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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein mindestens teilweise aus Kunststoff bestehendes Werkzeug. In letzter
Zeit hat die sogenannte Nano-Technologie in verschiedenen Bereichen
der Technik an Bedeutung gewonnen. In der Nano-Techologie werden
nanoskalige Teilchen mit Partikelgrößen wesentlich unterhalb eines μm eingesetzt.
Aufgrund der Größe dieser
Partikel im Bereich zwischen 10
–9 und
10
–6 Metern
kommt man in die Größenordnung
atomarer Strukturen in Festkörpersystemen,
die nicht mehr den bekannten makroskopischen Gesetzmäßigkeiten
gehorchen. Die Teilchengröße solcher
Nanopartikel ist in der Regel kleiner als die Wellenlänge kurzwelligen
sichtbaren Lichts (ca. 400 nm), so dass diese Teilchen auch mit
einem herkömmlichen
Mikroskop nicht mehr sichtbar gemacht werden können. Die Herstellung und Handhabung
derartiger nanoskaliger Partikel ist mit relativ großem Aufwand
verbunden. Verschiedene interessante technische Anwendungen nanoskaliger
anorganischer Feststoffpartikel wurden in Betracht gezogen, zum
Beispiel deren Verwendung in Beschichtungen für optische Elemente (siehe
DE 41 33 621 A1 ).
Wegen der genannten Anwendung geht es in dieser Schrift in erster
Linie um die Herstellung transparenter Kompositmaterialien.
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Die
DE 197 46 885 A1 beschreibt ein Verfahren
zur Herstellung von nanostrukturierten Formkörpern und Schichten ausgehend
von einer fließfähigen Masse,
die nanoskalige anorganische Feststoffteilchen mit polymerisierbaren
Oberflächengruppen
enthält,
in eine Form eingebracht und dann unter Bildung eines gehärteten Formkörpers polymerisiert
wird. Es werden keine spezifischen Anwendungen für die so hergestellten Formkörper genannt.
Die Möglichkeit
der Verwendung solcher Formkörper
für beispielsweise
Werkzeuge für Umformprozesse,
die üblicherweise
aus Metall gefertigt werden, wird in dieser Druckschrift nicht in
Erwägung gezogen.
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Werkzeuge, die beispielsweise für Umformprozesse
wie Tiefziehverfahren oder dergleichen eingesetzt werden, haben
häufig
den Nachteil einer relativ kurzen Lebensdauer. Wenn man beispielsweise
Stempel, Blechhalter oder Matrizen, die aus Kunststoff bestehen,
für das
Tiefziehen von Metallteilen verwendet, ergibt sich ein hoher Verschleiß an den
Kontaktflächen
und der Werkstoff des Werkzeugs hat den Mangel einer zu geringen
Druckfestigkeit. Dies führt
häufig
zu einem schnellen Versagen der Werkzeuge.
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Demgegenüber besteht die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung darin, ein mindestens teilweise aus Kunststoff
bestehendes Werkzeug zur Verfügung
zu stellen, welches bessere Verschleißeigenschaften aufweist und
somit eine höhere
Lebensdauer hat.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefert
ein erfindungsgemäßes Werkzeug
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das mindestens teilweise aus Kunststoff bestehende Werkzeug
einen in den Kunststoff eingelagerten Anteil an nanoskaligen Partikeln
enthält.
Dadurch ergeben sich im Hinblick auf den Verschleiß wesentlich
bessere Materialeigenschaften sowie in der Regel auch bessere Reibeigenschaften
als bei herkömmlichen
Kunststoffmaterialien. Bei der Verwendung derartiger erfindungsgemäßer Werkzeuge
für Umformprozesse
haben die Werkzeuge eine höhere
Lebensdauer und ermöglichen
daher den Einsatz in einer um ein vielfaches höheren Anzahl an Arbeitszyklen.
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Die Korngröße der erfindungsgemäß verwendeten
Nano-Partikel variiert vorzugsweise etwa im Bereich zwischen 15
und 250 Nanometern. Das unter Verwendung dieser nanoskaligen Partikel
hergestellte Kunststoffmaterial kann als Gießmaterial oder als Blockmaterial
vorliegen. Der Anteil der nanoskaligen Partikel in dem Kunststoff
kann über
weite Bereiche variieren. Besonders bevorzugt ist die Verwendung
eines Anteils von zwischen etwa 5 Gewichtsprozent und etwa 60 Gewichtsprozent
nanoskaligen Partikel bezogen auf das Gesamtgewicht des Kompositmaterials.
