wodurch Probleme beim Pressen, wie Risse beim Entlasten, vermieden werden können. Auf diese Weise können qualitativ perfekte Grünlinge auch bei komplizierten Geometrien mit vielen Werkzeugebenen zur Verfügung gestellt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich in einer Ausgangsposition der Presse von dem ersten Ende des ersten Stempels ein erster Bereich und das erste Ende des zweiten Stempels ist in dem ersten Bereich angeordnet und/oder von dem zweiten Ende des ersten Stempels erstreckt sich ein zweiter Bereich und das zweite Ende des zweiten Stempels ist in dem zweiten Bereich angeordnet. Die ersten Enden der Stempel können dabei im ersten Bereich entweder auf einer Ebene oder versetzt angeordnet werden. Weiterhin können die zweiten Enden der Stempel im zweiten Bereich entweder auf einer Ebene oder versetzt angeordnet werden. Durch eine Anordnung der ersten Enden der Stempel in einem ersten Bereich und/oder einer Anordnung der zweiten Enden der Stempel in einem zweiten Bereich kann eine gleiche bzw. nahezu gleiche Werkzeuglänge ermöglicht werden. Dies kann auch gegebenenfalls für Dorne, wie zum Beispiel Zentrumsdorne oder Dorne auf Teilkreisen beziehungsweise eindeutig angeordneten Dorne, beispielsweise glatt oder auch abgesetzt, gelten. Dabei kann bewusst in Kauf genommen werden, dass die äußeren Stempel verlängert werden müssen, damit die inneren Stempel verkürzt werden können. Ansonsten wäre eine Anordnung auf einer Ebene sinnvoll nicht möglich. Dadurch kann der Bauraum für die Stempel bei größer gleich drei Werkzeugebenen auf ungefähr die Hälfte reduziert werden.
Es ist bevorzugt, dass der erste und der zweite Stempel sich jeweils konusförmig aufspreizen und jeweils ein Fußstück aufweisen, wobei eine konusförmige Aufspreizung mittels einer Gestaltung des Stempels in dem zugehörigen Bereich erfolgt, die einen zumindest zum Großteil geschlossenen Rotationskörper, einen geschlossenen Rotationskörpers, eine Fachwerkskonstruktion, eine Wurzelkonstruktion, eine Stegkonstruktion und/oder eine sonstige Konstruktionsgestaltung umfasst, die eine Stempelgeometrie nach Außen aufspreizt. Durch die Verwendung einer konusförmigen Aufspreizung kann eine Kraft von einem kleinen Querschnitt, insbesondere Durchmesser, am ersten Ende des Stempels auf einen größeren Querschnitt, insbesondere Durchmesser, am zweiten Ende des Stempels auf den Stempelhalter übertragen werden. Durch die Verwendung eines Fußstücks kann die Befestigung der Stempel auf den Stempelhaltern vereinfacht werden. Das Fußstück kann dabei eine einstückige oder auch eine mehrteilige geteilte Form aufweisen.
Vorzugsweise ist an einem Fußstück an dem zweiten Ende eines aufgespreizten Stempels eine Verbindungsvorrichtung, vorzugsweise ein Schnellverschluß, zum Verbinden mit einer anzuschließenden Komponente, insbesondere einem Stempelhalter, vorgesehen. Der Schnellverschluß kann dabei mehrere Befestigungselemente umfassen. Beispielsweise kann der Schnellverschluß als ein Bajonettverschluss ausgebildet sein. Dabei kann das erste und zweite Fußstück mehrere Öffnungen in Form von Rotationsschlitzen aufweisen, während der jeweilige Stempelhalter die entsprechenden Knöpfe aufweist, welche in die Öffnungen eingeführt werden können. Durch einen Bajonett-Verschluss kann die Rüstzeit ebenfalls reduziert werden. Durch ein einfaches Drehen können die Stempel von den jeweiligen Stempelhaltern gelöst werden. Weiterhin wäre es möglich, dass die Stempel auf den Stempelhaltern mit Hilfe von Befestigungsmitteln, wie Schrauben, oder durch Klemmmittel an den jeweiligen Stempelhaltern befestigt werden. Das Fußstück kann weiterhin eine ovale Form, eine quadratische Form oder eine mehreckige Form aufweisen. Weiterhin sind mit Hilfe des Schnellverschlusses der erste Stempel und der zweite Stempel gleichzeitig auf den jeweiligen Stempelhaltern befestigbar. Durch ein gleichzeitiges Lösen und/oder Montieren aller Stempel von den Stempelhaltern beziehungsweise auf den Stempelhaltern kann die Rüstzeit verkürzt werden und die Stempel können als ein ganzes Stempelpaket in der Presse montiert werden, und müssen nicht einzeln in die Presse montiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Stempel und der zweite Stempel jeweils durch ein additives Fertigungsverfahren, vorzugsweise Lasersinterverfahren, Elektrodenstrahlschmelzen, Laserauftragungsschweißen, durch ein Gießverfahren, durch ein erosives Verfahren oder durch ein spanendes Verfahren hergestellt. Der Begriff additive Fertigungsverfahren ist eine umfassende Bezeichnung für die bisher häufig als Rapid Prototyping bezeichneten Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen und Endprodukten. Diese Fertigung erfolgt direkt auf der Basis der rechnerinternen Datenmodelle aus formlosem, beispielsweise Flüssigkeiten, Pulver, oder formneutralem Material, beispielsweise band- oder drahtförmig, mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse. Obwohl es sich um urformende Verfahren handelt, sind für ein konkretes Erzeugnis keine speziellen Werkzeuge erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstückes gespeichert haben, beispielsweise Gussformen beim Gießverfahren. Beim Lasersintern handelt es sich um ein 3D-Druck-Verfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen. Lasersintern ist ein generatives Schichtbauverfahren bei dem das Werkstück Schicht für Schicht aufgebaut wird. Durch die Wirkung der Laserstrahlen können so beliebige