Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen aus faserigen Materialien, d. h. von sogenannten Faserformteilen. Bei der Formung von Gegenständen aus faserigen Materialien werden die Fasern in Wasser gelöst als sogenannte Pulpe dem Fertigungsprozess zugeführt. Je nach Beschaffenheit der Fasern sind der Pulpe chemische Zusatzstoffe beigefügt, um eine Bindung der Fasern in der Lösung zu gewährleisten. Zur Formgebung des zu fertigenden Gegenstandes durchströmt die Pulpe in Folge einer Druckdifferenz ein formgebendes siebartiges Werkzeug, wobei die Pulpe durch das Werkzeug entweder gepumpt oder gesaugt wird. Die in der Pulpe gelösten Fasern werden durch das Werkzeug herausgefiltert und lagern sich an der Formenoberfläche an. Das Werkzeug besteht aus einem Siebkörper, der die Geometrie des zu formenden Gegenstandes aufweist, die Trennung von festen und flüssigen Bestandteilen gewährleistet und die in Folge der Druckdifferenz auftretenden Kräfte aufnimmt. Erfindungsgemäß besteht das Werkzeug aus einer dreidimensionalen Siebstruktur, die die Siebfunktion und die Stützfunktion in einem einzigen Bauteil übernehmen kann. Hierzu wird zunächst ein geeigneter Rohkörper hergestellt, aus dem in einem nächsten Arbeitsschritt die gewünschte Geometrie des Faserformteils herausgearbeitet wird.

Nach dem Stand der Technik werden die erforderlichen Werkzeuge aus einem Formkörper und einem Sieb zusammengesetzt. Der Formkörper wird üblicherweise mittels einer CNC-Maschine aus dem Vollen gefräst. Als Werkstoff wird Aluminium oder Bronze verwendet. Nach der Formgebung werden die Entwässerungskanäle gebohrt. Als Sieb wird üblicherweise ein gewobenes Metallsieb aus Edelstahl oder Messing mit einem Drahtdurchmesser vom Ø 0,2 bis Ø 0,5 mm verwendet. Das Sieb wird mittels eines entsprechend der gewünschten Kontur geformten Tiefziehwerkzeuges tiefgezogen. Während des Tiefziehvorganges dürfen in dem Sieb keine Falten entstehen, daher sind die darstellbaren Siebkonturen begrenzt. Zur Herstellung eines Formwerkzeuges wird das Sieb in der Regel aus mehreren Teilen zusammengesetzt. Das Fügen erfolgt durch Löten, wodurch an den Lötstellen im Faserformprodukt Unregelmäßigkeiten auftreten. Aufgrund der aufwändigen Herstellung dieser Werkzeuge sind sie wirtschaftlich nur dann einzusetzen, wenn eine sehr große Stückzahl von Werkstücken produziert werden soll. Für Musterteile oder Kleinserien sind die entsprechenden Werkzeuge weniger geeignet. In der Vergangenheit wurden mehrere Versuche unternommen, entsprechende Werkzeuge herzustellen, die auch für kleinere Serien wirtschaftlich sinnvoll einzusetzen sind.

In EP 0857822A1 wird ein Formwerkzeug beschrieben, das nach dem Stereolithografieverfahren hergestellt wird. Nachteilig ist hierbei, dass das Werkzeug nach einem relativ zeitaufwändigen Verfahren hergestellt werden muss. Soll innerhalb kurzer Zeit ein Werkzeug hergestellt werden, um beispielsweise einem Kunden Muster präsentieren zu können, ist dies kaum möglich. Außerdem besteht bei einigen einsetzbaren Werkstoffen das Problem mangelnder Wasserbeständigkeit.

In DE 38 37 467 (Saugform für die Herstellung von Körpern aus Faserbrei) werden Formwerkzeuge beschrieben, die aus kleinen Kugelschichten bestehen, die durch Sintern verbunden werden. Nachteilig ist bei diesen Werkzeugen, dass die Entwässerungskanäle klein sind und nicht geradlinig, sondern unregelmäßig verlaufen. Die Werkzeuge neigen daher zum Verstopfen und lassen sich dann kaum noch reinigen.