Vorzugsweise liegen dieses nanoskaligen Partikel weitgehend homogen
in dem Kunststoff verteilt vor. Die nanoskaligen Teilchen werden
dabei in vorteilhafter Weise in das Polymer des Kunststoffs eingebettet.
Zur Erzielung einer weitgehend homogenen Verteilung der nanoskaligen
Teilchen versieht man diese vorzugsweise bei der Herstellung des
Kompositmaterials mit einem Oberflächenmodifikator. Es bildet
sich eine glasartige amorphe Struktur indem Kunststoff, die diesem
Eigenschaften verleiht, die ihn für die Verwendung als Werkzeugwerkstoff
besonders geeignet macht, wobei dieser Werkstoff trotz der glasartigen
Struktureigenschaften der Grundmasse, insbesondere deren Elastizität beibehält. Als
Kunststoffe für
die Grundmasse kommen insbesondere Polyurethane, Epoxydharze oder
Kunststoffe mit vergleichbaren Eigenschaften in Betracht.
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Für
die nanoskaligen Partikel kommen im Rahmen der vorliegenden Erfindung
in erster Linie Partikel aus anorganischen Substanzen in Betracht.
Dies können
beispielsweise Oxide von Metallen sein. Je nach Anwendungszweck
können
Oxide von Metallen mit ausreichender Härte und/oder Reibfestigkeit
bevorzugt sein, wie beispielsweise Siliziumoxide, Titanoxide oder
dergleichen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
wurden Untersuchungen angestellt, bei denen Mischungen aus Kunststoff,
die nanoskalige Partikel enthielten mit Kunststoffen, die andere
Additive enthielten verglichen wurden, wobei sich die die nanoskaligen
Partikel gemäß der Erfindung
enthaltenden Kunststoffe im Hinblick auf verschiedene Eigenschaften
als besonders vorteilhaft erwiesen, insbesondere im Hinblick auf
die Verschleißeigenschaften,
die Druckfestigkeit und Reibeigenschaften. Im Rahmen dieser Untersuchungen
wurden REM-Aufnahmen von verschiedenen Proben von Kunststoffen unter
Beimengung von nanoskaligen Teilchen einerseits bzw. konventionellen
Füllstoffen
andererseits sowie Festschmierstoffen angefertigt und es konnte gezeigt
werden, dass diese Additive in unterschiedlichen Verteilungen der
Partikel in der Kunststoffmatrix vorliegen. Bei einigen Versuchen
zeigte sich bereits beim Rühren
des noch nicht verfestigten Materials, dass Inhomogenität und Klumpenbildungen
auftraten. Beim Aushärten
der Proben wurde festgestellt, dass in dem Kunststoff viele Lufteinschlüsse vorhanden
sind. Wenn dagegen die nanoskaligen Teilchen unter Verwendung geeigneter
Oberflächenmodifikatoren
in den Kunststoff eingebettet wurden, zeigte sich in der Kunststoffmatrix eine
wesentlich bessere Vereilung der nanofeinen Partikel. Es wird angenommen,
dass durch die erfindungsgemäße Einbettung
nanoskaligen Partikel in den Kunststoff ein amorpher Festkörper entsteht,
wobei die Oberfläche
der Nano-Feststoffpartikel von der Kunststoffmatrix benetzt wird.
Es scheint eine feste Bindung zwischen den beiden Phasen zu entstehen.
Diese Annahme wird auch durch REM-Aufnahmen von Proben des erfindungsgemäßen Werkstoffs
bestätigt,
der in eine Stickstofflösung
eingetaucht und zerbrochen wurde. Im Bereich der Bruchfläche sind
glatte Flächen
und keine Partikelspitzen zu erkennen.
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Im Rahmen der erfindungsgemäßen Untersuchungen
wurde jeweils das E-Modul und die Druckfestigkeit von Kunststoffen
mit nanoskaligen Partikeln gemäß der Erfindung
einerseits und Kunststoffen mit konventionellen Pulverpartikeln
untersucht und verglichen. Bereits die Beimengung von beispielsweise
etwa 20 % nanoskaliger Partikel führte zu einer erheblich erhöhten Druckfestigkeit
gegenüber
den lediglich konventionelle Füllstoffe
enthaltenden Kunststoffen.
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Mit den erfindungsgemäßen Kunststoffen
wurden Werkzeuge hergestellt und mit diesen Werkzeugen wurden Tiefziehversuche
durchgeführt.