dreidimensionale Geometrien auch mit Hinterschneidungen erzeugt werden, beispielsweise Werkstücke, die sich in konventioneller mechanischer oder gießtechnischer Fertigung nicht herstellen lassen. Durch ein Lasersinterverfahren können die Werkzeuge über Nacht hergestellt werden. Dadurch können die Werkzeugherstellzeiten um Faktoren im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren verkürzt werden. Das Elektrodenstrahlschmelzen ist ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen aus dem Pulverbett. Durch einen Elektronenstrahl als Energiequelle wird ein Metallpulver gezielt aufgeschmolzen, wodurch Bauteile nahezu beliebiger Geometrie direkt aus den Konstruktionsdaten hergestellt werden können. Hierzu wird abwechselnd eine Pulverlage mit einer Rakel auf die vorherige aufgebracht und mittels Elektronenstrahl belichtet. Auf diese Weise wird das gewünschte Bauteil schichtweise generiert. Das Laserauftragschweißen ist ein Verfahren, bei dem auf ein Werkstück ein Oberflächenauftrag mittels Aufschmelzen und gleichzeitigem Aufbringen eines nahezu beliebigen Materials erfolgt. Dies kann in Pulverform, beispielsweise als Metallpulver oder auch mit einem Schweißdraht oder -band geschehen. Beim Laserauftragschweißen dient als Wärmequelle ein Laser hoher Leistung, vornehmlich Diodenlaser oder Faserlaser, früher auch CO₂- und Nd:YAG-Laser. Bei einem Gießverfahren können die Stempel sowohl eine einfache als auch komplizierte Gestaltung aufweisen. Insbesondere bei sehr einfachen Geometrien, wie beispielsweise einem Rundstempel, kann durch das Gießverfahren schnell ein Stempel hergestellt werden. Bei einem erosiven Verfahren können die Stempel durch ein abtragendes Verfahren, beispielsweise Funkenerodieren, Drahterodieren, oder Senkerodieren hergestellt werden. Bei einem spanenden Verfahren können die Stempel unter anderem durch Drehen, Fräsen, Sägen, Bohren, Schleifen, Hartfräsen oder andere abtragende Verfahren hergestellt werden.
Es ist bevorzugt, dass der erste und der zweite, jeweils aufgespreizte Stempel jeweils eine numerisch ausgelegte, belastungsoptimierte Geometrie mit aneinander angeglichener Elastizität aufweisen. Beispielsweise kann eine bionische Auslegungsmethode oder eine Gestaltoptimierungssoftware zur Erreichung des Elastizitätsausgleichs angewandt werden. Mit Hilfe einer numerisch ausgelegten, belastungsoptimierten Geometrie kann erreicht werden, dass kein Elastizitätsunterschied während des Pressens aller Werkzeugebenen auftritt, wodurch Probleme beim Pressen, wie Risse beim Entlasten und/oder Entformen, vermieden werden können. Auf diese Weise können qualitativ perfekte Grünlinge auch bei komplizierten Geometrien mit vielen Werkzeugebenen zur Verfügung gestellt werden.
Vorzugsweise sind zumindest drei oder mehr Stempel jeweils soweit aufgespreizt, dass deren jeweiliges zweites Ende eine Weite aufweisen, die sich einem äußeren Durchmesser eines dem jeweiligen zweiten Ende zugehörigen Stempelhalters zumindest annähert. Auf diese Weise können die Stempel ineinander verschachtelt in die Presse angeordnet werden, wobei die zweiten der Stempel jeweils auf einer Ebene oder auf nahezu gleicher Ebene angeordnet werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zumindest ein Ober- und ein Unterstempel jeweils soweit aufgespreizt, dass deren jeweiliges zweites Ende eine Weite aufweist, die sich einem äußeren Durchmesser eines dem jeweiligen zweiten Ende zugehörigen Stempelhalters zumindest annähert.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stempel für eine oben dargestellte Presse, wobei der Stempel an seinem zweiten Ende eine Befestigungsvorrichtung angeordnet aufweist und so weit aufgespreizt ist, dass dessen aufgespreizte Weite sich bis zumindest einem anzuordnenden Stempelhalter zumindest annähert. Durch die Auffächerung kann sichergestellt werden, dass die Kraft von dem ersten Ende während der Herstellung des Grünlings an das zweite Ende und von dem zweiten Ende auf den Stempelhalter übertragen werden kann, ohne dass der Kraftfluss durch eine Druckplatte umgeleitet wird.
Vorzugsweise ist an der Befestigungsvorrichtung am zweiten Ende des Stempels ein Stempelhalter lösbar angeordnet. Auf diese Weise kann der Stempel schnell an dem Stempelhalter befestigt oder gelöst werden. Weiterhin kann der Stempel ohne Hilfe einer Druckplatte auf dem Stempelhalter befestigt werden. Die zweiten Enden können direkt auf dem Stempelhalter aufliegen und mit Hilfe einer Befestigungsvorrichtung, vorzugsweise einem Schnellverschluß, insbesondere ein Bajonettverschluss, auf dem Stempelhalter befestigt werden. Dadurch kann ein schneller Austausch des Stempels ermöglicht werden, wodurch Rüstzeiten verkürzt und unnötige Maschinenstillstandszeiten vermieden werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform endet der Stempel an seinem ersten Ende in mindestens zwei Teilstempel. Dadurch können kompliziertere Grünlinge mit kompakteren Werkzeugaufbauten hergestellt werden, da bei einer gleichen Anzahl an Stempeln mehrere Teilstempel verwendet werden können. Weiterhin kann dadurch die Presse verkleinert werden, da ein Stempel mit Teilstempeln weniger Platz benötigt wird, als wenn für jeden Teilstempel ein eigener Stempel verwendet wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung einer Presse und/oder eines Stempels wie oben beschrieben zur Herstellung eines Grünlings aus pulverförmigem Material, vorzugsweise eines endmaßhaltigen Grünlings.
