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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von lokal modifizierten Gussformteilen.
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Moderne Gusskomponenten sind durch zunehmend hohe Komplexitäten und stetig steigende Beanspruchungen gekennzeichnet. Um die gestellten Anforderungen erfüllen zu können, werden während der Fertigung oftmals aufwendige Technologien erforderlich.
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Durch die Erforschung anforderungsgerechter Werkstoffe konnten hierbei z.B. insbesondere in Form sog. Verbundwerkstoffe durch eingebrachte Karbide oder sonstige Modifikatoren besonders hoch beanspruchbare Materialien entwickelt werden. Nachteil dieser Werkstoffe ist jedoch, dass sie häufig nur sehr schwer zu ver- und bearbeiten sind und dass eine Einbindung der zugegebenen Modifikatoren in die Grundgefügematrix außerordentlich kompliziert ist, da die einzubringenden Partikel häufig nur unter Vakuum benetzt werden können. Weiterhin kann zum gegenwärtigen Stand eine homogene Verteilung dieser Modifikatoren nicht prozesssicher gewährleistet werden.
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Bekannt aus
DE 10 2011 012 142 B3 ist eine gießtechnologische Verarbeitung solcher Matrix-Verbundwerkstoffe bzw. Matrix-Composite, die auch durch ein Infiltrieren von vorgefertigten, meist keramischen Pre-Formen durch Druck- oder Pressgießen erzeugbar sind, jedoch sind auch diese Vorgehensweisen allesamt als kompliziert und teuer einzustufen. Darüber werden z.B. in
DE 10 2009 034 969 A1 oder
DE 69223194 T2 Methoden für eine pulvermetallurgische Erzeugung eines Verbundmaterial mit Metallmatrix(MMC) beschrieben, wobei auch diese Verfahren als außerordentlich aufwendig und teuer anzusehen sind.
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Ein weiterer Ansatz zur Funktionserfüllung folgt der Tatsache, dass die an einem Bauteil auftretenden Belastungen nicht homogen, sondern vielmehr lokal differenziert wirken. Fertigungstechnisch sind zur Überwindung dieser Nachteile verschiedene Ansätze bekannt, die den sogenannten heterogenen Werkstoffkonzepten zugeordnet werden. Dabei sollen die differenzierten Beanspruchung bzw. Belastungen, die in einem Bauteil auftreten können, durch einen örtlichen Einsatz der lokal benötigten Werkstoffe aufgenommen werden. Als Beispiele hierfür sind z.B. aus
DE 102008036019 A1 oder
WO 2009/068132 A1 Werkstoffverbundlösungen bekannt, meist realisiert durch ein Ein- bzw. Umgießen geometrisch definierter Verstärkungselemente, welche kraft-, form- oder stoffschlüssig angebunden sein können oder aber thermische Beschichtungen, wie z.B. in
DE 102009024320 B4 erwähnt. Auch diese Lösungen sind geometrieabhängig sehr kompliziert und teuer.
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Sowohl ein Einsatz von Verbundwerkstoffen, als auch eine fertigungstechnische Realisierung von Werkstoffverbundlösungen kann nach bekannten Verfahren nur mit höchsten technologischen und damit einhergehenden ökonomischen Aufwendungen realisiert werden.
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Vor diesem Hintergrund wäre es wünschenswert, ein Verfahren zur Verfügung zu haben, welches die zuvor beschriebenen Nachteile überwindet.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und ein Gußformteil nach Anspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung von lokal modifizierten Gussformteilen (10') in einem Gießverfahren unter Verwendung von expandierbaren Kunststoffen (1), bei dem durch Einbringen von Modifikatoren (2) Verbundwerkstoffe (4) erzeugt werden, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
- - Bereitstellung von zumindest einer Schäumform (3) zur Herstellung eines mit Modifikatoren (2) versetzten Schäumlings (1', 5, 5'),
- - Befüllung der Schäumform (3) mit zumindest einem expandierbaren Kunststoff (1) und Modifikatoren (2),
- - Expandieren des Kunststoffs (1) und positionsgenaue Fixierung der Modifikatoren (2) im Schäumling (1', 5, 5') und
- - Einbringen des Schäumlings (1', 5, 5') in eine Gießform (7),
- - Einbringen eines flüssigen Metalls (14') in die Gießform (7) zur Erzeugung des Gussformteils (10'), wobei der expandierte Kunststoff (1) verdampft und die Modifikatoren (2) von dem flüssigen Metall (14') umschlossen werden und
- - Entformen des erzeugten, vorzugsweise lokal modifizierten Gussformteils (10').
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Unter dem Vergriff Verbundwerkstoffe werden sowohl Compositewerkstoffe als auch Werkstoffverbunde in Form von Compounds verstanden.