Dabei wurde festgestellt, dass sich sowohl die Maßgenauigkeit
als auch die Standzeit der Tiefziehwerkzeuge stark verbessert. Im
Normalfall sind derartige Tiefziehwerkzeuge aus Kunststoff relativ
schnell verschlissen. Durch das Einbetten nanoskaligen Partikel
in einer Menge von beispielsweise etwa 20 Gewichtsprozent bezogen
auf das Gesamtgewicht des Kompositmaterials konnten bessere Reib-
und Verschleißverhältnisse
erreicht werden. Durch das Einbetten weiterer Gleitstoffe wie beispielsweise
Graphit oder Molybdänsulfid
konnte das Verschleiß-
und das Tiefziehverhalten der Werkzeuge weiter verbessert werden,
wie sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen ergibt.
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Die erfindungsgemäßen Kunststoffwerkzeuge mit
eingebetteten nanoskaligen Partikeln haben den Vorteil, dass die
Materialkosten um einiges (beispielsweise um bis zu 70 %) geringer
liegen als bei herkömmlichen
Stahlwerkzeugen. Diese Werkzeuge lassen sich besser verarbeiten
und benötigen
dabei einen geringeren maschinellen Einsatz. Dies führt zu einem
verringerten Energie- und Leistungsbedarf bei der Maschinenarbeit.
Die erfindungsgemäßen Kunststoffwerkzeuge
haben eine kürzere
Einarbeitungszeit als Stahlwerkzeuge. Sie haben ein wesentlich geringeres
Gewicht. Es lassen sich beispielsweise Gewichtsreduzierungen von
bis zu 60 % erreichen, wodurch die Belastung von beispielsweise
Krananlagen bei der Handhabung der Werkzeuge verringert werden kann.
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Die erfindungsgemäßen Kunststoffwerkzeuge bzw.
daraus gefertigte Kunststoffeinsätze
für Werkzeuge
lassen sich leichter ändern,
was ebenfalls mit einer Kosten-, Energie- und Zeiteinsparung einhergeht.
Ausgediente Werkzeuge können
vollständig
wiederverwendet werden, beispielsweise als Füllstoffe bei neuen Kunststoffwerkzeugen,
so dass die Kosten für
die Entsorgung entfallen. Da die Kunststoffwerkzeuge ein elastisches
Verhalten zeigen, erzielt man eine Qualitätserhöhung bei den mittels solcher
Umformwerkzeuge umgeformten Werkstücken. Die Reibungsverhältnisse
insbesondere bei Tiefziehverfahren werden verbessert durch das Einbringen
weiterer Substanzen mit Gleiteigenschaften. Dadurch können bisher
notwendige flüssige Schmiermittel
entfallen, wodurch das Umformverfahren umweltverträglicher
wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
weiterhin ein Verfahren zur Umformung von Werkstücken, insbesondere von Metallteilen,
mittels eines mindestens teilweise aus Kunststoff bestehenden Umformwerkzeugs,
bei dem erfindungsgemäß das Umformwerkzeug
einen in den Kunststoff eingelagerten Anteil an nanoskaligen Partikeln
enthält.
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dient ein solches Umformwerkzeug als
Tiefziehwerkzeug in einem Verfahren zum Tiefziehen von Metallblechen,
insbesondere von Karosseriebauteilen oder Karosserien für Automobile.
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Nachfolgend wird die folgende Erfindung
anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen näher beschrieben.
Dabei zeigen
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1 eine
REM-Aufnahme eines Schnitts durch einen Kunststoff für ein erfindungsgemäßes Werkzeug
gemäß einer
ersten Probe P-b1
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2 eine
weitere REM-Aufnahme der gleichen Probe wie in 1 jedoch in stärkerer Vergrößerung
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3 eine
REM-Aufnahme einer Bruchfläche
einer Probe eines erfindungsgemäßen Kunststoffs,
die in eine Stickstofflösung
eingetaucht und zerbrochen wurde
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4 eine
graphische Darstellung des E-Moduls und der Druckfestigkeit bei
Verwendung verschieden großer
Anteile an nanoskaligen Partikeln in Kunststoffen
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S eine
graphische Darstellung der Reibwerte bei Verwendung von Tiefziehwerkzeugen
aus Kunststoffen, die verschiedene Füllstoffe enthalten
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6 eine
graphische Darstellung, die das Verschleißverhalten von Werkzeugen aus
Kunststoffen mit unterschiedlichen Füllstoffen beim Tiefziehen mit
steigender Anzahl von Hüben
demonstriert.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
wurden verschiedene Chargen von Kunststoffen untersucht, denen nanoskalige
Partikel mit unterschiedlichen Korngrößen zugegeben wurden. Die Eigenschaften
der untersuchten Proben P-D4 P-b1, P-b2 und P-b3 nanoskaliger Partikel
sind in der nachfolgenden Tabelle 1 wiedergegeben.
