DE2641911C3 - Verfahren zur Herstellung einer unterdruckgeformten Gießform - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer unterdruckgeformien Gießform, bei dem eine Kunststoffolie unter Vakuum und Erwärmung an ein Modell angesaugt wird, auf die Folie in einem Kasten körniger Füllstoff gebracht wird, der Füllstoff durch Anlegen von Vakuum verfestigt wird, und das Modell nach Verfestigung des Füllstoffes entfernt wird.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der deutschen Auslegeschrift 24 07 878 bekannt. Die Besonderheit des bekannten Verfahrens besteht darin, zur Herstellung der Gießform losen, bindemittelfreien Sand zu verwenden. Dagegen wird dem Material der Kunststoffolie offensichtlich keine besondere Bedeutung beigemessen.

Zumeist bestehen solche Abdeckfolien aus synthetischen Kunstharzen bzw. Kunststoffen, wie etwa Äthylen-Vinylacetat-Copolymerisat, Polyäthylen, Polyvinylchlorid und Polyvinylalkohol. Diese üblichen synthetischen Kunststoffe haben nicht völlig befriedigt, beispielsweise wegen ihrer geringen thermischen Beständigkeit und ihrer Neigung zur Verkohlung. Dadurch können mit solchen Folien hergestellte Gußstücke verschiedene Gießfehler aufweisen, wie etwa Gaseinschlüsse, Sandspuren, Sandeinschlüsse und Metalleinbrüche; ferner können solche Formen leicht brechen.

Davon ausgehend besteht die dieser Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, das bekannte Verfahren durch die Auswahl des für die Kunststoffolie verwendeten Materials zu verbessern, so daß mit einei gezielt an die Anforderungen beim Unterdruckformen und nachfolgenden Metallgießen der angepaßten Folie gearbeitet wird. Im einzelnen soll die Folie eine genaue Modellabbildung, hohe Vakuumbeständigkeit und gute Oberflächenbeständigkeit aufweisen und bei der thermischen Zersetzung möglichst wenig Gas bilden. Weiter-

iü hin soll die Folie so dünn wie möglich sein, und ohne wesentliche thermische Schrumpfung gleichmäßig und plastisch verformbar sein. Die Folie soll die Form des Formhohlraumes bei möglichst hohen Temperaturen beibehalten; nach Schmelzbeginn soll das Folienmaterial jedoch sofort in die Schicht aus körnigen Füllstoffen eindringen und darin carbonisiert werden, damit ausreichende Luftdurchlässigkeit der Form gewährleistet ist. Schließlich sollen keine nennenswerten Zersetzungsprodukte, insbesondere keine brennenden Rück-

m stände und/oder korrosiven Gase auftreten.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den

>■> Unteransprüchen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer unterdruckgeformten Gießform, bei dem eine Kunststoffolie unter Vakuum und Erwärmung an ein Modell angesaugt wird, auf die Folie in einem

«) Kasten körniger Füllstoff gebracht wird, der Füllstoff durch Anlegen von Vakuum verfestigt wird, und das Modell nach Verfestigung des Füllstoffes entfernt wird, bei welchem eine Kunststoffolie aus einem ionomeren Kunstharz, bei dem ein Metallion oder Metallionen

π Copolymerketten aus «-Olefinen mit polymerisierbaren ungesättigten Carbonsäuren verknüpft, oder aus einer Mischung aus einem solchen ionomeren Kunstharz und einem üblichen Polymeren für Kunststoffolien verwendet wird.

■in Unter der Bezeichnung »ionomeres Kunstharz« werden alle Sorten von synthetischem polymeren! Kunstharz verstanden, die in Form ionischer Copolymere mit ionischen Brückenbindungen vorliegen, lonomere Kunstharze weisen eine besondere chemische

4"i Zusammensetzung auf, bei der ein Metallion oder Metallionen Molekülketten von Copolymeren aus a-Olefinen mit copolymerisierbaren ungesättigten Carbonsäuren wie etwa Acrylsäure, Methacrylsäure und Maleinsäure verknüpfen.

in Dieser Aufbau der ionomeren Kunstharze gewährleistet einerseits die thermische Beständigkeit des Harzes bei relativ niedrigen Temperaturen; andererseits können jedoch die, die Molekülketten miteinander verknüpfenden ionischen Bindungen durch Anwendung von