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Unter einem Schäumling (1', 5, 5'), werden ein Positiv-Schaummodell (1'), ein Verstärkungsschaumelement (5) und/oder ein Trägerschaum bzw. Schaumstoffeinleger (5') verstanden. Unter einem Trägerschaum oder Schaumstoffeinleger wird ein geometrisch definiertes und mit Modifikatoren versehenes Schaumelement verstanden.
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Unter Modifikatoren werden Partikel, Fasern, Werkstoffzusätze, Legierungselemente oder sogar Verstärkungselemente und/oder Leiterelemente verstanden
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Die Grundidee der Erfindung besteht nun darin, an den hochbelasteten Bauteilbereichen entsprechende Modifikatoren, z.B. Partikel, vorzugsweise Karbide, Fasern, Werkstoffzusätze, Legierungselemente oder sogar Verstärkungselemente und/oder Leiterelemente, die im Folgenden allesamt als „Modifikatoren“ zusammengefasst werden, in einen Schäumling mit einzuschäumen. Die genannten Modifikationen können gefügebeeinflussend sein.
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Der Einsatz dieser Schäumlinge (1', 5, 5') als Trägermedium für Eingußelemente oder Modifikatoren hat sich besonders bei filigranen und schwer zu positionierenden Modifikatoren oder Eingußelementen als vorteilhaft erwiesen.
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Beim Abgießen verdampft der expandierte Kunststoff, vorzugsweise das expandierte Polystyrol, wobei die einzubringenden Modifikatoren von der Schmelze, z.B. einer Aluminiumschmelze, vorzugsweise feinverteilt und positionsgetreu umschlossen werden. Die frei werdenden EPS-Gase wirken als inerte Schutzgase in vorteilhafter Weise auf die Benetzbarkeit der Modifikatoren, bevor sie beispielsweise durch den ungebundenen Quarzsand aus einer Gieß-Form entweichen.
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Die Modifikatoren können in ein expandiertes Schaumstoffelement (5) injiziert werden. Daneben können die Modifikatoren auch direkt in die Form eingebracht bzw. positioniert werden bzw. mittels eines Injektors und/oder Druckluft eingeschossen und somit positioniert werden.
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Schaumstoffe in Form vom Partikeln, z.B. Kugeln oder Schaumstoffperlen (1) können erfindungsgemäß mit Modifikatoren (2) geeignet gemischt werden, und auf diese Weise ein Eintrag dieser mit den zuvor beschriebenen Vorteilen bewirkt werden.
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Durch die beschriebene Erfindung können einzubringenden Modifikatoren jedweder Art beliebig lokal differenziert, jedoch stets gezielt, homogen und reproduzierbar in ein Gussbauteil direkt während des Gießprozesses eingebracht werden.
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Dabei können die entsprechenden Modifikatoren entweder lokal in ein Schaumstoff-Positiv- Modell (1') eingebracht werden, um nach dem Lost-Foam- bzw. einem Vollformgießverfahren verarbeitet zu werden.
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Alternativ können aber auch spezielle, mit den entsprechenden Modifikatoren versetze Schäumlinge (1', 5, 5') in einer Gießform dort positioniert werden, wo die Materialverstärkung gewünscht ist, wodurch sämtliche bekannte, konventionelle Gießverfahren zur Anwendung gebracht werden können.
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Das Resultat dieser sehr wirtschaftlichen Fertigung ist ein durch die Modifikatoren gezielt verstärktes Gussbauteil oder Gussformteil (10'), unabhängig von dessen Komplexität, das die wirkenden Lasten durch den lokal erzeugten Verbundwerkstoff (4) anforderungsgerecht aufzunehmen vermag. Somit ist es durch dieses Herstellungsverfahren möglich, gezielt lokal verstärkte Bauteile gleich welcher Komplexität herzustellen, die in der Lage sind, in den technologisch erforderlichen Bereichen erfindungsgemäß gezielt Gefügeverstärkungen durch Einlagerungen von Modifikatoren und die damit verbundene Erzeugung eines Verbundwerkstoffes vorzunehmen.
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Die Erzeugung des Verbundwerkstoffs (4) oder Teile davon durch Wirken der Modifikatoren kann mittels eines mit Modifikatoren versetzten Schäumlings (1', 5, 5') in Form eines Positivmodells als eine Ausführungsform der Erfindung erfolgen, um den später entstehenden Verbundwerkstoff oder Abschnitte davon zu erzeugen.
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Bei der Befüllung der Schäumform (3) mit dem expandierbaren Kunststoff können z.B. Schaumstoffperlen in unexpandierter oder teilexpandierter Form verwendet werden. Ebenso können Modifikatoren wie Karbide, Werkstoffzusätze, Verstärkungselemente, Fasern und ähnliches zum Einsatz kommen.