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Wie man der Tabelle entnimmt, betrug
die Korngröße bei der
Probe P-D4 800 nm, während
die Korngröße bei den
anderen Nanopartikeln wesentlich kleiner war. Die nanoskaligen Partikel
wurden jeweils mit Oberflächenmodifikatoren
versehen und einer Kunststoffmasse zugefügt. Bei den Versuchen mit der
Probe P-D4 zeigte sich schon beim Rühren Inhomogenität und es
trat Klumpenbildung auf. Beim Aushärten der Probe wurde festgestellt,
dass zahlreiche Lufteinschlüsse
in dem Kunststoff enthalten sind.
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Hingegen wurde festgestellt, dass
bei den Proben mit den nanoskaligen Partikeln, die gemäß der Tabelle
eine wesentlich kleinere Korngröße aufwiesen
eine wesentlich bessere Verteilung der nanofeinen Partikel in der
Kunststoffmatrix erzielt wurde. Dies bestätigen entsprechende REM-Aufnahmen. 1 zeigt eine REM-Aufnahme
eines Schnitts durch einen Kunststoff für ein erfindungsgemäßes Werkzeug
gemäß der Probe P-b1,
die in der zweiten Spalte von links der Tabelle 1 aufgeführt ist.
In 1 kann man gut die
gleichmäßige Verteilung
der nanoskaligen Partikel in dem Kunststoff erkennen. 2 zeigt eine entsprechende
REM-Aufnahme der gleichen Probe, jedoch in stärkerer Vergrößerung.
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Im Rahmen der Untersuchung der Materialeigenschaften
eines nanoskalige Partikel haltigen Kunststoffs wurde eine Probe
der Charge P-b1 (siehe Tabelle 1) in eine Lösung aus flüssigem Stickstoff eingetaucht und
anschließend
zerbrochen. 3 zeigt
eine REM-Aufnahme
der Bruchfläche
einer solchen Probe. Dabei ist zu erkennen, dass an der Bruchfläche glatte
Flächen
vorliegen und keine Partikelspitzen zu sehen sind. Daraus kann man
auf eine feste Bindung schließen,
die zwischen dem nanoskaligen Pulver und der Kunststoffmatrix entstanden
ist.
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Zur Untersuchung der Eignung der
erfindungsgemäßen Kunststoffe
als Werkzeugwerkstoff wurden verschiedene Materialkennwerte, insbesondere
das Druck-E-Modul [MPa] und die Druckfestigkeit [MPa] der Kunststoffe
ermittelt und in der grafischen Darstellung gemäß 4 festgehalten. Dabei steigt in der Grafik
der Anteil nanoskaligen Partikel in dem Kunststoff von links nach
rechts an. Bei beiden Kennwerten, insbesondere bei dem Elastizitätsmodul
kann man der Grafik entnehmen, dass bereits eine erhebliche Steigerung
der Materialsteifigkeit bei Zugabe von etwa 20 % nanoskaliger Teilchen
erzielt wird. Weitere Untersuchungen zeigen, dass man bei zusätzlicher
Verwendung konventioneller Füllstoffe
eine weitere erhebliche Erhöhung
des E-Modulwertes und eine Steigerung der Druckfestigkeit erzielen
kann.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
wurden Reibversuche durchgeführt,
bei denen verschiedene Blechwerkstoffe mit Hilfe von Werkzeugen
tiefgezogen wurden, die aus erfindungsgemäßen Kunststoffen mit einem
Anteil nanoskaliger Partikel einerseits und aus Vergleichskunststoffen
andererseits hergestellt wurden, die einen Anteil an einem Material
mit Gleiteigenschaften enthielten. Die Ergebnisse sind in 6 festgehalten. Dabei sind
die Tiefziehergebnisse für
zwei verschiedene Blechwerkstoffe, nämlich einmal AC 120 und zum anderen
ein Blech aus einer Aluminiummagnesiumlegierung AlMg4,5Mn dargestellt,
wobei in beiden Fällen
jeweils Tiefziehwerkzeuge aus vier verschiedenen Kunststoffen untersucht
wurden. Die in beiden Darstellungen jeweils ganz links dargestellte
Säule entspricht
dem Reibwert für
einen Kunststoff, der als Material mit Gleiteigenschaften Graphit
enthielt. Danach folgt von links nach rechts betrachtet ein Kunststoff,
der als Material mit Gleiteigenschaften Molybdänsulfid enthielt, danach von
links nach rechts gesehen ein Kunststoff mit einem Anteil an PTFE
und schließlich
die jeweils ganz rechts dargestellte Säule, bei der der Kunststoff
gemäß der Erfindung
einen Anteil nanoskaliger Partikel enthielt. Die in der 5 dargestellten Reibergebnisse
zeigen, dass der erfindungsgemäße Kunststoff
in beiden Fällen
mit einem mittleren Reibwert von ca. 0,19 die besten Eigenschaften
im Hinblick auf Verschleiß besitzt.
