DE102009024182B3

DE102009024182B3 - Verfahren zur Bildung und zum Entformen einer Form und/oder eines Kerns beim Formguss

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Publication number: DE102009024182B3
Application number: DE200910024182
Authority: DE
Inventors: Jörg Weise; Daniela Schmidt; Marco Haesche
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Universitaet Bremen
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Universitaet Bremen
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-06-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung und zum Entformen einer Form und/oder eines Kerns beim Formguss. Die Form und/oder der Kern werden dabei aus einer Masse hergestellt, die Hohlkörper enthält. Nach dem Vergießen und Verfestigen der Vergussmasse zur Herstellung des Gussteils wird die Form und/oder der Kern einem Druck ausgesetzt, der zur Zerstörung zumindest eines Teils der Hohlkörper in der Form und/oder dem Kern führt. Durch diese Zerstörung kollabieren die Form und/oder der Kern, so dass deren bzw. dessen Reste auf einfache Weise vom Gussteil entfernt werden können. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Herstellung und Anwendung sehr formstabiler und filigraner Kernstrukturen, die sich dennoch leicht entformen lassen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung und zum Entformen einer Form und/oder eines Kerns bei der Herstellung eines Gussteils mittels Formguss, bei dem die Form und/oder der Kern aus einer Masse hergestellt werden, die Hohlkörper enthalten.
Der Formguss wird üblicherweise unterteilt in Gießen in verlorene Formen, die in der Regel aus einem mineralischen, körnigen Grundstoff sowie einem Bindemittel und weiteren eigenschaftsverbessernden Zusätzen bestehen und nach jedem Abguss zerstört werden, und in Gießen in Dauerformen, die nach einem Abguss wieder verwendbar sind und mit denen bis zu viele tausend Gussteile gefertigt werden können. Sowohl beim Gießen in verlorenen Formen als auch beim Gießen in Dauerformen werden häufig verlorene Kerne eingesetzt, um Hinterschneidungen im Gussteil darzustellen. Beispiele für Gießverfahren mit verlorenen Formen sind Sandguss und Feinguss, für Dauerformverfahren Schwerkraftkokillenguss und Druckguss.
Der verfestigte Formwerkstoff nimmt bei den verlorenen Formen und ebenfalls bei den verlorenen Kernen einen entscheidenden Einfluss auf die Gussteilqualität. Die Hauptanforderungen an das Form- bzw. Kernmaterial sind gute Verarbeitbarkeit, ausreichende Festigkeit und Maßhaltigkeit nach der Formgebung des Kerns bzw. der Form sowie beim Abgießen und Erstarren des Gussteils, gute Zerfallseigenschaften nach dem Abguss, hohe Abbildegenauigkeit, ausreichende Gasdurchlässigkeit, vernachlässigbare nachteilige Wechselwirkung zwischen Formmaterial und Schmelze sowie möglichst problemlose Wiederverwendbarkeit.
Insbesondere müssen die Form bzw. darin eingebrachte Kerne so lange stabil sein, bis sich das geschmolzene Vergussmaterial genug verfestigt hat, um in sich stabil zu sein. Auf der anderen Seite muss die Bindung der Körner im Form- bzw. Kernmaterial sich dann so sehr schwächen lassen, dass eine restlose Entfernung des Materials aus dem erstarrten Gussteil einfach möglich ist. Die Schwächung der Bindung erfolgt zum Teil durch die thermische Wirkung der Schmelze – wie im Fall von wasserglasgebundenen Kernen –, teilweise unterstützt durch äußere mechanische Einwirkungen (z. B. Vibrationen), teilweise aber auch durch chemische Wirkungen (z. B. Herauslösen von Salzkernen in Wasser).
Wenn das Material der Form bzw. des Kerns auch nach dem Abguss fest bleibt, dann ist ein beträchtlicher Aufwand erforderlich, um diese festen Reste zu entfernen. Das erzeugt zusätzliche Herstellungskosten. Eine nicht restlose Entfernung von Form- und Kernmaterialien kann aber auch zu Störungen bei der späteren Anwendung des Gussteils und zum Schadensfall führen. So können z. B. Reste von Wassermantel-Sandkernen von Motorgehäusen zu Störungen des Kühlkreislaufs im späteren Motoren-Betrieb führen.
In der technischen Praxis muss dementsprechend immer ein Kompromiss gefunden werden zwischen der Festigkeit der Form bzw. des Kerns und ihrer Entformbarkeit. Dies führt insbesondere, aber nicht ausschließlich bei Kernen zu Einschränkungen bei der Darstellung sehr filigraner Geometrien. Derartig dünnwandige Kern- und Formgeometrien sind auf der einen Seite auf eine besonders hohe Strukturfestigkeit angewiesen, um den mechanischen Belastungen während des Gießens (Auftrieb, kinetische Wirkung der fließenden Vergussmaterialschmelze, z. B. Metallschmelze) zu widerstehen. Auf der anderen Seite können gerade bei sehr dünnwandigen filigranen Kernstrukturen, welche tief im Bauteil liegen, die Entformung und die Kontrolle der Entformung sehr schwierig sein. So müssen häufig dünnwandige Kühlkanäle, welche in Gussteilen durch Kerne dargestellt wurden, nach der Entformung sehr aufwendig durch endoskopische Verfahren oder andere Tests (z. B. Körper, welche durch die Kanäle geschoben werden) überprüft werden, was mit einem sehr großen und nicht immer automatisierbaren Aufwand verbunden ist. Bei Bauteilen mit komplexeren, großflächigen mittels Kernen gefertigten Hohlraumstrukturen können die Schwierigkeiten bei der Entfernung des Form- und Kernmaterials nach dem Guss sogar dazu führen, dass derartige Gussteile nicht prozesssicher gefertigt werden können. Ein Beispiel hierfür sind Wärmetauscherbauteile mit inneren schwammähnlichen Strukturen.