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Bei dem Expandieren des Kunststoffs und der positionsgenauen Fixierung der Modifikatoren im Schäumling können die Modifikatoren homogen verteilt oder partiell angeordnet sein, je nach lokal geforderten Kennwerte im Bauteil oder Werkstoff, insbesondere im Hinblick auf dessen Festigkeit. Das Einbringen der Modifikatoren des Schäumlings (1', 5, 5') in eine Gießform (7) kann mit einer Positionierung dieser einhergehen, diese ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Während der expandierte Kunststoff verdampft und die Modifikatoren von dem flüssigen Metall umschlossen werden, können die Modifikatoren (2) gezielt in den Gußwerkstoff (14) eingebracht werden und somit feinverteil in dem zu erzeugenden Verbundwerkstoff (4) vorliegen. Die frei werdenden Gase können als inerte Schutzgase wirken, derart, dass die Benetzbarkeit der Modifikatoren begünstigt wird.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird in einer Ausführungsform ein lokales Werkstoffengineering bzw. eine lokale Bauteilmodifizierung unter Verwendung des sogenannten Vollformprinzips oder Lost-Foam-Prinzips zur Verfügung gestellt.
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Dabei ermöglichen so genannte verlorene (Positiv-) Modelle (1') aus expandierbarem Kunststoff, vorzugsweise Polystyrol (EPS), ein wirtschaftliches, endkonturnahes Gießen. Ebenso können durch ein Verkleben einzelner EPS-Schichten komplexe Schaummodelle und hierüber Gussteile hergestellt werden. Erfindungsgemäß können das (Positiv-) Modelle (1') die Schichten oder Teile (5) davon mit Modifikatoren (2) versetzt sein, um den beabsichtigten Verbundwerkstoff (4) zu erzeugen.
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Erfindungsgemäß gestattet das Verfahren unter Zuhilfenahme der so genannten verlorenen Formen bzw. Schäumlinge (1', 5, 5') die Modifikatoren (2) zielgerichtet in den Gusswerkstoff (14) zu integrieren.
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Lokal differenzierte Gefügebeeinflussungen oder Modifikationen können z.B. durch Verbinden einzelner Teilformen, die auch unterschiedliche Modifikatoren beinhalten können, zum finalen Schäumling (1', 5, 5') zusammengeführt werden, wodurch kostengünstig und einfach partielle Gefügeverstärkungen erzielt werden können.
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In den konstruktiv bzw. technologisch hochbeanspruchenden Bereichen des zu erzeugenden Bauteils können die entsprechenden Modifikatoren somit gezielt und positionsgenau eingebracht werden und auf diese Weise Bauteile mit in verschiedenen Bereichen unterschiedlichen mechanischen und technischen Eigenschaften zielgerichtet erzeugt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann durch Schaumstoffeinleger (5') bzw. des Trägerschaums (5') ein exaktes Positionieren der einzubringenden Modifikatoren in einer Gießform in sämtlichen anderen bekannten Gießverfahren ermöglicht werden.
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Die Herstellung und Befüllung einer Schäumform kann wie folgt ausgeführt werden:
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Je nach Komplexität des zu erzeugenden Gussteils ist eine oder mehrere (Teil-) Form(en) herzustellen, in der/denen ein (Positiv-) Kunststoffmodell bzw. entsprechende Modellteile, i.d.R. Schaumstoffmodelle aus expandierbarem Polystyrol bzw. Styropor oder Polymethylmethacrylat, endkonturnah aufgeschäumt wird/werden. Diese Schäumformen werden je nach zu fertigender Stückzahl meist als metallischen Dauerformen gefertigt. Dies entspricht dem gängigen Ansatz des Lost-Foam-, EPS- oder Vollform-Verfahrens, ein Gießverfahren mit verlorenem geschäumtem Modell.
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Für das Gießen z.B. von Aluminiumwerkstoffen wird als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Modelle meist ein mit dem Treibmittel Pentan (C5H12) versetztes expandierbares Polystyrol (EPS) verwendet. Für die Herstellung von Gusseisen und Stahlbauteilen wird häufig ein Copolymer aus EPS und EPMMA, d.h. ein expandierbares Polymethylmethacrylat eingesetzt. Diese beiden Stoffe liegen in kugeliger Form vor und bestehen zu 6 % aus Polymer und Pentan, die restlichen 94 % bestehen aus Luft.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Modifikatoren (2) lokal verteilt oder gezielt angeordnet zu den Schaumstoffperlen (1) in die Schäumform (3) zugegeben und mit eingeschäumt werden. Dabei können die Modifikatoren lokal gleichmäßig verteilt sein oder gezielt angeordnet bzw. angehäuft zu den vorzugsweise losen Schaumstoffperlen in die Schäumform zugegeben und mit eingeschäumt werden.