Insbesondere ist es erstaunlich, dass sich bei Zugabe der nanoskaligen
Partikel eine bessere Verschleißfestigkeit
ergibt als bei Zugabe herkömmlicher
Additive zum Kunststoff, die für
ihre Gleiteigenschaften bekannt sind.
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In einem weiteren Versuch wurde das
Verschleißverhalten
von Werkzeugen aus Kunststoffen mit unterschiedlichen Füllstoffen
untersucht, indem mittels Werkzeugen aus diesen Kunststoffen Bleche
mit einer großen
Anzahl aufeinanderfolgender Hübe
tiefgezogen wurden. Das Ergebnis ist in der grafischen Darstellung gemäß 6 wiedergegeben. Es ist
jeweils die relative Verschleißfestigkeit
dargestellt, die sich ergibt im Vergleich mit einem Ausgangswert
vor Beginn des Versuchs. Für
jeden der untersuchten Werkstoffe sind fünf Säulen dargestellt, wobei die
jeweils ganz links gezeichnete Säule
dem Ausgangswert entspricht (relative Skala 5), und danach
folgend von links nach rechts gesehen der Wert nach 5.000 Hüben, 10.000
Hüben,
15.000 Hüben
und 20.000 Hüben.
Man kann aus der Darstellung gemäß 6 gut erkennen, dass die
Verschleißfestigkeit
des Werkzeugs mit zunehmender Anzahl an Hüben bei einem Kunststoff ohne
nanoskalige Partikel und ohne Kunststoffe mit Gleiteigenschaften
sich beständig
verschlechtert. Das zweite Säulenpaket
ergibt sich aus einem Versuch, bei dem ein Kunststoff mit eingelagertem
Graphit verwendet wurde. Das dritte Säulenpaket (von links betrachtet)
gibt die Werte für
einen Kunststoff mit Molybdänsulfid-Additiv
wieder. Das vierte Säulenpaket
(von links betrachtet) gibt die Werte für einen Kunststoff mit eingelagertem
PTFE als Material mit Gleiteigenschaften wieder. In dem fünften Säulenpaket
(in der Darstellung ganz rechts) sind schließlich die Werte für ein Werkzeug
aus einem Kunststoff mit nanoskaligen Partikeln wiedergegeben. Man
kann gut erkennen, dass auch bei Einlagerung eines Additivs mit
Gleiteigenschaften sich die Werte für die Verschleißfestigkeit
mit zunehmender Anzahl von Hüben
mehr oder weniger stark verschlechtern, wobei allerdings wie man
durch Vergleich mit dem Säulenpaket
in der Zeichnung ganz links erkennt, die Verschlechterung geringer
ist als wenn der Kunststoff kein Additiv enthält. Hingegen bleiben die Verschleißwerte bei
dem erfindungsgemäßen Kunststoffwerkzeug
mit eingelagerten nanoskaligen Partikeln (Nano-K) auch nach 20.000
Werkzeughüben
konstant.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
wurden jeweils Modellwerkzeuge gefertigt, wobei aus verschiedenen
Kunststoffen mit nanoskaligen Partikeln gemäß der Erfindung bzw. mit herkömmlichen
Additiven Stempel gefertigt wurden, bei denen das Werkzeug in bestimmten
Bereichen Radien aufwies. Diese Bereiche, zum Beispiel Randbereiche
des Werkzeugs wurden als kritische Bereiche für das Verschleißverhalten
nach dem Tiefziehen von jeweils 100 Teilen vermessen. Dabei wurde
festgestellt, dass ein aus dem nanoskalige Partikel gemäß der Erfindung
enthaltenden Kunststoff gefertigter Stempel das beste Verschleißverhalten
aufwies, da sich die geringsten maßlichen Abweichungen an den
Radien ergaben.