Vorzugsweise wird der Grünling zur Herstellung einer Bauteilkomponente verwendet. Insbesondere können die Bauteilelemente ein sicherheitsrelevantes Bauteil sein. Durch die Verwendung einer oben beschriebenen Presse können Grünlinge zur Herstellung von Bauteilkomponenten hergestellt werden, wobei die Grünlinge keine Risse aufweisen, welche beim Entspannen und/oder Entformen des Grünlings entstehen können.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen eines maßhaltigen Grünlings aus im Wesentlichen pulverförmigem Material, insbesondere metallenem Pulver, Eisenpulver und/oder Keramikpulver vorgeschlagen, umfassend folgende Schritte:

– Füllen eines pulverförmigen Materials in eine Öffnung einer Matrize,
– Pressen des pulverförmigen Materials in der Matrize, wobei das pulverförmige Material auf einer ersten Matrizenseite von mindestens einem Oberstempel und von einer der ersten Matrizenseite gegenüberliegenden zweiten Matrizenseite von mindestens zwei Unterstempeln verdichtet wird, wobei die zwei Unterstempel ineinander gleiten und jeweils mit einem Stempelhalter verbunden sind, wobei eine Presskraft von einem ersten Ende eines Unterstempels entlang des Unterstempels soweit nach Außen über ein aufgespreiztes zweites Ende des Unterstempels geleitet wird, dass auf einen, dem Unterstempel zugeordneten Stempelhalter ein in Bewegungsrichtung des Unterstempels wirkender Kraftvektor unverändert vom Unterstempel zum Stempelhalter einwirkt, und
– Entformen des Grünlings aus der Matrize.

Der Kraftvektor kann insbesondere während des Verpressens als Verdichtungskraft und während des Entformens als Reibkraft unverändert vom Unterstempel zum Stempelhalter einwirken. Durch einen Elastizitätsausgleich zwischen Oberstempel und/oder Unterstempel kann die Rißbildung beim Grünling beim Entspannen und Entformen vermieden werden.
Weiterhin kann dieses Verfahren auch bei einer Presse angewendet werden, die auf einer ersten Matrizenseite mindestens ein Unterstempel und einer der ersten Matrizenseite gegenüberliegenden zweiten Matrizenseite mindestens zwei Oberstempel aufweist.
Vorzugsweise erfolgt eine gleichförmige Entspannung des Grünlings von den zumindest zwei Unterstempeln und/oder Oberstempeln zur Vermeidung von Spannungsrissen im Grünling.
Es ist bevorzugt, dass die zumindest zwei Unterstempel ein gleichförmiges Entspannen und Entformen des pulverförmigen Materials bewirken.
In einer bevorzugten Ausführungsform wirken der erste und der zweite Unterstempel mit annähernd gleicher Elastizität auf den Grünling ein. Auf diese Weise kann beim Entspannen des Grünlings, wobei die Verdichtungslast vom Grünling genommen wird, der Grünling nicht durch unterschiedliche Elastizitäten der Stempel zerrissen werden. Durch eine annähernd gleiche Elastizität der Stempel können Entspannungsrisse und Scherrisse entgegengewirkt und sogar größtenteils kompensiert werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Grünling aus einem aus im Wesentlichen pulverförmigen Material, wobei der Grünling mittels mehrerer aufgespreizter oben beschriebener Stempel in einer oben beschriebenen Presse mittels eines oben beschriebenen Verfahrens hergestellt ist.
Erfindungsgemäß wird ein statistisch relevantes Kollektiv an Grünlingen aus einer Fertigungscharge an einer Presse beansprucht, wobei alle Grünlinge dieses Kollektivs jeweils ohne ein oder mehrere Entlastungsrisse entspannt sind. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass qualitativ einwandfreie, insbesondere bei sicherheitsrelevanten Bauteilen, Grünlinge hergestellt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wie auch Merkmale gehen aus den nachfolgenden Figuren und der dazugehörigen Beschreibung hervor. Die aus den Figuren und der Beschreibung hervorgehenden einzelnen Merkmale sind nur beispielhaft und nicht auf die jeweilige Ausgestaltung beschränkt. Vielmehr können aus ein oder mehrere Figuren ein oder mehrere Merkmale mit anderen Merkmalen aus der obigen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen verbunden werden. Daher sind die Merkmale nicht beschränkend sondern beispielhaft angegeben. Es zeigen:
1 einen Halbschnitt eines Werkzeugaufbaus für eine Presse gemäß dem Stand der Technik, umfassend Unterstempelseite, Dorn und Matrize;
1a einen Werkzeugaufbau gemäß 1 mit einem Oberstempelwerkzeugaufbau zum Herstellen von pulverförmigen Grünlingen;
2 eine Schnittansicht einer Werkzeugebene gemäß 1, bestehend aus Stempel, Klemmplatte und Druckplatte gemäß dem Stand der Technik;
3 einen Halbschnitt eines Werkzeugaufbaus für eine Presse gemäß der Erfindung, umfassend Unterstempelseite, Dorn und Matrize;
3a einen Werkzeugaufbau gemäß 3 mit einem Oberstempelwerkzeugaufbau zum Herstellen von pulverförmigen Grünlingen;
4 eine isometrische Ansicht eines Stempels gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 einen Halbschnitt eines Werkzeugaufbaus für eine Presse gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, umfassend Unterstempelseite, Dorn und Matrize;
5a einen Werkzeugaufbau gemäß 5 mit einem Oberstempel zum Herstellen von pulverförmigen Grünlingen;
6 eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Stempels gemäß der Erfindung bei dem aus einem Fußstück mehrere Teilstempel erwachsen;
7 einen Vergleich des Kraftflußes in einem Stempel gemäß dem Stand der Technik und einem Stempel gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt eine isometrische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Stempels.