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Wie folgt können Schaumstoffe oder Schäumlinge mit Modifikatoren versetzen bzw. verstärkt werden:
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Bei der Füllung der Modellformen bzw. Schäumformen (3) kommt der grundlegende Ansatz der Erfindung zum Tragen. Anstatt die Formen homogen mit den zu expandierenden Schaumstoffpartikel, i.d.R. Kügelchen, zu füllen, werden an den besonders hoch beanspruchten bzw. an den zu verstärkenden Bauteilbereichen zusätzlich entsprechende Modifikatoren zugegeben und lokal mit in das Modell eingeschäumt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Modifikatoren (2) direkt in die aufzuschäumenden Schaumstoffperlen (1) integriert und zu einem Schäumling (1', 5, 5') oder (Positiv-)Schaummodell (1') geschäumt bzw. expandiert werden.
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Eine besonders homogene und spezifische Verteilung der zugegebenen Modifikatoren kann dabei dadurch erreicht werden, indem diese bereits in die noch nicht expandierten Schaumstoffpartikel eingebracht werden
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass vorexpandierte und mit Modifikatoren versetzte Schaumstoffperlen zum Einsatz kommen.
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Denkbar ist aber auch ein Einbringen der Modifikatoren (2) in das fertig geschäumte Schaummodell (1') bzw. Teilen desselben, z.B. durch Infiltrieren oder Einschießen bzw. Einblasen.
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Das Expandieren bzw. Schäumen kann wie folgt durchgeführt werden:
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Nach Schließen der Form werden die, vorzugsweise lokal präparierten bzw. mit den Modifikatoren vermischten Schaumstoffpartikel expandiert und das entsprechende Positivmodell bzw. einzelne, später zu verklebende Schichten oder Elemente desselben erzeugt. In der Regel erfolgt dies unter Temperatureinwirkung im Wasserbad oder durch Wasserdampf (Lost-Foam-Verfahren).
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Zum Beispiel Polystyrol ist hierbei durch die Einlagerung von Pentan als Treibmittel expandierfähig (EPS- Material). Durch die Zufuhr von circa 110 °C heißem Wasserdampf wird das EPS- Material in einer Aufschäumkammer zum Expandieren gebracht. Der dadurch entstehende Überdruck im freien Volumen zwischen den Polystyrolmolekülen und die Erweichung der Polymermatrix aufgrund der weiter steigenden Temperatur bewirken eine Vergrößerung der EPS-Perlen auf das gewünschte Volumen, beispielsweise bis zum circa 30-Fachen des ursprünglichen Volumens.
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Durch dieses Verfahren wird die zur Weiterbearbeitung oder die für das Endmodell benötigte Dichte erreicht.
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Das Einbringen der Werkstoffmodifikatoren bzw. Modifikatoren (2) in die jeweilige Schäumform (3) kann wie folgt durchgeführt werden:
- a) In einer ersten Ausführungsvariante werden die Modifikatoren lose zwischen den Kunststoffperlen (1) bzw. Schaumstoffperlen (1) positioniert oder eingeschüttet und während des Aufschäumens positionsgetreu fixiert.
- b) In einer weiteren Ausführungsform werden die Werkstoff-Modifikatoren, ggf. als EPS- Perlen mit Modifikatoren infiltriert, direkt in die Schäumform und gegebenenfalls lose eingebracht. Sofern lediglich eine lokale Bauteilverstärkung erwünscht ist, geschieht dies in der Art, dass die Modifikatoren sich nur in den gewünschten Bereichen des Schaummodells (1') und somit des späteren Gussbauteils (10') befinden.
- c) Optional ist ein weiterer Zwischenschritt anwendbar, in dem die zuvor lediglich vorgeschäumten EPS-Perlen z.B. mit Druckluft durch einen Injektor in eine Modellform geblasen werden, wo sie zum gewünschten endkonturnahen Positivmodell verschweißt werden. Dies geschieht durch erneutes Bedampfen der Formoberfläche mit ca. 110 °C heißem Wasserdampf, der in den Formhohlraum gelangt oder auf die Form wirkt.
- d.) Durch den erfindungsgemäßen Ansatz, expandierbare Kunststoffe als Trägermedium für die Modifikatoren (2) zu nutzen, ist es möglich, mit oder ohne Vorschäumprozessschritt einzelne, zu verstärkende Bauteilbereich als Verstärkungsschaumelemente bzw. Modellsegmente auszuführen und diese mit dem, die Restgeometrie darstellenden, konventionellen Schaummodell zu verbinden.
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Im Zusammenhang mit der hier beschriebenen Erfindung ist es auf diese Weise ebenfalls möglich, zwei Schaumsubstanzen zu erzeugen und gezielt zum Einsatz zu bringen; die homogene Schaumgrundsubstanz sowie eine Verstärkungsschaummasse, in welcher die Modifikatoren bzw. Verstärkungspartikel im Prozessschritt des Vorschäumens mit eingebracht und entsprechend vorgeschäumt wurden.