Ein anderer Anwendungsbereich, in dem es Probleme mit dem Zerfall der Kerne gibt, sind sehr dickwandige Kerne, bei welchen die Wärme des abkühlenden Vergussmaterials nicht ausreicht, um den Kern durchzuwärmen und so die Binder-Festigkeit im gesamten Kernvolumen zu schwächen.
Die Probleme der Abstimmung von Form- bzw. Kernmaterialfestigkeit und Ausformungsverhalten sind besonders groß für Gussteile aus Leichtmetalllegierungen (Aluminium-, Magnesium-), da hier die thermische Energie der Schmelze geringer ist und somit die thermisch bedingte Schwächung von Bindungsbrücken zwischen den Partikeln des Formmaterials nicht so ausgeprägt ist. Außerdem sind Gussteile aus Leichtmetalllegierungen aufgrund der geringeren Festigkeiten und Härten dieser Legierungen empfindlicher gegenüber Stoßbelastungen, weswegen die Prozesse zur Entfernung von am Gussteil anhaftenden Formmaterialresten nur mit geringeren Kräften und Energien durchgeführt werden können.
Weiterhin führen die oben genannten Schwierigkeiten mit nicht ausreichendem Kernzerfall dazu, dass Binder (z. B. auf Harzbasis) eingesetzt werden, welche zwar ein gutes Zerfallsverhalten zeigen, aber zu deutlichen Emissionen führen, welche z. B. zu Geruchsbelästigungen der Mitarbeiter der Gießereien oder auch der umliegenden Bebauung der Gießereien führt. Dagegen können Binder, welche keine bzw. deutlich weniger Emissionen aufweisen (z. B. Wasserglas basierte Binder), aufgrund ihrer zu hohen Restfestigkeit nach dem Abkühlen und den damit verbundenen Schwierigkeiten beim Entformen häufig nicht eingesetzt werden.
Stand der Technik
Um die Anforderungen an das Form- bzw. Kernmaterial hinsichtlich Festigkeits- und Zerfallseigenschaften für die jeweiligen Gießverfahren zu gewährleisten, werden nach dem Stand der Technik verschiedenste Ansätze zur Modifizierung bzw. Optimierung des Kernverhaltens verfolgt.
Ein Schwerpunkt der Entwicklungen liegt in der Modifizierung der chemischen Zusammensetzung der Formmaterialgrundstoffe, der Binder und der speziellen eigenschaftsverbessernden Zusätze.
Es gibt ein breites Spektrum von Form- und Kernmaterialien mit sehr unterschiedlichen Zusammensetzungen. Als feuerfestes Grundmaterial wird überwiegend Quarzsand verwendet, für besondere Anwendungen kommen Chromit-, Zirkon- und Olivinsande in Anwendung. Daneben werden noch Formstoffe auf Schamotte- sowie Magnesit-, Siliamit-, Korundbasis oder im Feinguss insbesondere keramische Massen etc. benutzt. Die Binder für die Formstoffe sind organischer (Phenol-, Harnstoff-, Furanharze, Äthylsilikat) oder anorganischer (z. B. Wasserglas, Zement, Gips) Natur und werden synthetisch hergestellt oder kommen natürlich (Bentonit, Melasse) vor. Verschiedene Bindungsprinzipien werden angewandt, z. B. Polykondensationsreaktionen, Hydratationen, Fällungsprinzipien oder Sol-Gel-Umwandlungen. Zusätzlich werden häufig bestimmte Zuschlagstoffe zugemischt (z. B. Zucker), welche u. a. das Entformungsverhalten beeinflussen sollen.
Für die gleichzeitige Optimierung der Formstabilität und des Entformungsverhaltens wird beispielsweise die Zusammensetzung der Bindemittel sowie die Art und Zusammensetzung zugegebener Hilfsstoffe geeignet gewählt, wie dies in der DE 3139484 , der DE 2923131 , der DE 68922996T2 oder der US1751482 beschrieben ist.
Die Auflösung der Binderbrücken zwischen den Partikeln muss nicht zwangsläufig thermisch oder mechanisch erfolgen, auch chemische Prozessvarianten sind bekannt. So beschreibt z. B. die WO92/06808 wasserlösliche Kerne auf Basis von Polyphosphaten, die US 1005136 gebranntes Tricalciumsilicat und Binder, bei welchen das Ausformen durch Laugen in 50%er Salpetersäure erfolgt, und die UK 1013938 Kerne auf Basis von 30–70 Gew% Titanoxid, welche sich in Natriumhydroxid auflösen.
Weitere Ansätze zur Verbesserung des Entformungsverhaltens der Kerne liegen in speziellen Kernbeschichtungen, wie in der JP 05212495A beschrieben, in der Verwendung nicht-homogener Kernstrukturen, z. B. von Hohlkernen, wie in der JP 07178509 und der DE 2904415 beschrieben, oder in schichtartig aufgebauten Kernen, wie in der DE 3826413 beschrieben.