1 zeigt einen Halbschnitt eines Werkzeugaufbaus 10 einer Unterstempelseite einer Presse, die zum Herstellen eines Grünlings gemäß dem Stand der Technik verwendet wird, wie sie beispielsweise aus der US 5,498,147 bekannt ist. Die Presse weist einen rotationssymmetrischen Aufbau über fünf Werkzeugebenen auf. Jede Werkzeugebene umfasst jeweils eines der fünf Stempel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, eines der fünf Druckplatten 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, eines der fünf Klemmplatten 18a, 18b, 18c, 18d, 18e und eines der fünf Stempelhalter 20a, 20b, 20c, 20d, 20e. Weiterhin weist die Presse eine Matrize 12 sowie einen Dorn 22 auf. Die fünf Stempel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e sind in diesem Ausführungsbeispiel als Unterstempel dargestellt und ragen mit ihrem ersten Ende überwiegend in eine Öffnung der Matrize 12 hinein, um einen Verdichtungsraum für den Grünling zu bilden. Mit ihrem zweiten Ende sind die fünf Stempel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e auf den Druckplatten 16a, 16b, 16c, 16d, 16e angeordnet. Weiterhin sind die fünf Stempel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e durch die jeweiligen Klemmplatten 18a, 18b, 18c, 18d, 18e auf den jeweiligen Druckplatten 16a, 16b, 16c, 16d, 16e fixiert. Die Druckplatten 16a, 16b, 16c, 16d, 16e dienen während der Herstellung des Grünlings zur Aufnahme der auf den jeweiligen Stempel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e wirkende Kraft und leiten diese aufgenommene Kraft an die jeweiligen Stempelhalter 20a, 20b, 20c, 20d, 20e weiter. Die Stempelhalter 20a, 20b, 20c, 20d, 20e dienen zur Distanzüberbrückung von der jeweiligen Druckplatte 16a, 16b, 16c, 16d, 16e zu einer werkzeugunabhängigen Adapterplatte. 1 macht deutlich, dass durch die steigenden Werkzeuglängen insbesondere der Stempel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e schnell die kritische Knicklänge gemäß Euler erreicht wird, so dass diesem Werkzeugaufbau 10 physikalische Grenzen gesetzt sind.
1a zeigt den Werkzeugaufbau 10 der 1. Zusätzlich ist ein Werkzeugaufbau 26 über zwei Oberstempelwerkzeugebenen eingezeichnet. Jede Werkzeugebene umfasst jeweils eines der zwei Stempel 14f, 14g, zwei Druckplatten 16f, 16g, zwei Klemmplatten 18f, 18g und zwei Stempelhalter 20f, 20g. Wie erkennbar ist, sind die Stempel 14f, 14g als Oberstempel ausgebildet und ragen während des Verdichtungsvorgangs überwiegend durch eine Öffnung in die Matrize 12 hinein. Die Öffnung, in die die Stempel 14f, 14g in die Matrize 12 hineinragen, ist entgegengesetzt zu der Öffnung der Matrize 12 in die die Stempel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e hineinragen. Die ersten Enden der Stempel 14a, 14b, 14c, 14d, 14e und der Stempel 14f, 14g bilden zusammen mit der Matrize 32 einen Verdichtungsraum aus, in dem ein Grünling 24 aus einem Metallpulver durch Pressen geformt wird. Weiterhin ist erkennbar, dass auch die Stempel 14f, 14g an ihrem dem ersten Ende entgegen gesetztem zweiten Ende auf den Druckplatten 16f, 16g angeordnet sind. Weiterhin sind die Stempel 14f, 14g durch die jeweiligen Klemmplatten 18f, 18g auf den jeweiligen Druckplatten 16f, 16g fixiert. Die Druckplatten 16f, 16g dienen während der Herstellung des Grünlings 46 zur Aufnahme auf den jeweiligen Stempel 14f, 14g wirkende Kraft und leiten diese aufgenommene Kraft an die jeweiligen Stempelhalter 20f, 20g weiter. Die Stempelhalter 20g, 20f dienen zur Distanzüberbrückung von der jeweiligen Druckplatte 16f, 16g zu einer werkzeugunabhängigen Adapterplatte.
2 zeigt einen Halbschnitt einer Werkzeugebene gemäß 1 und 1a. Die Werkzeugebene umfasst einen rotationssymmetrischen Stempel 14, wobei der Stempel 14 ein Unter- oder ein Oberstempel sein kann, eine Klemmplatte 18 und eine Druckplatte 16. Der Stempel 14 ist in Teilbereichen verstärkt. Dadurch werden die Druckspannungen im Stempel 14 reduziert. Dies führt zu einer Reduzierung der Elastizität unter Last und der Knickgefahr. Die Klemmplatte 18 dient zur axialen Sicherung des Stempels 14 auf der Druckplatte 16. Die Druckplatte 16 dient zur Kraftaufnahme und Weiterleitung.