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Durch das gezielte Einbringen der gegebenenfalls zuvor vorgeschäumten Verstärkungsschaummasse in die homogene Schaumgrundsubstanz durch einen solchen Zwischenschritt das Schaummodell anforderungsgerecht in der Art aus Grund- und modifiziertem Schaum aufgebaut werden, dass in den später höher belasteten Bauteilbereichen die im Verstärkungsschaum eingebrachten Modifikatoren eine lokale Materialverstärkung im Sinne eines lokalen Werkstoffengineerings bewirken.
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Auch können aus diesen unterschiedlichen Schaumsubstanzen entsprechende Teilbereiche des finalen Schaummodells (1') fertiggeschäumt und anschließend gefügt werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Modifikatoren (2) mit den Schaumstoffperlen (1) zu separaten Verstärkungsschaumstoffelementen (5) geschäumt und an diskreten Bereichen des (zu erzeugenden) Gussformteils (10') mit der Restgeometrie des (finalen) Schaummodells (1') gefügt werden z.B. durch Verkleben.
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Als diskrete Bereiche werden die besonders beanspruchten Bereiche eines Gußbauteils (10) verstanden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gussformteil (1') durch ein Ausformen bzw. Ausgießen des mit Modifikatoren versetzten Schäumlings (1', 5, 5') nach einem Vollformgießverfahren erfolgt. Hierdurch wird beispielsweise eine lokale Werkstoffoptimierung erreicht.
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Das Fügen und Montieren der Modellsegmente:
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Nach dem Schäumen und Trocknen der einzelnen Modellsegmente können diese nun zur geplanten komplexen Modellform zusammengesetzt werden. Gemäß Verfahrensschritt d) können auf diese Weise einzelne Modellsegmente, in denen die gewünschten Modifikatoren mit eingeschäumt sind, mit dem restlichen Schaummodell verbunden und so lokale Bauteilverstärkungen auf einfache Art erzeugt werden. Dieses Fügen geschieht in der Regel serienmäßig mit Klebemaschinen zur Verarbeitung von Heißkleber, welche zusätzlich die Fixierung der Modellteile übernehmen. Das Fügen kann auch mittels beliebiger Fügeverfahren erfolgen.
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Um den Gesamtprozess effizienter zu gestalten, werden vorteilhafterweise Endmodelle mit einem Einguss-/ Angusssystem verbunden, wodurch eine sogenannte Modelltraube entsteht. An dieser Modelltraube können unterschiedlich viele Modelle angebracht werden.
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Je nach eingesetztem Werkstoff und gewünschter Gussqualität kann ein zusätzlicher Schlichteauftrag erforderlich werden. Hierzu werden die fertigen Modelltrauben oftmals mit einer wasserbasierten, keramischen und gasdurchlässigen Schlichte überzogen. Der Sinn dieses Vorganges liegt darin, die liquiden und gasförmigen Bestandteile abzuleiten und somit die Formfüllung gezielt zu steuern. Außerdem bildet die Schlichte eine feuerfeste Barriere. Die Modelltrauben werden anschließend getrocknet, um die Restfeuchtigkeit und somit die Gefahr von Porosität im Gussteil zu reduzieren. Dies geschieht in der Regel in einem 50 °C warmen Ofen, wobei auch Mikrowellentrocknung möglich ist.
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Als nachfolgender Verfahrensschritt kann ein Einformen ausgeführt werden. Beim Einformen wird die nun getrocknete Modelltraube in einen Gießbehälter eingesetzt und sequenziell mit einem Formstoff berieselt. In der Regel wird Quarzsand als Formstoff verwendet, aber es kann auch Mullit zum Einsatz kommen.
Um das Modell oder die Modelle detailgetreu auszuformen, wird die Modelltraube Vibrationen ausgesetzt, wodurch der Formstoff in alle Hohlräume fließen kann.
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Der Verfahrensschritt Gießen kann wie folgt ausgeführt werden:
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Durch einen Gießlauf und ein Anschnittsystem wird die Metallschmelze in das Schaumstoffmodell geleitet, wo die thermische Energie die Modelltraube zersetzt bzw. verdampft. Die Schmelze füllt nun den freigewordenen Hohlraum vollständig aus, wodurch nach dem Erstarren des Metalls die exakte endkonturnahe Teilekontur gebildet wird.
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Erfindungsgemäß werden dabei die zuvor eingebrachten Modifikatoren von der Schmelze umschlossen.
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung können die beim Verdampfen des Kunststoffmodells freiwerdenden Gase als inerte Schutzgase wirken, bevor sie durch den ungebundenen Formstoff bzw. den gasdurchlässigen Schlichteüberzug aus der Form entweichen. Eine solche inerte Schutzgasatmosphäre kann sich in vorteilhafter Weise auf die Benetzbarkeit der eingebrachten Modifikatoren auswirken und so zu einer guten Einbettung der werkstoffverstärkenden Modifikatoren beitragen.
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Oftmals erfolgt das Gießen der EPS-Modelltrauben auch unter einer Vakuumumgebung, um die entstehenden Gase aus der Form zu ziehen. In einem solchen Anwendungsfall ist eine besonders gute Benetzung und Einbettung der Modifikatoren zu erwarten.