Trotz der verschiedenen Fortschritte bei der Optimierung des Form- oder Kernmaterials können mit den Technologien nach dem Stand der Technik verschiedene Kerngeometrien wie z. B. Kühlkanäle in Zylinderköpfen oder in Kolben für Verbrennungsmotoren nur aufwändig entsprechend der technologischen Anforderungen gefertigt werden. Deshalb finden hier häufig Salzkerne Anwendung, bei welchen die Entfernung mit Wasserspülung erfolgt, wie z. B. in der DE 10305612 beschrieben ist. Allerdings treten hier Probleme hinsichtlich der vollständigen Salzentfernung, der notwendigen Prozesszeiten und möglicher Korrosionserscheinungen auf. Insbesondere bei feinen, tiefen und verwinkelten Kernen nimmt die Auflösung des Salzkerns viel Zeit in Anspruch.
Allen diesen Form- bzw. Kernmaterialien und dazugehörigen Verfahren liegt das Prinzip zugrunde, dass kompakte Partikel des feuerfesten Grundmaterials mit Hilfe des Binders miteinander verbunden werden, wobei häufig zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung der Formstabilität erfolgen, insbesondere eine mechanische Verdichtung. Die Entfernung des Kerns bzw. der Form erfolgt anschließend durch die thermische, chemische, mechanische oder kombinierte Zerrüttung der Bindungen zwischen den Partikeln oder durch die chemische Auflösung des Form- bzw. Kern-Grundmaterials.
Die eingesetzten Kerne sind nicht notwendigerweise vollständig kompakt. Es können verfahrensbedingt oder gezielt verschiedene Porositäten im Kern- oder Formmaterial eingestellt werden. So zeigen gebrannte Keramikkerne für den Feinguss in der Regel verfahrensbedingt Porositäten. Des Weiteren können verschiedene Zuschlagstoffe gewisse Porositäten enthalten. So ist z. B. die Verwendung von porösen Recycling-Zuschlagstoffen (Flugasche) bekannt. Zielsetzung ist dabei u. a. die Verringerung der Wärmeabfuhr sowie die Herstellung leichterer Formen. Die Dichte der Flugasche ist mit 2,2 g/cm³ recht hoch, die auftretende innere Porosität eher gering.
Eine Einstellung von gezielten Porositäten zur Verbesserung des Ausformungsverhaltens von Formkernen ist z. B. aus der DE 2123632 bekannt, bei der ein Kernmaterial auf Basis von porösem Kohlenstoff eingesetzt wird. Die DE 19939062 A1 beschreibt hochporöse Aerogelkerne mit leichter Entformbarkeit, welche jedoch mit ca. 24 h sehr lange aushärten müssen. Diesen Ansätzen ist jedoch gemein, dass die Kerne eine gegenüber dem kompakten Kernmaterial deutlich verringerte Druckfestigkeit aufweisen und vergleichsweise aufwendig zu fertigen sind, insbesondere lange Fertigungszeiten bedingen. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren ist, dass aufgrund der einzustellenden Porositäten die Verfahrensweise (z. B. Aufschäumen des Materials) deutlich von der Vorgehensweise abweicht, wie sie im Gießereibetrieb üblich ist, bei dem das Grund- bzw. Füllmaterial in der Regel lediglich mit Binder vermischt, in eine Form gegeben und ausgehärtet wird.
Die DE 29 04 415 A1 offenbart ein Verfahren zum Gießen langer, hohler Eisenkörper. Hierzu wird ein hohler zylindrischer Kern aus Kohlenstoff eingesetzt, der aus dem Inneren des Gussstückes nach der Verfestigung mittels eines Vibrations-Schlagverfahrens oder durch eine drehende Schleifvorrichtung entnommen wird.
Aus der DE 767 075 C ist ein Verfahren zum Herstellen von Hohlkernen für den Metallguss bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Kern aus einem Schlicker hergestellt, der bei Temperaturen höher schmelzender Metalle sintert und bei fortschreitendem Schwinden des Metalls zertrümmert wird.
Die DE 1 758 532 A befasst sich mit Keramikhohlkernen, die eine bestimmte Druckfestigkeit und Oberflächenporosität aufweisen. Die Kerne werden nach dem Vergießen nicht entfernt. Vielmehr dient die dort offenbarte Ausgestaltung der Kerne der Herstellung eines Metall-Keramik-Verbundhohlkörpers. Die Oberflächenporosität des Keramikkerns dient zur Erleichterung der Bildung mechanischer Bindungen zwischen dem Keramikkern und dem gegossenen Metall beim Aufgießen des Metalls und Abkühlen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bildung und zum Entformen einer Form und/oder eines Kerns bei der Herstellung eines Gussteils mittels Formguss anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und die Herstellung und Anwendung sowohl sehr formstabiler und filigraner als auch großvolumiger Form- und Kernstrukturen ermöglicht, die leicht entformbar sind.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die Form und/oder der Kern aus einer Masse hergestellt, die Hohlkörper-Partikel enthält. Bei diesen Hohlkörper-Partikeln, im Folgenden nur als Hohlkörper bezeichnet, handelt es sich vorzugsweise um Hohlkugeln mit Durchmessern von < 1 mm. So kann die Masse bspw. aus einem hochfesten syntaktischen Schaum gebildet sein, in dem die Hohlkörper die hohlen Platzhalter darstellen. Die Hohlkörper sollten eine ausreichend hohe Druckfestigkeit von vorzugsweise > 20 MPa, besonders bevorzugt > 40 MPa, aufweisen. Die Form und/oder der Kern wird nach dem Vergießen und Verfestigen eines Vergussmaterials zur Bildung des Gussteils einem Druck ausgesetzt, der zur Zerstörung mindestens eines Teils der Hohlkörper in der Form und/oder dem Kern führt, wodurch die Form und/oder der Kern kollabiert, d. h. eine deutliche Volumenreduktion erfährt. Danach werden die Reste der Form und/oder des Kerns vom Gussteil entfernt.