CH 679559A5 beschreibt Formwerkzeuge aus Steinmaterial unterschiedlicher Partikelgröße, wobei die Steinpartikel mit Hilfe eines Bindemittels miteinander verbunden werden. Auch bei diesen Werkzeugen besteht das Problem der verschlungenen, nicht geradlinigen Entwässerungskanäle. Die Fasern lagern sich nach einer gewissen produzierten Stückzahl innerhalb des Werkzeuges an den Steinkanten an und lassen sich durch Reinigung kaum noch entfernen.

Zur Lösung dieser Nachteile soll erfindungsgemäß ein Formwerkzeug aus einem dreidimensionalen Rohkörper hergestellt werden, der eine entsprechende Siebstruktur bereits aufweist. Vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist dabei, dass dieser Rohkörper unabhängig von der Geometrie der zu produzierenden Faserformteile vorgefertigt werden kann. Er kann beispielsweise quaderförmig sein. Erst durch nachträgliche Bearbeitung, beispielsweise in an sich bekannter Weise mittels CNC-Fräsen, wird die gewünschte Form aus dem Rohkörper herausgearbeitet. Die Erfindung betrifft insbesondere den geometrischen Aufbau des Rohkörpers.

Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 1 bis 5 dargestellt und werden im Folgenden beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Formwerkzeug, bestehend aus einem bearbeiteten Rohkörper mit einer Vielzahl von parallelen Kanälen.

Fig. 2 zeigt ein entsprechendes Formwerkzeug mit einem Rohkörper, bei dem Kanäle mit größerem Querschnitt verwendet werden und über den zusätzlich ein Sieb geformt ist.

Fig. 3 zeigt ein ähnliches Formwerkzeug wie Fig. 1, wobei der Rohkörper aus zusammengesetzten Vierkantrohren besteht.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung von kreuzweise geschichteten und gefügten Stäben, deren freie Zwischenräume die Siebstruktur bilden.

Fig. 5 zeigt die senkrechten Kanäle, die sich durch die übereinander liegenden Kreuzungspunkte der waagerechten Kanäle ergeben.

Der in Fig. 1 gezeigte Rohkörper (1) weist eine Vielzahl von parallelen Kanälen (2) auf, die parallel zueinander und senkrecht zur Aufstandsfläche verlaufen. Wie in Fig. 3 dargestellt, kann ein derartiger Rohkörper beispielsweise durch das Fügen, z. B. Kleben, mehrerer Vierkantrohre (11) hergestellt werden, wobei die Stege zwischen den Kanälen durch die doppelte Wandstärke der Vierkantrohre gebildet werden.

Der freie Querschnitt der Kanäle entspricht der Maschenweite eines Siebes, das bei vergleichbaren Werkzeugen herkömmlicher Bauform eingesetzt wird; die Breite der Stege zwischen den Kanälen entspricht dem Drahtdurchmesser des Siebs. Derartige Rohkörper können mittels geeigneter Vorrichtungen maschinell und auf Vorrat gefertigt werden. Auch ist eine Herstellung mittels des Stereolithografieverfahrens möglich. Soll nun für eine kundenspezifische Anwendung ein Faserformteil gefertigt werden, wird aus einem der vorgefertigten Rohkörper die Kontur des herzustellenden Faserformteils herausgearbeitet, beispielsweise mittels CNC- Fräsen, Ätzen o. ä. Dadurch kann in relativ kurzer Zeit ein Siebwerkzeug hergestellt werden, bei dem die bearbeiteten Stirnflächen (3) der parallelen Kanäle (2) die Öffnungen der Siebstruktur bilden. Für die beschriebene Funktion ist es dabei unerheblich, ob die Kanäle exakt parallel oder nur weitgehend parallel, beispielsweise unter einem kleinen Winkel zueinander geneigt, verlaufen.