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Aus z.B.
WO 2013/186124 A1 sind zudem Ansätze zu einer aktiven Kühlung des erstarrenden Metalls während des Lost Foam Gießverfahrens bekannt. Derartige Ansätze können die finalen Festigkeitseigenschaften eines durch die lokal eingebrachten Modifikatoren verstärken Bauteils sogar noch weiter verbessern, wirken sich jedoch nicht nachteilig aus bzw. stehen diesen nicht entgegen.
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Ein weiterer Verfahrensschritt ist das Entleeren des Gießbehälters bzw. der Gießform (7), der wie folgt ablaufen kann:
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Das Entleeren erfolgt beispielsweise durch ein Kippen des Gießbehälters (7), wobei der Formstoff, vzw. Quarzsand aus den Hohlräumen bzw. der Kavität (15) fließen kann. Der Quarzsand kann anschließend wieder in ein Sandrückführsystem geleitet werden. Die Entfernung möglicher Rückstände der Schlichte, aber auch eine Einflussnahme auf die mechanischen Werte kann durch ein Wasserbad bei 30-40 °C bewerkstelligt werden.
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Im Ergebnis einer fertigungstechnischen Anwendung dieser Erfindung können selbst komplexeste Gussteile mit anforderungsgerechten, lokal differenzierten Werkstoffeigenschaften in wirtschaftlich vorteilhafter Weise hergestellt werden, wie auch in 8 gezeigt.
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Erfindungsgemäß kann mittels dieses Verfahrens das Gussformteil (10') auch mittels Einlegen des mit Modifikatoren (2) versetzten Schäumlings (1', 5, 5') in eine Kavität (15) und Befüllen der Kavität (15) mit flüssigem Metall (14') erzeugt werden. Auch diese Vorgehensweise führt zu einer lokalen Werkstoffoptimierung, wie auch in 6 gezeigt.
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Darüber hinaus ist die Erfindung auch unter Verwendung anderer Gießverfahren denkbar. In diesem Sinne könnten die mit den gewünschten Modifikatoren versetzten Schäumlinge auch als Einleger in konventionellen Gießverfahren zum Einsatz kommen, wie auch in 5 gezeigt.
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Auf diese Art und Weise können einzelne zu verstärkende Bauteilbereiche ebenfalls gezielt mit Hilfe der eingebrachten Modifikatoren optimiert werden. Ggf. wären in einem solchen Anwendungsfall zusätzliche Entgasungslösungen oder gezielte Absaugungen erforderlich, um ein Gasen in das Bauteil und somit die Gefahr von Porositäten zu reduzieren, da die Gießform in diesem Falle ja nicht aus losem, sondern vielmehr aus gebundenem Formstoff oder aus metallischen Dauerformen gebildet wird, wie auch in 6 gezeigt.
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Als Anwendungsbeispiel hierfür könnten durch den Einsatz von mit Modifikatoren versetzten geometrisch definierten, vorzugsweise zylindrischen Schäumlingen, Verbindungselemente und/oder Verstärkungselemente und/oder Leiterelemente in bestimmte Bauteilbereiche eingebracht werden. Des Weiteren könnten diese mit Modifikatoren versetzten Schäumlinge auch Laufflächen von Kolben jedweder Art triologisch und mechanisch in vorteilhafter Art abbilden, wodurch beispielsweise aufwendige Beschichtungsverfahren komplett substituiert werden können, wie auch in 7 gezeigt.
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Vorgeschlagen wird ein lokal modifiziertes Gussformteil (10'), hergestellt in einem zuvor beschriebenen Gießverfahren unter Verwendung von expandierbaren Kunststoffen (1), bei dem durch Einbringen von Modifikatoren (2) Verbundwerkstoffe erzeugbar sind.
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Derartige Bauteile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können und Anwendungsbereiche hierfür werden wie folgt gesehen:
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Mit dem Vollformverfahren oder Lost-Foam-Verfahren sind heute komplexe Bauteile herstellbar, wie sie in keinem anderen Gießverfahren herstellbar sind. Die Vorteile des Verfahrens erlauben es, komplizierte Geometrien einfach umzusetzen. Beispiele finden sich in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Medizintechnik, der Automobilindustrie, aber auch in vielen anderen Bereichen, in denen die klassischen Gießverfahren, wie das Druck- oder Kokillengießen, an ihre Grenzen stoßen.
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Durch die beschriebene Erfindung können unter Verwendung dieses Verfahrens Werkstoffverbunde aber auch Verbundwerkstoffe in Form von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen (metal matrix composites - MMCs) wirtschaftlich und prozesssicher hergestellt werden. Diese Verbundwerkstoffe können in einem Bauteil entsprechend seines Anforderungsprofils auch lokal angeordnet sein.