3 zeigt einen Werkzeugaufbau 30 einer Unterstempelseite für eine Presse, die zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge aus im Wesentlichen pulverförmigen Material, insbesondere Eisenpulver und/oder Keramikpulver, verwendet wird, mit einer Matrize 32, einem Dorn 38 und fünf Werkzeugebenen. Die Werkzeugebenen bestehen aus fünf Stempeln 34a, 34b, 34c, 34d, 34e und aus fünf Stempelhaltern 36a, 36b, 36c, 36d, 36e. Die Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e sind in diesem Ausführungsbeispiel als Unterstempel dargestellt und weisen jeweils an ihrer Längsachse ein erstes Ende auf, welches überwiegend in eine Öffnung der Matrize 32 hineinragt, und jeweils ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende ist jeweils unmittelbar auf einem Stempelhalter 36a, 36b, 36c, 36d, 36e ohne Hilfe von Druckplatten und/oder Klemmplatten angeordnet. Die Stempelhalter 36a, 36b, 36c, 36d, 36e bewegen sich unabhängig voneinander und sind mit beweglichen und/oder starren Adapterplatten der Presse verbunden. In 3 ist erkennbar, dass die Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e ineinander gleitend angeordnet sind, wobei die Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e sich jeweils entlang eines Anschnitts soweit aufspreizen, dass deren zweites Ende eine Weite aufweist, die sich einem äußeren Durchmesser eines dem zweiten Ende zugehörigen Stempelhalters 36a, 36b, 36c, 36d, 36e zumindest annähert. Weiterhin weist das zweite Ende eine Weite auf, die zumindest einen inneren Durchmesser eines zugehörigen Stempelhalters 36a, 36b, 36c, 36d, 36e überdeckt. Auf diese Weise erfolgt der Kraftfluss unmittelbar in den Stempeln 34a, 34b, 34c, 34d, 34e von dem formgebenden Bereich am ersten Ende in der Matrize 32 nach außen über die Stempelhalter 36a, 36b, 36c, 36d, 36e auf die beweglichen und/oder starren Adapter- oder Pressenplatten. Dabei wird bewusst in Kauf genommen, dass die äußeren Stempel verlängert werden müssen, damit die inneren Stempel verkürzt werden können. Durch das Aufspreizen der Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e kann die Knickgefahr nach Euler vernachlässigt werden. Die Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e weisen jeweils eine gleiche oder nahezu gleiche Elastizität auf. Die Anpassung der Elastizität erfolgt über eine Gestaltoptimierung aller Werkzeugelemente auf Unterstempelseite und/oder Oberstempelseite. Weiterhin ist in 3 erkennbar, dass in der dargestellten Ausgangsposition der Presse sich von dem ersten Ende des ersten Stempels 34a ein erster Bereich a, dessen Höhe von der Geometrie des Bauteils abhängt, erstreckt, und dass sich von dem zweiten Ende des ersten Stempels 34a ein zweiter Bereich b erstreckt. In dem zweiten Bereich b sind jeweils das zweite Ende der Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e auf einer Ebene angeordnet.
Weiterhin ist in 3 erkennbar, dass die Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e in einer Pressrichtung entlang der Längsachse c ineinander gleitend angeordnet sind, wobei die äußeren Stempel die inneren Stempel radial umschließen. Die Gesamtlängen der Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e unterscheiden sich um ≤ 50%, bevorzugt ≤ 25%, insbesondere ≤ 10%, zueinander, um unterschiedlich kompliziert geformte Grünlinge zu ermöglichen. Dies impliziert auch eine Höhenausdehnung des zweiten Bereichs b.
3a zeigt den Werkzeugaufbau 30 der 3. Zusätzlich ist ein Werkzeugaufbau 52 über zwei Oberstempelwerkzeugebenen eingezeichnet. Jede Werkzeugebene umfasst jeweils eines der zwei Stempel 34f, 34g und zwei Stempelhalter 36f, 36g. Wie erkennbar ist, sind die Stempel 34f, 34g als Oberstempel ausgebildet und ragen überwiegend durch eine Öffnung in die Matrize 32 hinein. Die Öffnung in die die Stempel 34f, 34g in die Matrize 32 hineinragen, ist entgegengesetzt zu der Öffnung der Matrize 32 in die die Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e hineinragen. Die ersten Enden der Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e und der Stempel 34f, 34g bilden zusammen mit der Matrize 32 einen Verdichtungsraum aus, durch den ein Grünling 46 aus einem Metallpulver durch Pressen geformt wird. Weiterhin ist erkennbar, dass auch die Stempel 34f, 34g an ihrem dem ersten Ende entgegen gesetzten zweiten Ende auf den Stempelhaltern 36f, 36g angeordnet sind. Die Stempelhalter 36f, 36g dienen während der Herstellung des Grünlings 46 zur Aufnahme der auf den jeweiligen Stempel 34f, 34g wirkende Kraft und leiten diese aufgenommene Kraft an eine werkzeugunabhängigen Adapterplatte weiter.
Das Verfahren zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge 46 aus im wesentlichen pulverförmigen Material, insbesondere Eisenpulver und/oder Keramikpulver, mit einer Presse mit einem in der 3a dargestellten Werkzeugaufbau 30 und 52 erfolgt folgendermaßen: Zuerst wird ein pulverförmiges Material in eine Öffnung der Matrize 32 eingefüllt. Danach wird das pulverförmige Material in der Matrize 32 auf einer ersten Matrizenseite von den zwei Stempeln 34f, 34g, welche als Oberstempel ausgebildet sind, und von einer der ersten Matrizenseite gegenüberliegenden zweiten Matrizenseite von den fünf Stempeln 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, welche als Unterstempel ausgebildet sind, verdichtet. Die Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e sind jeweils mit einem Stempelhalter 36a, 36b, 36c, 36d, 36e verbunden und gleiten ineinander, wobei eine Presskraft von einem ersten Ende eines Stempels 34a, 34b, 34c, 34d, 34e entlang des Stempels 34a, 34b, 34c, 34d, 34e soweit nach Außen über ein aufgespreiztes zweites Ende des Stempels 34a, 34b, 34c, 34d, 34e geleitet wird, dass auf einen dem Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e zugeordneten Stempelhalter 36a, 36b, 36c, 36d, 36e ein in Bewegungsrichtung des Stempels 34a, 34b, 34c, 34d, 34e wirkender Kraftvektor unverändert vom Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e zum Stempelhalter 36a, 36b, 36c, 36d, 36e einwirkt. Zur gleichen Zeit geschieht dasselbe bei den Stempeln 34f, 34g. Die Stempel 34f, 34g gleiten ineinander, wobei eine Presskraft von einem ersten Ende eines Stempels 34f, 34g entlang des Stempels 34f, 34g soweit nach Außen über ein aufgespreiztes zweites Ende des Stempels 34f, 34g geleitet wird, dass auf einen dem Stempel 34f, 34g zugeordneten Stempelhalter 36f, 36g ein in Bewegungsrichtung des Stempels 34f, 34g wirkender Kraftvektor unverändert vom Stempel 34f, 34g zum Stempelhalter 36f, 36g einwirkt. Nach dem Pressvorgang wird der Grünling 46 aus der Matrize 32 entformt. Bei dem Verfahren erfolgt ein Kraftfluss unmittelbar von dem formgebenden Bereich der Stempel im Bereich a entlang der Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g zu den jeweiligen Stempelhaltern 36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 36f, 36g. Die auf den Stempeln 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g und Stempelhaltern 36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 36f, 36g während des Verpressens einwirkende Kraft ist die Verdichtungskraft und die Kraft während des Entformens ist die Reibkraft. Durch die Verwendung dieses Verfahrens und der oben beschriebene Presse entstehen bei den Grünlingen 46 während des Entspannens und Entformens keine Risse. Weiterhin erfolgt bei dem Verfahren eine gleichförmige Entspannung des Grünlings 46 von den Stempeln 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g zur Vermeidung von Spannungsrissen im Grünling 46. Die Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g bewirken bei dem Verfahren ein gleichförmiges Verpressen des pulverförmigen Materials, und Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g wirken aufgrund ihrer numerischen Auslegung mit annähernd gleicher Elastizität auf den Grünling 46 ein.