Die Entformung des Kern- bzw. Formmaterials erfolgt daher im Wesentlichen nicht durch eine Zerrüttung oder durch ein Aufbrechen von Binderbrücken, sondern durch einen gezielt eingestellten Kollaps des die Hohlkörper enthaltenden Form- bzw. Kernmaterials. Vorzugsweise sollte hierbei ein Anteil von ≥ 20% der Hohlkörper im Form – bzw. Kernmaterial zerstört werden.
Dieser Ansatz weist gegenüber den bisherigen Verfahren des Standes der Technik verschiedene Vorteile auf. So lassen sich die Hohlkörper sehr gut in Flüssigkeiten suspendieren und die Suspensionen in Formen geben, in denen sie aushärten können. Die Herstellung komplexer Form – oder Kerngeometrien ist somit einfach möglich. Sie kann in Anlehnung an Kern- bzw. Formherstellungsverfahren erfolgen, die in den Gießereien üblich sind. Die geringen Abmessungen der Hohlkörper von vorzugsweise < 1 mm erlauben weiterhin eine gute Abformungsgenauigkeit und hohe Oberflächengüte der Kerne bzw. Formen. Darüber hinaus führt eine hohe Eigenfestigkeit der Hohlkörper zu einer deutlich erhöhten Gesamtfestigkeit des Form- bzw. Kernmaterials im Vergleich zu anderen porösen Kernwerkstoffen. Da für viele der kommerziell erhältlichen Hohlkörper die isostatische Druckfestigkeit bekannt ist, kann abgeschätzt werden, bei welchen mechanischen Belastungen der Kern bzw. die Form kollabiert.
Der Kollaps des Kerns bzw. der Form ist mit einer deutlichen Volumenreduzierung verbunden. Die Entfernung der Form- bzw. Kernreste ist somit deutlich einfacher möglich, auch durch sehr kleine Öffnungen zur Gussteiloberfläche, als bei konventionellen Form- bzw. Kernmaterialien mit kompakten partikulären Füllstoffen. So lassen sich die Reste des Form- bzw. Kernmaterials bspw. über eine einfache Wasserspülung vom bzw. aus dem Gussteil entfernen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden als Hohlkörper keramische Mikrohohlkugeln oder Glas-Mikrohohlkugeln eingesetzt. Derartige Hohlkugeln sind in unterschiedlichen bekannten Druckfestigkeiten erhältlich und erlauben eine gezielte Zerstörung bei Einwirkung eines geeignet hohen Druckes.
Die Druckfestigkeiten der eingesetzten Hohlkörper werden beim vorliegenden Verfahren selbstverständlich so gewählt, dass diese dem bei dem Vergießen des Gussteils auftretenden Druck standhalten. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Druckfestigkeit der Hohlkörper und das eingesetzte Bindemittel so aufeinander abgestimmt sind, dass bei der späteren Zerstörung der Hohlkörper auch eine Kraftwirkung, insbesondere lokale Biegungs- und/oder Zugkräfte, auf die Binderstruktur ausgeübt werden, so dass gleichzeitig auch noch eine Schädigung der Binderbrücken auftritt. Damit kollabiert die Gesamtstruktur und der Kern kann sehr einfach aus dem Gussteil entfernt werden.
Die Masse zur Herstellung der Form bzw. des Kerns kann neben den Hohlkörpern selbstverständlich auch massive Partikel oder andere Materialien enthalten. Vorzugsweise liegt der Anteil der Hohlkörper an der Masse im Bereich zwischen 50 und 95 Vol%, besonders bevorzugt zwischen 60 und 85 Vol%.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit die Form bzw. der Kern maßgeblich nicht aus massiven Partikeln sondern aus Partikeln geformt, die Hohlkörper sind. Der Form- bzw. Kernzerfall ergibt sich im Wesentlichen nicht durch eine Löslichkeit der Partikel gegenüber bestimmten chemischen Reagenzien oder durch die Reaktion der Bindungsbrücken auf thermische, mechanische oder chemische äußere Einwirkungen. Der Stabilitätsverlust des Kerns wird also nicht durch den Stabilitätsverlust der Bindung zwischen den Partikeln oder durch das Auflösen massiver Partikel erreicht, sondern durch den gezielten, mechanisch nach dem Gießprozess hervorgerufenen irreversiblen Kollaps der Partikel aufgrund ihrer inneren Porosität, d. h. durch die Zerstörung zumindest eines Teils der Hohlkörper.
Die Porosität der Form bzw. des Kerns wird derart gewählt, dass die einzelnen Hohlkörper immer noch eine ausreichende Beständigkeit gegenüber den mechanischen und thermischen Belastungen während des Gießprozesses aufweisen. Andererseits muss die Druckfestigkeit der Hohlkörper so eingestellt sein, dass sie durch eine gezielte Druckbelastung, die auch durch rein mechanische Einwirkung erfolgen kann, kollabieren und weniger Volumen einnehmen als vor dem Kollaps. Da es somit möglich ist, die Partikel selbst gezielt kollabieren zu lassen, muss die Bindung zwischen den Partikeln nicht mehr so eingestellt werden, dass sie durch die Wirkungen während des Gießens oder andere Maßnahmen nach dem Gießprozess an Stabilität verliert. Es kann daher eine Bindungsform für die Partikel gewählt werden, die eine maximale Stabilität der Form bzw. des Kerns und eine hohe Abriebfestigkeit gewährleistet.