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Zudem können erfindungsgemäß entsprechend mit den gewünschten Modifikatoren versetzten Schäumlinge auch als Einleger in konventionellen Gießverfahren zum Einsatz kommen.
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Durch ein oberflächennahes Einbringen der Modifikatoren in ein Modell bzw. Gussteil können zudem auch aufwendige Oberflächenbeschichtungen komplett substituiert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist bzgl. seiner Einsetzbarkeit vielgefächert. Beispielsweise wäre ein Einsatz des Verfahrens im Bereich Automobilbau, speziell für Verbrennungsmotoren, Bremsscheiben, Elektromotoren denkbar.
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Dem Ansatz folgend könnten aufwendige Beschichtungen, z.B. thermische Beschichtung, mit z.B. verschleißresistenten oder tribologisch vorteilhafter Beschichtungswerkstoffen komplett ersetzt werden, indem die eigenschaftsbegünstigenden Elemente (Partikel o.ä.) in Form der hier beschriebenen eingeschäumten Modifikatoren oberflächennah direkt in das Kunststoffmodell eingebracht werden. Als Anwendungsbeispiel hierfür könnten mit Modifikatoren versetzte zylindrische Schäumlinge Bauteilbereiche, in denen Verbindungselemente einzubringen sind, verstärken.
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Zudem könnten diese mit Modifikatoren versetzten Schäumlinge auch Laufflächen von Kolben jedweder Art triologisch und mechanisch in vorteilhafter Art abbilden, wodurch beispielsweise aufwendige Beschichtungsverfahren komplett substituiert werden können.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist:
- Es zeigen:
- 1: schematisch eine mit Schaumstoffperlen (1) und Modifikatoren (2) versehene Schäumform (3) zur Herstellung von lokal modifizierten Gussformteilen (10'),
- 2 und 3: schematisch weitere Schäumformen (3), die mit Schaumstoffperlen (1) und Modifikatoren (2) versehen sind,
- 4: schematisch ein (Positiv-) Schaumstoffmodell (1') mit eingebrachtem Verstärkungsschaumstoffelement (5),
- 5: ein Gussbauteil (10') das in dem durch ein Belastungselement (6) hochbeanspruchten Bauteilbereich durch eine lokale Werkstoffoptimierung/Verbundwerkstoff (4) verstärkt wird,
- 6: schematisch eine Gießform (7) mit eingelegtem Schäumling (5'),
- 7: schematisch ein Gussformteil (10') mit lokal durch Modifikatoren erzeugtem Verbundwerkstoff (4) und
- 8: schematisch ein zu einer Gießtraube gefügtes (Positiv-) Schaummodell (1'), das in verschiedenen Bereichen durch unterschiedliche eingebrachte Modifikatoren (11, 12, 13) präpariert ist, so dass im zu erzeugenden Gussbauteilteil anforderungsgerecht unterschiedliche Gussgefüge bzw. Verbundwerkstoffe entstehen
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In 1 ist schematisch eine mit Schaumstoffperlen (1) und Modifikatoren (2) versehene Schäumform (3) zur Herstellung von lokal modifizierten Gussformteilen (1') dargestellt.
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Das Verfahren zur Herstellung dieser lokal modifizierten Gussformteile (10') in einem Gießverfahren unter Verwendung von expandierbaren Kunststoffen (1), bei dem durch Einbringen von Modifikatoren (2) Verbundwerkstoffe (4) erzeugt werden, umfasst zumindest die nachfolgenden Schritte:
- - Bereitstellung von zumindest einer Schäumform (3) zur Herstellung eines mit Modifikatoren (2) versetzten Schäumlings (1', 5, 5'),
- - Befüllung der Schäumform (3) mit zumindest einem expandierbaren Kunststoff (1) und Modifikatoren (2),
- - Expandieren des Kunststoffs (1) und positionsgenaue Fixierung der Modifikatoren (2) im Schäumling (1', 5, 5') und
- - Einbringen des Schäumlings (1', 5, 5') in eine Gießform (7),
- - Einbringen eines flüssigen Metalls (14') in die Gießform (7) zur Erzeugung des Gussformteils (10'), wobei der expandierte Kunststoff (1) verdampft und die Modifikatoren (2) von dem flüssigen Metall (14') umschlossen werden und
- - Entformen des erzeugten Gussformteils (10').
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Die Modifikatoren (2) können lokal verteilt oder gezielt angeordnet zu den Schaumstoffperlen (1) in die Schäumform (3) zugegeben und mit eingeschäumt werden.
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Aus 2 ist schematisch eine weitere Schäumform (3) erkennbar, die mit Schaumstoffperlen (1) und Modifikatoren (2) versehen ist, wobei die Modifikatoren (2) direkt in die aufzuschäumenden Schaumstoffperlen (1) integriert und zu einem Schäumling (1', 5, 5') oder Schaummodell (1') geschäumt werden.