Um eine Siebstruktur mit entsprechend enger Maschenweite zu bilden, sind bei in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sehr viele Vierkantrohre erforderlich. Hier kann es vorteilhaft sein, ein Formwerkzeug gemäß Fig. 2 zu verwenden. An der Oberfläche eines Rohkörper (1) mit ggf. größeren Öffnungen wird nach der Bearbeitung der gewünschten Kontur ein separates dünnwandiges Siebelement (6) angeordnet, das auf den bearbeiteten Stirnseiten (4) der Wände (5) aufliegt und damit die in Folge der Druckdifferenz wirkenden Kräfte abstützt.

Besonders vorteilhaft ist der Rohkörper gemäß Fig. 4. Hieraus können Werkzeuge für Faserformteile hergestellt werden, die Konturen aufweisen, die gegenüber der waagerechten Ebene stark geneigt sind. Während der in Fig. 1 gezeigte Siebkörper im Wesentlichen nur eine Entwässerung in senkrechter Richtung zulässt, erfolgt bei dem Rohkörper gemäß Fig. 4 auch eine Entwässerung in Querrichtung. Erreicht wird dies im gezeigten Ausführungsbeispiel durch den Einsatz von um 90° versetzt angeordneten Ebenen (7), in denen jeweils im Abstand nebeneinander Stäbe (10) bzw. stabförmige Bereiche des Rohkörpers so angeordnet sind, dass die Zwischenräume dazwischen parallele, waagerecht verlaufende Kanäle bilden. Die in Fig. 5 dargestellten Kreuzungspunkte (8), an denen sich jeweils die Kanäle zweier übereinander angeordneter Ebenen kreuzen, liegen senkrecht übereinander und bilden damit zueinander parallele, senkrechte Kanäle. Auf diese Art entsteht ein Rohkörper mit Gruppen von parallelen Kanälen, wobei die Kanäle jeder Gruppe parallel zu einer Achse eines kartesischen Koordinatensystems verlaufen.

Der Rohkörper kann auf verschiedene Arten hergestellt werden; beispielsweise können Stäbe mit rundem oder quadratischem Querschnitt aus einem geeigneten Werkstoff, z. B. Messing, verwendet werden. Mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung bzw. Maschine werden diese Stäbe zunächst in einer Ebene parallel mit einem definierten Abstand zueinander angeordnet. Im nächsten Schritt wird die nächste Ebene, beispielsweise um 90° versetzt, geschichtet. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die gewünschte Höhe des Rohkörpers erreicht ist. Anschließend werden die Stäbe an ihren Kontaktstellen beispielsweise mittels eines Lötbades verlötet, womit der Rohkörper fertiggestellt ist. Die ggf. erforderliche Vorrichtung bzw. Maschine stellt eine einmalige Investition dar, mit der eine Vielzahl von entsprechenden Rohkörpern auf Vorrat gefertigt werden kann. Soll nun ein individuelles Faserformteil hergestellt werden, kann aus diesem Rohkörper innerhalb relativ kurzer Zeit die gewünschte Kontur herausgefräst werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug bestehen folgende Vorteile: Es ist möglich, schnell und mit vertretbarem Aufwand das Formwerkzeug aus dem Rohkörper herzustellen. Dies ist insbesondere für Prototypen, Vorserien und Kleinserien von Faserformteilen hilfreich. Die im Formwerkzeug vorhandenen geradlinigen Kanäle gewährleisten ein verstopfungsfreies Durchlaufen der Flüssigkeit und bieten die Möglichkeit der Reinigung mittels Hochdruckspülung. Das Formwerkzeug bietet einerseits die erforderliche Siebstruktur und andererseits eine so große Festigkeit bzw. Steifigkeit, dass es die herkömmlichen Werkzeuge, die aus einem Siebkörper und einem Stützkörper bestehen, vollständig ersetzen kann. Damit entfällt auch die bei herkömmlichen Werkzeugen erforderliche aufwändige Siebanfertigung und -verlötung von Hand.