Die Zusammensetzung der Masse für die Herstellung der Form bzw. des Kerns aus einem Grundstoff, der die Hohlkörper umfasst, und einem Binder schließt nicht aus, dass im Form-/Kernmaterial auch andere Porositäten auftreten können, bspw. Porositäten zwischen den Partikeln des Grundstoffs. Derartige Porositäten können bedingt durch den Herstellungsprozess der Form bzw. des Kerns bedingt sein, können aber auch gezielt durch weitere Maßnahmen oder Stoffe eingestellt werden, bspw. zur Gewährleistung einer optimalen Gasdurchlässigkeit.
Die Zerstörung zumindest eines Teils der Hohlkörper nach der Verfestigung des Gussteils kann durch unterschiedliche Maßnahmen erfolgen, bei denen ein ausreichender Druck auf die Hohlkörper im Form- bzw. Kernmaterial ausgeübt wird. In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt der Kollaps der Form bzw. des Kerns gezielt durch einen isostatischen Flüssigkeitsdruck, der bspw. in einer Kaltisostat-Presse erzeugt wird. Auch durch eine geeignete Flüssigkeitsspülung, bspw. eine Wasserspülung, kann bei ausreichenden durch die Spülung ausgeübten Druckkräften bereits ein Kollaps des Kern- bzw. Formmaterials erreicht werden. Auch eine dynamische Druckbeaufschlagung ist zur Entformung der Form bzw. des Kerns möglich, bspw. durch eine Stoßwellentechnik.
In einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird bei der Herstellung in der Form bzw. im Kern ein Verstärkungselement verankert, das zum einen – gerade bei Formbereichen oder Kernen mit dünnem Querschnitt – der Stabilität dienen soll und zum anderen so geformt ist, dass es bei der späteren Entformung des Kerns bzw. der Form unterstützend wirken kann. Dieses Verstärkungselement wird so in die Form bzw. den Kern integriert bzw. darin verankert, dass es nach dem Verfestigen des Gussteils von außen zugänglich ist und aus der Form bzw. dem Kern gezogen werden kann. Durch die daraus resultierende lokale mechanische Belastung der Form bzw. des Kerns wird ein Teil der Hohlkörper durch den mechanischen Druck zerstört, so dass die Form bzw. der Kern bereits durch diese Maßnahme ausreichend kollabiert und vom Gussteil, bspw. durch eine Spülung, entfernt werden kann.
Die Spülung zur Entfernung von Resten der Form bzw. des Kerns erfolgt vorzugsweise mit Mitteln, welche zusätzlich abrasiv wirkende Zusätze enthalten (Suspensionen), oder durch Spülen mit erhöhtem Flüssigkeitsdruck und/oder erhöhter Flussgeschwindigkeit. Mit diesen Maßnahmen kann die Effektivität der der Entformung erhöht werden.
Der wesentliche Aspekt des Zerfalls der Form bzw. des Kerns bei dem vorgeschlagenen Verfahren besteht im gezielt eingestellten Kollaps des Form- bzw. Kernmaterials. Dennoch kann nach dem Kollaps unterstützend noch eine zusätzliche thermische oder chemische Einwirkung auf das Grundmaterial selbst oder auf die Binderbrücken vorgesehen sein. Hier bietet sich der Vorteil, dass durch den vorher bewirkten Kollaps der Hohlkörper eine offene Porosität des Materials erreicht wird, welche sich durch alle Bereiche der Form bzw. des Kerns zieht. Somit kann bspw. Wasser sofort in alle Bereiche der Form bzw. des Kerns eindringen und ein gutes Form- bzw. Kernauflösungsverhalten bei wasserlöslichen Form- oder Kernmaterialien auch in schwer zugänglichen Formbereichen oder Kernbereichen sichern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Zusammensetzung des Form- bzw. Kernmaterials gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren; und
2 in schematischer Darstellung ein Beispiel eines gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren ausgebildeten Kerns mit innen liegendem Verdrahtungselement.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst eine kollabierbare Form bzw. ein kollabierbarer Kern hergestellt. Hierzu wird das poröse Grundmaterial, das die Hohlkörper und ggf. andere Materialien enthält, mit Binder vermischt. Aufgrund des später angewandten Aus- bzw. Entformverfahrens können hier sehr stabile Bindersorten eingesetzt werden. Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, die Druckfestigkeiten von Binder und gewählten Hohlkörpern so abzustimmen, dass beim gezielten Kollaps der Hohlkörper auch Kräfte auf die Reststruktur der Form bzw. des Kerns erzeugt werden. Günstig sind hierbei etwas festere Hohlkörper, die vor oder im Läufe ihrer Zerstörung noch Druck-, Zug- und/oder Biegekräfte auf die Binderstruktur ausüben, so dass diese bei der Zerstörung der Hohlkörper auch geschädigt wird.
Nach der Herstellung der Masse für die Form bzw. den Kern erfolgt die Formgebung der Form bzw. des Kerns. Dies kann manuell, durch Kernschießverfahren oder durch andere aus der Gießereitechnik bekannte Verfahren erfolgen. Anschließend wird die Form bzw. der Kern ausgehärtet. Die Form oder der Kern kann evtl. zusätzlich mit Schlichten überzogen werden, um eine Infiltration an den Randschichten zu vermeiden. Auch eine Trocknung der Form oder des Kerns kann erforderlich sein.