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3 zeigt schematisch eine weitere Schäumform (3), die mit Schaumstoffperlen (1) und Modifikatoren (2) versehen sind, wobei vorexpandierte und mit Modifikatoren (2) versetzte Schaumstoffperlen (1) zum Einsatz kommen.
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In 4 ist schematisch ein Schaummodell (1') mit einem Verstärkungsschaumstoffelement (5) dargestellt, wobei die Modifikatoren (2) mit den Schaumstoffperlen (1) zu einem separaten Verstärkungsschaumstoffelement (5) geschäumt und an den gewünschten bzw. an diskreten Bereichen des Gussformteils (10') mit der Restgeometrie des finalen Schaummodells (1') gefügt werden.
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5 zeigt ein fertiges Bauteil bzw. Gussformteil (10') mit einer lokal erzeugten bzw. zu erzeugenden Werkstoffmodifikation bzw. Verbundwerkstoff (4), wodurch die durch ein Belastungselement (6) erzeugten Beanspruchungen anforderungsgerecht aufgenommen werden können.
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6: schematisch eine Gießform (7), mit einem Gießlauf mit einem Anschnittsystem (8) und einem Einguß (8'), sowie eine schematisch angedeuteten Metallschmelze bzw. einem flüssigen Gusswerkstoff (14'), der in den Gießlauf eingefüllt werden kann. In der Gießform (7) ist ein mit Modifikatoren versetzter Schäumling (1', 5, 5') angeordnet, dessen expandierfähige Schaumstoffperlen (1) während des Einlaufs der Metallschmelze (14') verdampfen können, wobei die einzubringenden Modifikatoren von der einströmenden Schmelze feinverteilt umschlossen und aufgenommen werden. Die frei werdenden Gase können über eine Absaugung bzw. Entgasung (9) aus der Kavität geleitet werden, um mögliche Porositäten im Gussbauteil zu verhindern.
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Verfahrensgemäß erfolgt die Herstellung des Gussformteils (10') mittels Einlegen des mit Modifikatoren (2) versetzten Schäumlings (5') in eine Kavität (15) und Befüllen der Kavität mit flüssigem Metall (14'). Auch diese Vorgehensweise führt zu einer lokalen Werkstoffoptimierung.
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7: schematisch ein Gussformteil (10') mit einem lokal modifizierten Werkstoff bzw. Verbundwerkstoff (4), der in oder an einem Gusswerkstoff (14) angeordnet ist. Das Gussformteil (10') kann beispielsweise in einem lokal verstärkten Zylinderkopf oder -Kurbelgehäuse Anwendung finden.
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Aus 8 geht schematisch eine weitere Gießform, bestehend aus Formsand (7'), hervor, wobei das spätere Gussformteil (10') durch ein Ausformen des mit Modifikatoren (2) versetzten Schaumodells (1') nach einem Vollformgießverfahren erfolgen kann. Die Zufuhr der Metallschmelz (14') erfolgt über einen Einguß (8') und Gießlauf mit Anschnittsystem (8) in das Schaumstoffmodell (1').
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Anforderungsgerecht können in verschiedenen Bereichen dieses Schaumstoffmodell auch Modifikatoren unterschiedlicher Art, z.B. Typ A (11) und/oder Typ B (12) und/oder Typ C (13) lokal eingebracht werden.
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Somit können nach der erfindungsgemäßen Vorgehensweise unter Verwendung von expandierbaren Kunststoffen (1) als Trägermedium für die Modifikatoren (2) gezielt Verbundwerkstoffe (4) und damit lokal modifizierte Gussformteile (10') hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- (1')
- Positiv-Schaummodell bzw. Schaummodell
- (1)
- Schaumstoffperle (expandierfähig)
- (2)
- Modifikator
- (3)
- Schäumform
- (4)
- modifizierten Werkstoff bzw. Verbundwerkstoff
- (5)
- Verstärkungsschaumelement
- (5')
- Trägerschaum bzw. Schaumstoffeinleger
- (6)
- Belastungselement
- (7)
- Gießform
- (7')
- Formsand
- (8)
- Gießlauf und Anschnittsystem
- (8')
- Einguß
- (9)
- Absaugung/Entgasung
- (10')
- Gussformteil
- (10)
- hoch belasteter Bereich im Gussformteil (10')
- (11)
- lokal eingebrachte Modifikatoren (z.B. Typ A)
- (12)
- lokal eingebrachte Modifikatoren (z.B. Typ B)
- (13)
- lokal eingebrachte Modifikatoren (z.B. Typ C)
- (14)
- Gusswerkstoff
- (14')
- Metallschmelze/flüssiger Gusswerkstoff
- (15)
- Kavität
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011012142 B3 [0004]
- DE 102009034969 A1 [0004]
- DE 69223194 T2 [0004]
- DE 102008036019 A1 [0005]
- WO 2009/068132 A1 [0005]
- DE 102009024320 B4 [0005]
- WO 2013/186124 A1 [0063]