4 zeigt einen Stempel 34. Der Stempel 34 kann ein Unter- oder Oberstempel sein. Der Stempel 34 wird in dem Werkzeugaufbau 30 bzw. 52 gemäß 3 und 3a eingesetzt. Der Stempel 34 ist rotationssymetrisch ausgebildet. Der Stempel 34 spreizt sich konusförmig auf und weist an seinem zweiten Ende ein Fußstück 40 auf. Die konusförmige Aufspreizung erfolgt mittels einer Stegkonstruktion umfassend drei Stege 44a, 44b, 44c. Die Aufspreizung am zweiten Ende kann beispielsweise fünfmal der Durchmesser des ersten Endes betragen. Das Fußstück 40 weist eine ringform auf. In dem Fußstück 40 ist eine Befestigungsvorrichtung umfassend drei Schnellverschlüße 42a, 42b, 42c in Form eines Bajonettverschlusses dargestellt. Mit Hilfe der Schnellverschlüße 42a, 42b, 42c wird der Stempel 34 mit einem Stempelhalter verbunden. Dadurch kann die Rüstzeit verkürzt werden, da zum Lösen und Befestigen des Stempels 34 auf dem Stempelhalter kein Werkzeug mehr benötigt wird. Weiterhin ist es möglich die in 3 dargestellten Stempel 34a, 34b, 34c, 34d, 34e zusammen als ein Stempelpaket gleichzeitig auf den jeweiligen Stempelhaltern 36a, 36b, 36c, 36d, 36e zu befestigen oder gleichzeitig von den jeweiligen Stempelhaltern 36a, 36b, 36c, 36d, 36e zu lösen. Die Kraftübertragung von dem ersten Ende des Stempels 34 erfolgt beispielhaft über die Stege 44a, 44b, 44c auf den Ring 40 und von dort auf den Stempelhalter. Die Art des Kraftflusses wird entsprechend der notwendigen Festigkeit numerisch ausgelegt. Dabei können auch bionische Designs verwendet werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass alle Stempel eines Werkzeugaufbaus 30 eine angeglichene Elastizität aufweisen. Der Stempel 34 kann durch ein additives Verfahren, beispielsweise Lasersinterverfahren, Gießverfahren, durch ein erosives Verfahren oder durch ein spanendes Verfahren hergestellt werden.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Werkzeugaufbaus 50 einer Unterstempelseite für eine Presse, die zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge aus im wesentlichen pulverförmigen Material, insbesondere Eisenpulver und/oder Keramikpulver, verwendet wird, mit einer Matrize 32 und drei Werkzeugebenen. Die Werkzeugebenen bestehen aus drei Stempeln 48a, 48b, 48c und aus drei Stempelhaltern 36a, 36b, 36c. Die Stempel 48a, 48b, 48c sind in diesem Ausführungsbeispiel als Unterstempel dargestellt und weisen jeweils an ihrer Längsachse ein erstes Ende auf, welches in eine Öffnung der Matrize 32 hineinragt, und jeweils ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende auf, welches jeweils unmittelbar auf einem Stempelhalter 36a, 36b, 36c ohne Hilfe von Druckplatten und/oder Klemmplatten angeordnet ist. Die Stempelhalter 36a, 36b, 36c bewegen sich unabhängig voneinander und sind mit beweglichen und/oder starren Adapter- oder Pressenplatten der Presse verbunden. In 5 ist erkennbar, dass die Stempel 48a, 48b, 48c ineinander gleitend angeordnet sind, wobei die Stempel 48a, 48b, 48c sich jeweils von dem ersten Ende bis zum zweiten Ende aufspreizen, und ineinander verschachtelt sind. Auf diese Weise erfolgt der Kraftfluss unmittelbar in den Stempeln 48a, 48b, 48c, von dem formgebenden Bereich am ersten Ende in der Matrize 32 nach außen über Stempelhalter 36a, 36b, 36c auf die beweglichen und/oder starren Adapter- oder Pressenplatten. Dabei wird bewusst in Kauf genommen, dass die äußeren Stempel verlängert werden müssen, damit die inneren Stempel verkürzt werden können. Die Stempel 48a, 48b, 48c weisen jeweils eine gleiche oder nahezu gleiche Elastizität auf. In dem Ausführungsbeispiel in 5 sind im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel in 3 die Stempel 48a, 48b, 48c nur teilweise voneinander radial umschlossen. Der Stempel 48c zeigt als Besonderheit, dass drei Teilstempel auf einem Stempel 48c zusammengefasst werden können.
5a zeigt den Werkzeugaufbau 50 der 5. Zusätzlich ist ein Stempel 48d eingezeichnet. Wie erkennbar ist, ist der Stempel 48d als ein Oberstempel ausgebildet und ragt durch eine Öffnung in die Matrize 32 hinein. Die Öffnung in die der Stempel 48d in die Matrize 32 hineinragt, ist entgegengesetzt zu der Öffnung der Matrize 32 in die die Stempel 48a, 48b, 48c hineinragen. Die ersten Enden der Stempel 48a, 48b, 48c und des Stempels 48d bilden zusammen mit der Matrize 32 einen Verdichtungsraum aus, durch den ein Grünling 46 aus einem Metallpulver durch Pressen geformt wird. Weiterhin ist erkennbar, dass der Stempel 48d an seinem dem ersten Ende entgegen gesetzten zweiten Ende nicht auf einem Stempelhalter angeordnet ist. Stattdessen kann die auf den Stempel 48d während der Herstellung des Grünlings wirkende Kraft direkt an eine werkzeugunabhängige Adapterplatte weitergeleitet werden oder der Stempel 48d kann mit Zubehör gemäß dem Stand der Technik, wie einer Druckplatte und einer Klemmpatte, verbunden werden.