1 zeigt in schematischer Darstellung zwei Abbildungen, die den Aufbau des Kern- bzw. Formmaterials aus einem syntaktischen Schaum beim vorliegenden Verfahren zeigen. In der linken Abbildung sind hierbei die durch den Binder 2 verbundenen Hohlkugeln 1 in einer größeren Skala zu erkennen. Die rechte Figur zeigt eine verkleinerte Darstellung, in der eine größere Anzahl derartiger Hohlkugeln 1 zu erkennen ist, die durch den Binder 2 verbunden sind. Auf diese Weise wird ein Form- bzw. Kernmaterial mit porösem Füllstoff hoher Eigenfestigkeit erhalten.
Nach der Bildung der Form bzw. des Kerns erfolgt das Vergießen des Vergussmaterials zur Herstellung des gewünschten Gussteils. Nach der Verfestigung des Gussteils erfolgt die für das vorgeschlagene Verfahren charakteristische Drucknachbehandlung. Hierbei wird das poröse Grundmaterial, in dem die Hohlkörper eine abgestimmte Druckfestigkeit haben, gezielt zum Kollabieren gebracht. Die Strukturfestigkeit des Kerns bzw. der Form wird dabei deutlich gesenkt. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass dieser Kollaps mit einer deutlichen Volumenreduzierung des Form- bzw. Kernmaterials einhergeht. Diese Volumenreduzierung kann ca. 50% betragen und ist abhängig von der Art der eingesetzten Hohlkörper. Die Druckbehandlung kann statisch, bspw. mit Hilfe einer Kaltisostat-Presse, oder dynamisch erfolgen, bspw. durch Impuls-Stoßwellen.
Im Anschluss an den Kollaps des Form- bzw. Kernmaterials können die verbliebenen Reste sehr, einfach durch eine Spülung des Gussteils und der darin gebildeten Hohlräume entfernt werden. Hierbei kann auch eine eventuell noch verbliebene Reststruktur des Kerns bzw. der Form durch zusätzliche mechanische Einwirkung, bspw. Vibrationen usw., durch zusätzliche thermische Einwirkung, bspw. eine nachträgliche nochmalige Erwärmung, oder evtl. durch zusätzliche chemische Einwirkung, bspw. Ausspülen mit Wasser, aufgelöst werden. Aufgrund der deutlichen Volumenreduzierung des Form- bzw. Kernmaterials aufgrund des Kollapses können Wirkmedien wie Wasser besser an einer Reststruktur angreifen. Kernreststücke können sich aufgrund des reduzierten Volumens nicht so leicht verklemmen, bspw. in kleinen Kanälen des Gussteils. Insgesamt ermöglicht der Kollaps des Kern- bzw. Formmaterials ein erleichtertes Entformen bzw. Ausformen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht somit eine einfache Formgebung der Form bzw. des Kerns verbunden mit einer sehr hohen Stabilität und einer sehr leichten Entformbarkeit.
In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen werden unterschiedliche Zusammensetzungen des Form- bzw. Kernmaterials angeführt, die jedoch selbstverständlich nur beispielhaft anzusehen sind und den Schutzbereich der Patentansprüche nicht einschränken. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Herstellung von Kernen für den Formguss, lassen sich jedoch selbstverständlich auch auf die Herstellung von Formen übertragen. Für die Herstellung der Kerne wurden als Hohlkörper Glashohlkugeln der Firma 3M mit unterschiedlicher Dichte und Druckfestigkeit verwendet und mit unterschiedlichen Bindersystemen (Phosphatbindung und Wasserglasbindung) hergestellt. Verwendet wurden die Glashohlkugel-Typen S22 (Dichte 0,22 g/cm³, isostatische Druckfestigkeit 28·10⁵ Pa (28 bar)) und S60 HS (Dichte 0,60 g/cm³, isostatische Druckfestigkeit 1240·10⁵ Pa (1240 bar)).
Nach der Kernherstellung und der Aushärtung der Kerne an Atmosphäre wurden diese bei 100°C für mindestens 1 Stunde in einem Ofen getrocknet, um ein Ausgasen während des Eingusses zu verhindern. Die Kerne wurden anschließend in der Gießkammer einer Kaltkammer-Druckgussmaschine mit einem Kolbendruck von 200·10⁵ Pa (200 bar) eingegossen. Verwendet wurde eine Aluminiumlegierung (AlSi9). Im Weiteren wurden die Gussteile mittels Röntgenstrahlung durchleuchtet, um die Kernstabilität zu kontrollieren. Durch zwei kleine Bohrungen (Durchmesser 5 mm) im Gussteil wurde die Kernmasse mittels Überdruck in einer Kaltisostat-Presse zerstört und durch die mechanische Wirkung eines Wasserstrahls aus dem Gussteil entfernt. Letztlich wurden die Gussteile aufgetrennt, um das Entformungsverhalten zu analysieren.
In den ersten zwei Beispielen wurden zum Binden des Grundmaterials, d. h. der Glashohlkugeln, Phosphat, Magnesiumoxid und weitere Zusatzstoffe (Stellmittel) verwendet. Magnesiumoxid und Phosphat reagieren unter Wasserabgabe in einer exogenen Reaktion zu Ammoniumdihydrogenphosphat. Zum Anmischen der Kernmasse wurde Wasser oder ein wässriges Kieselsol verwendet. Die Kieselsäure dient als Lösungsmittel und Reaktionspartner.
Die Komponenten Glashohlkugeln, Ammoniumphosphat, Magnesiumoxid und Stellmittel wurden in einem speziellen Mischer vermengt und anschließend in verschiedenen Anmischverhältnissen mit der Kieselsäurelösung zu einer flüssigen bis zäh fließenden Masse verrührt. Die Masse wurde in eine Kernform gegossen und an Atmosphäre ausgehärtet. Im Folgenden sind zwei Mischungsbeispiele aufgeführt. Die Prozentangaben stellen jeweils den Masseanteil an der Gesamtmasse dar.
Mischung 1:

• Glashohlkugeln S22 52,1%
• Ammoniumphosphat 26,0%
• Magnesiumoxid 20,0%
• Stellmittel 1,8%
• 25 g Pulver/40 ml Kieselsäure-Lösung (Konzentration 100%)

Mischung 2:

• Glashohlkugeln S22 92,8%
• Ammoniumphosphat 3,9%
• Magnesiumoxid 2,5%
• Stellmittel 0,7%
• 25 g Pulver/40 ml Kieselsäure-Lösung (Konzentration 100%)

Die hergestellten Kerne wurden unter Einwirkung eines isostatischen Drucks von 3000·10⁵ Pa (3000 bar) für ca. 20 s mit einer Isostat-Presse beaufschlagt. Dabei wurde der Kern vollständig zerstört. Um zu überprüfen, dass es sich bei der Kernzerstörung nicht um ein Auflösen des Bindersystems sondern um ein Kollabieren der Glashohlkugeln handelt, wurde das Auftriebverhalten von Kernresten in Wasser nach und vor der Belastung mit isostatischem Druck betrachtet. Der Kernrest nach der isostatischen Belastung sinkt dabei ab, das Bruchstück eines Kerns ohne derartige Belastung schwimmt auf dem Wasser auf. Auch REM-Aufnahmen des Kernmaterials vor und nach der isostatischen Druckbelastung zeigen deutlich, dass die Druckbelastung zu einer Zerstörung eines Teils der Glashohlkugeln im Kernmaterial führt.
Weiterhin konnten Kernzerstörungen bis hin zur vollständigen Verflüssigung des Kernmaterials durch die Einwirkung von Wasserdruck erreicht werden. Als Vergleich wurde hierzu ein Kern aus Glasvollkugeln unter gleichen Bedingungen getestet. Der Glashohlkugelkern wurde wie erwartet vollständig zerstört. Der Glasvollkugelkern hingegen konnte der gleichen Belastung standhalten und wurde in der Formstabilität nicht beeinträchtigt.
In einem weiteren Beispiel wurden die Kerne mit einem keramischen Schlicker beschichtet, um die Formstabilität beim Einguss zu erhöhen und eine Infiltration an den Randschichten zu verringern oder zu vermeiden. Hierbei konnten stabile Kerne geschaffen werden, die der mechanischen Belastung beim Gießen mit Druckunterstützung gut standhalten konnten. Die Kernentformung konnte auch hier mittels Kaltisostat-Presse erfolgen. Die Einwirkung über den Wasserdruck auf den Kern erfolgte hierbei nur durch zwei kleine Bohrungen (Durchmesser 2,5 mm) am Gussteil. Anschließend konnte das Kernmaterial mit Hilfe eines einfachen Wasserstrahls ausgespült werden.
Desweiteren wurden Kerne mit einem auf Wasserglas basierenden Binder hergestellt. Der Wasserglasanteil schwankt je nach Mischungsverhältnis stark. Die Kernmasse wurde an Atmosphäre für mehrere Tage ausgehärtet und vor dem Einguss in einem Ofen bei 100°C für mindestens eine Stunde getrocknet. Das Mischungsverhältnis für die Masse des Kerns betrug in diesem Beispiel (Mischung 3):
Mischung 3:

• Wasser 15 g
• S60HS 45 g
• Wasserglas 5 g

Folgende weitere beispielhafte Zusammensetzungen wurden eingesetzt:
Mischung 4:
Gipsbinder, hoher Binderanteil ca. 30–40 Vol%

• Gips 65 g
• S60HS 51,3 g
• H₂O 76,6 g

Mischung 5:
Gipskerne, geringer Binderanteil ca. 15–20 Vol%

• Gips 35,2 g
• S60HS 54,9 g
• H₂O 72,4 g

Mischung 6:
Dental-Einbettmassebinder Wirofine, hoher Binderanteil ca. 30–40 Vol%

• Wirofine 101,9 g
• S60HS 80,1 g
• Kieselsäurelösung 107,6 g

Mischung 7:
Dental-Einbettmassebinder Wirofine, geringer Binderanteil ca. 15–20 Vol%

• Wirofine 54,0 g
• S60HS 82,9 g
• Kieselsäurelösung 1 04,5 g

Mischung 8:
Dental-Einbettmassebinder Wirovest, hoher Binderanteil ca. 30–40 Vol%

• Wirovest 61,7 g
• S60HS 69,4 g
• Kieselsäurelösung 91,01 g

Mischung 9:
Dental-Einbettmassebinder Wirovest, geringer Binderanteil ca. 15–20 Vol%

• Wirovest 38,2 g
• S60HS 81,8 g
• Kieselsäurelösung 104,9 g

2 zeigt schließlich noch ein Beispiel, bei dem das Kernmaterial mit einem innen liegenden Verstärkungselement kombiniert wird. Dieses Verstärkungselement dient bei Kernen mit dünnem Querschnitt der Kernstabilität und ist so geformt bzw. verankert, dass es bei der späteren Entformung des Kerns unterstützend wirken kann. Der dünne Kern 3 mit den Glashohlkugeln hat in dem Beispiel der 2 das innen liegende drahtartige Verstärkungselement 4. Durch dessen sägezahnartige Ausformung wirkt dieses bei Zugbeanspruchung auf die umliegenden Hohlkugeln und führt zu deren Kollaps. Aufgrund der damit verbundenen Volumenabnahme des Kernmaterials in der Nähe der Drahtverstärkung lässt sich diese einfach aus dem Kern ziehen. Der zurückbleibende Kernrest ist bereits in seiner strukturellen Stabilität geschädigt und kann dann mit weiteren Maßnahmen, bspw. durch Spülung, einfach entfernt werden. 2 zeigt die Zugrichtung, in der das Verstärkungselement 4 aus dem Kern 3 gezogen wird, mit den entsprechenden Pfeilen. Bezugszeichen 5 zeigt den angrenzenden Abschnitt des hergestellten Gussteils.
Bezugszeichenliste

1: Hohlkugeln
2: Binder
3: Kern
4: Verstärkungselement
5: Gussteil

Claims

Verfahren zur Bildung und zum Entformen einer Form und/oder eines Kerns bei der Herstellung eines Gussteils mittels Formguss, bei dem – die Form und/oder der Kern (3) aus einer Masse hergestellt wird, die Hohlkörper-Partikel (1) enthält, – die Form und/oder der Kern (3) nach einem Vergießen und Verfestigen eines Vergussmaterials zur Herstellung des Gussteils (5) einem Druck ausgesetzt wird, der zur Zerstörung zumindest eines Teils der Hohlkörper-Partikel (1) in der Form und/oder dem Kern (3) führt, wodurch die Form und/oder der Kern (3) kollabiert, und – Reste der Form und/oder des Kerns (3) anschließend vom Gussteil (5) entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hohlkörper-Partikel (1) eine Druckfestigkeit von > 20 MPa aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Hohlkörper-Partikel (1) keramische Mikrohohlkugeln oder Glas-Mikrohohlkugeln eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem bei der Herstellung der Masse ein Anteil der Hohlkörper-Partikel (1) an der Masse von 50–95 Vol% gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Form und/oder der Kern (3) nach dem Vergießen und Verfestigen des Vergussmaterials einem isostatischen Druck ausgesetzt wird, der zur Zerstörung des zumindest einen Teils der Hohlkörper-Partikel (1) führt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der isostatische Druck mit einer Kaltisostat-Presse erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Form und/oder der Kern (3) nach dem Vergießen und Verfestigen des Vergussmaterials einem dynamischen Druck ausgesetzt wird, der zur Zerstörung des zumindest einen Teils der Hohlkörper-Partikel (1) führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Entfernung der Reste durch eine Flüssigkeitsspülung, insbesondere eine Wasserspülung, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem zur Spülung eine Flüssigkeit mit abrasiv wirkenden Zusätzen eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem bei der Herstellung der Form und/oder des Kerns (3) wenigstens ein Verstärkungselement (4) in der Form und/oder dem Kern (3) verankert wird, das nach dem Vergießen und Verfestigen des Vergussmaterials aus der Form und/oder dem Kern (4) gezogen wird und dadurch zur Zerstörung des zumindest einen Teils der Hohlkörper-Partikel (1) führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem nach der Zerstörung des zumindest einen Teils der Hohlkörper-Partikel (1) eine Nachbehandlung der Reste der Form und/oder des Kerns (3) am oder im Gussteil durch thermische, mechanische oder chemische Einwirkung erfolgt.