Manufacturing of integrated cooling channels by Directed Energy Deposition for hot stamping tools with ball burnished surfaces

Abstract

Hot stamping tools require cooling channels, preferably with a high positioning flexibility. Conventionally, these are machined. This represents a disadvantage because of the limited accessibility for milling tools and the low flexibility. By means of the Directed Energy Deposition (DED) process, a flexible design of the cooling channels is possible. Different geometries of cooling channels can be manufactured by DED in order to control the heat balance in the hot stamping tool. In this context an agreement between the additive producibility and the surface fraction of the cooling channels, which contributes to the effective heat at the tool surface, is important. Experimental and numerical analyses demonstrate that a possible configuration in this field is the drop shaped cooling channel. To reduce the surface roughness after the DED process, the tool surfaces are ball burnished subsequently. The resulting roughness and the waviness of the tool surface are reduced but not leveled completely. Texturing of the surface can be applied to in fluence the material flow in the hot stamping process which is implemented by DED. The combination of the described methods allows for manufacturing hot stamping tools with near-surface cooling channels and a global or local adjustment of the surface properties of the tools.

Presshärtewerkzeuge erfordern Kühlkanäle, vorzugsweise mit einer hohen Positionierungsflexibilität. Diese werden üblicherweise gefräst. Dies stellt aufgrund der eingeschränkten Zugänglichkeit für Fräswerkzeuge und der geringen Flexibilität einen Nachteil dar. Mit Hilfe des Laserpulverauftragsschweißens (LPA) ist eine flexible Gestaltung der Kühlkanäle möglich. Mittels LPA können unterschiedliche Kühlkanalgeometrien hergestellt werden, um den Wärmehaushalt im Presshärtewerkzeug zu steuern. In diesem Zusammenhang ist eine Abstimmung zwischen der additiven Herstellbarkeit und dem Oberflächenanteil der Kühlkanäle, der zur effektiven Wärme an der Werkzeugoberfläche beiträgt, wichtig. Experimentelle und numerische Analysen zeigen, dass eine mögliche Konfiguration in diesem Bereich der tropfenförmige Kühlkanal ist. Um die Oberflächenrauheit nach dem LPA-Prozess zu reduzieren, werden die Werkzeugoberflächen anschließend glattgewalzt. Die resultierende Rauheit und die Welligkeit der Werkzeugoberfläche werden reduziert, aber nicht vollständig eingeebnet. Die Texturierung der Oberfläche, welche durch das LPA-Verfahren realisiert wird, kann zur Beeinflussung des Werkstoffflusses im Presshärteprozess eingesetzt werden. Die Kombination der beschriebenen Verfahren ermöglicht die Herstellung von Presshärtewerkzeugen mit oberflächennahen Kühlkanälen und eine globale oder lokale Einstellung der Oberflächeneigenschaften der Werkzeuge.