6 zeigt den Stempel 48c der 5 und 5a. Der Stempel 48c weist an seinem ersten Ende drei verschiedene Teilstempel 54a, 54b, 54c auf. Somit ist es möglich durch den erfindungsgemäßen Aufbau eines Stempels mehrere Einzelstempel als Teilstempel 54a, 54b, 54c auf einem gemeinsamen Stempel 48c zusammenzufassen.
7 zeigt den Verlauf der Kraft 56 während des Pressvorgangs in einer Werkzeugebene gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer Werkzeugebene des Stands der Technik. In 7 ist die Werkzeugebene gemäß der Erfindung auf der linken Seite und die Werkzeugebene gemäß dem Stand der Technik auf der rechten Seite dargestellt. Die durch die Werkzeugebene verlaufende Kraft 56 ist als durchgehende Linie jeweils vom ersten Ende der Stempels bis zu dem Stempelhalter dargestellt. Weiterhin ist die Bewegungsrichtung der Stempel als ein Pfeil F entlang der Längsachse c dargestellt. Bei einer Werkzeugebene gemäß der Erfindung verläuft die Kraft 56 von dem ersten Ende des Stempels 34 entlang der Aufspreizung des Stempels 34 und geht über das zweite Ende des Stempels 34 direkt in den Stempelhalter 36 über. Durch die Aufspreizung im Stempel 34 verläuft die Kraft 56 vom ersten Ende des Stempels 34 bis zum Stempelhalter 36 harmonisch und günstig, ohne dass der Kraftfluß massiv in seiner Flußrichtung umgelenkt wird. Dies wird insbesondere durch die Kraftvektoren verdeutlicht, welche als Pfeile an dem Übergang zwischen dem Stempel 34 und dem Stempelhalter 36 angedeutet sind. Es ist in 7 erkennbar, dass die Kraft direkt von dem Stempel 34 auf den Stempelhalter 36 übergeht. Im Gegensatz verläuft beim Stand der Technik die Kraft 56 von dem ersten Ende des Stempels 14 über das zweite Ende des Stempels 14 in eine Druckplatte 18. Erst dann kann die Kraft von der Druckplatte 18 in den Stempelhalter 20 übertragen werden. Weiterhin ist der Stempel 14 über eine Klemmplatte 16 mit der Druckplatte 18 verbunden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Kraftvektoren an dem Übergang vom Stempel 14 auf die Druckplatte 18 und von der Druckplatte 18 auf den Stempelhalter 20 als Pfeile dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Kraft durch den Stempel 14 gerade in die Druckplatte 18 übertragen wird. An der Druckplatte 18 wird die Kraft aufgrund der Ausrichtung der Druckplatte 18 umgelenkt, um die Kraft 56 an den Stempelhalter 20 übertragen zu können. Weiterhin hat die Druckplatte 18 den Nachteil, dass auf kürzestem axialem Bauraum die Kraft 56 nach Außen auf den Stempelhalter 20 abgeleitet werden muss, dies führt zu einer massiven Bauweise mit hohem Gewicht.
8 zeigt eine isometrische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Stempels 58. Der Stempel 58 weist einen erstes Ende und ein zweites Ende auf. An seinem zweiten Ende weist der Stempel eine Befestigungsvorrichtung 60a, 60b, 60c auf und der Stempel 58 ist so weit aufgespreizt, dass dessen aufgespreizte Weite sich bis zumindest einem anzuordnenden Stempelhalter zumindest angenähert ist. Die Befestigungsvorrichtung 60a, 60b, 60c ist dreiteilig ausgebildet. Weiterhin ist die aufgespreizte Weite des Stempels 58 eine zusammenhängende Fläche. Der in 8 dargestellte Stempel 58 stellt eine bionisch optimierte Gestaltung mit hoher Steifigkeit dar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10135523 C2 [0002]
US 5498147 [0002, 0050]

Claims

Presse zum Herstellen maßhaltiger Grünlinge (46) aus im wesentlichen pulverförmigem Material, insbesondere Eisenpulver und/oder Keramikpulver, mit einem Werkzeug mit Ober- und Unterstempel, wobei der Ober- und Unterstempel jeweils mindestens einen Stempel (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g, 48a, 48b, 48c, 48d, 58) umfassen, wobei ein erster Stempel und ein zweiter Stempel zusammen als Oberstempel oder Unterstempel ineinander gleitend angeordnet sind, jeweils ein erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende aufweisen, wobei zumindest einer der beiden Stempel sich entlang eines Abschnitts soweit aufspreizt, dass dessen zweites Ende eine Weite aufweist, die sich einem äußeren Durchmesser eines dem zweiten Ende zugehörigen Stempelhalters zumindest annähert.
Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende eine Weite aufweist, die zumindest einen inneren Durchmesser eines zugehörigen Stempelhalters überdeckt.
Presse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stempel an seinem zweiten Ende unmittelbar auf einem ersten Stempelhalter und der zweite Stempel an seinem zweiten Ende unmittelbar einem zweiten Stempelhalter jeweils ohne Mitwirkung von einer Druckplatte angeordnet sind.
Presse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Stempel in einer Pressrichtung entlang einer gemeinsamen Längsachse (c) mit ihren jeweils aufgespreizten zweiten Enden ineinander gleitend angeordnet sind.
Presse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stempel und der zweite Stempel jeweils eine gleiche oder nahezu gleiche Elastizität aufweisen.
Presse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ausgangsposition der Presse sich von dem ersten Ende des ersten Stempels ein erster Bereich (a) erstreckt und das erste Ende des zweiten Stempels in dem ersten Bereich (a) angeordnet ist und/oder dass sich von dem zweiten Ende des ersten Stempels ein zweiter Bereich (b) erstreckt und das zweite Ende des zweiten Stempels in dem zweiten Bereich (b) angeordnet ist.
Presse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Stempel sich jeweils konusförmig aufspreizen und jeweils ein Fußstück (40) aufweisen, wobei eine konusförmige Aufspreizung mittels einer Gestaltung des Stempels in dem zugehörigen Bereich erfolgt, die einen zumindest zum Großteil geschlossenen Rotationskörper, einen geschlossenen Rotationskörpers, eine Fachwerkskonstruktion, eine Wurzelkonstruktion, eine Stegkonstruktion und/oder eine sonstige Konstruktionsgestaltung umfasst, die eine Stempelgeometrie nach Außen aufspreizt.
Presse nach einem der vorhergehenden Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Fußstück (40) an dem zweiten Ende eines aufgespreizten Stempels eine Verbindungsvorrichtung, vorzugsweise ein Schnellverschluß (42a, 42b, 42c), zum Verbinden mit einer anzuschließenden Komponente, insbesondere einem Stempelhalter, vorgesehen ist.
Presse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stempel und der zweite Stempel jeweils durch ein additives Fertigungsverfahren, vorzugsweise Lasersinterverfahren, Elektrodenstrahlschmelzen, Laserauftragungsschweißen, durch ein Gießverfahren, durch ein erosives Verfahren oder durch ein spanendes Verfahren hergestellt sind.
Presse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite, jeweils aufgespreizte Stempel jeweils eine numerisch ausgelegte, belastungsoptimierte Geometrie mit aneinander angeglichener Elastizität aufweisen.
Presse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei oder mehr Stempel jeweils soweit aufgespreizt sind, dass deren jeweiliges zweites Ende eine Weite aufweist, die sich einem äußeren Durchmesser eines dem jeweiligen zweiten Ende zugehörigen Stempelhalters zumindest annähert.
Presse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ober- und ein Unterstempel jeweils soweit aufgespreizt sind, dass deren jeweiliges zweites Ende eine Weite aufweist, die sich einem äußeren Durchmesser eines dem jeweiligen zweiten Ende zugehörigen Stempelhalters zumindest annähert.
Stempel nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine Presse, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g, 48a, 48b, 48c, 48d, 58) an seinem zweiten Ende eine Befestigungsvorrichtung angeordnet aufweist und so weit aufgespreizt ist, dass dessen aufgespreizte Weite sich bis zumindest einem anzuordnenden Stempelhalter (36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 36f, 36g) zumindest annähert ist.
Stempel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der Befestigungsvorrichtung ein Stempelhalter (36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 36f, 36g) lösbar angeordnet ist.
Stempel nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g, 48a, 48b, 48c, 48d, 58) an seinem ersten Ende in mindestens zwei Teilstempel (54a, 54b, 54c) endet.
Verwendung einer Presse und/oder eines Stempels (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g, 48a, 48b, 48c, 48d, 58) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung eines Grünlings (46) aus pulverförmigen Material, vorzugsweise eines endmaßhaltigen Grünlings (46).
Verwendung nach Anspruch 16 zum Herstellen einer Bauteilkomponente aus dem Grünling (46).
Verfahren zum Herstellen eines maßhaltigen Grünlings (46) aus im Wesentlichen pulverförmigem Material, insbesondere metallenem Pulver, Eisenpulver und/oder Keramikpulver, umfassend folgende Schritte: – Füllen eines pulverförmigen Materials in eine Öffnung einer Matrize (32), – Pressen des pulverförmigen Materials in der Matrize (32), wobei das pulverförmige Material auf einer ersten Matrizenseite von mindestens einem Oberstempel (34f, 34g, 48d) und von einer der ersten Matrizenseite gegenüberliegenden zweiten Matrizenseite von mindestens zwei Unterstempeln (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 48a, 48b, 48c) verdichtet wird, wobei die zwei Unterstempel (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 48a, 48b, 48c) ineinander gleiten und jeweils mit einem Stempelhalter (36a, 36b, 36c, 36d, 36e) verbunden sind, wobei eine Presskraft von einem ersten Ende eines Unterstempels (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 48a, 48b, 48c) entlang des Unterstempels (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 48a, 48b, 48c) soweit nach Außen über ein aufgespreiztes zweites Ende des Unterstempels (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 48a, 48b, 48c) geleitet wird, dass auf einen, dem Unterstempel (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 48a, 48b, 48c) zugeordneten Stempelhalter (36a, 36b, 36c, 36d, 36e) ein in Bewegungsrichtung des Unterstempels wirkender Kraftvektor unverändert vom Unterstempel (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 48a, 48b, 48c) zum Stempelhalter (36a, 36b, 36c, 36d, 36e) einwirkt, und – Entformen des Grünlings (46) aus der Matrize (32).
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine gleichförmige Entspannung des Grünlings (46) von den zumindest zwei Unterstempeln und/oder Oberstempeln zur Vermeidung von Spannungsrissen im Grünling (46) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Unterstempel ein gleichförmiges Entspannen und Entformen des pulverförmigen Materials bewirken.
Verfahren nach Anspruch 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Unterstempel mit annähernd gleicher Elastizität auf den Grünling (46) einwirken.
Grünling (46) aus einem aus im Wesentlichen pulverförmigen Material, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünling (46) mittels mehrerer aufgespreizter Stempel (34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g, 48a, 48b, 48c, 48d, 58) gemäß Anspruch 13, 14 oder 15 in einer Presse nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 21 hergestellt ist.
Statistisch relevantes Kollektiv an Grünlingen (46) aus einer Fertigungscharge an einer Presse, wobei alle Grünlinge (46) dieses Kollektivs jeweils ohne ein oder mehrere Entlastungsrisse entspannt sind.