V) Wäime relativ leicht gelöst werden im Vergleich zu Kohlenstoffbindungen. Dies gewährleistet bei entsprechender Erwärmung ein schnelles Erweichen und/oder Schmelzen der Folie, so daß diese bei der Formgebung genau und getreu sogar komplizierten und tief

w) ausgehöhlten Abschnitten des Originales zu folgen vermag, ohne daß nennenswerte Restspannungen zurückbleiben. Die intermolekularen ionischen Bindungen können durch Abkühlung der Folie nach deren Formgebung aktiviert werden, wodurch die fast vollständige plastische Deformierung der Folie gewährleistet ist. Da am Erweichungspunkt sowohl die Spannung wie die prozentuale Dehnung beide ausreichend groß :,ind, können weiterhin auch sehr dünne

Folien ohne nennenswerte Schwierigkeiten zur Form gebung verwendet werden. Dies führt zu einer erhöhten Genauigkeit und Treue bei der Anpassung der Abdeckfolie an das Original.

Die Dicke der ionomeren Kunstharzfolie soll vorzugsweise im Bereich von 10 bis ΙΟΟμπι liegen. Beträgt die Dicke weniger als 10 μπι, können Brüche in der Folie auftreten, wenn diese der Saugwirkung ausgesetzt wird. Beträgt andererseits die Dicke mehr als 100 μπι, dann wird beim Eingießen von geschmolzenem Metall in die Form eine übermäßig große Menge Gas entwickelt, die sich nur recht schwierig durch die Schicht aus körnigen Füllstoffen hindurch absaugen läßt. Dies führt neben wirtschaftlichen Nachteilen zu unerwünsch ten Gaseinschlüssen in den Gußstücken und zu einem nicht vernachlässigbaren Anteil an brennenden Rück ständen in den Gußstücken. Bei einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens soll die ionomere Kunstharzfolie 30 bis 70 μπι dick. sein.

Die Abdeckfolie kann allein aus ionomerem Kunstharz bestehen. Bei einer anderen bevorzugten Ausfüh rungsform weist die Abdeckfolie Laminatstruktur auf, mit einer Folie oder mehreren Folien aus anderen synthetischen Harzen, wie etwa Polyamidharz, Polyäthylen geringer Dichte und Äthylenvinylacetat-Copolymerisat. Bei der anderen bevorzugten Ausführungsform besteht die Abdeckfolie aus einem Polymerengemisch, bei dem das ionomere Kunstharz mit den oben genannten anderen synthetischen Kunstharzen vermischt ist.

Zur praktischen Ausführung des Gießverfahrens wird die erfindungsgemäß vorgesehene Folie beispielsweise auf 90 bis 140⁰C erwärmt, um die Folie zu erweichen. Die Abdeckfolie wird in erweichtem Zustand auf die Oberfläche eines vorgegebenen Originalmodells gelegt, und an das Modell angesaugt. Auf der Abdeckung wird ein Kasten befestigt und in diesem eine Schicht aus hitzebeständigem körnigem Füllstoff, wie etwa Formsand, ausgebildet. Die Füllstoffschicht wird durch Anlegen von Unterdruck verfestigt und an die am Originalmodell anliegende Abdeckfolie angesaugt. Daraufhin wird das Originalmodell aus der gebildeten Gießform entfernt.

Die Abdeckfolie mit ionomerem Kunstharz kann beim Eingießen von geschmolzenem Metall in den Formhohlraum deformiert werden, was vermutlich darauf beruht, daß ionomeres Kunstharz ein thermoplastisches Kunstharz ist und beim Erweichen seine mechanische Festigkeit verliert. Die Reibung zwischen dem Gießstrahl aus geschmolzenem Metall mit der geschwächten Abdeckfolie kann dann eine leichte Deformation der Folie bewirken. Um dem abzuhelfen, kann nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung auf der Kunststoffolie auf der dem Modell abgewandten Seite ein Überzug aus einem wärmehärtbaren Harz aufgebracht werden; vorzugsweise weist diese feste Harzschicht eine Dicke von 2 bis 100 μηι auf.

Für diese Ausführungsform ist die nachstehende Folge von Verfahrensschritten vorgesehen.

Die zumindest teilweise aus ionomerem Kunstharz bestehende Abdeckfolie »ΐι··^: bis zur Erweichung erwärmt. Diese erweichte Abdeckfolie wird auf die Oberfläche eines Originalmodells gelegt und dort angesaugt. Die dem Modell abgewandte Seite der Abdeckfolie wird mit einer Lösung der Ausgangskomponenten eines wärmehärtbaren Harzes beschichtet. Auf der beschichteten Oberfläche wird ein hohler Kasten angeordnet und darin eine Schicht aus hitzebeständigem körnigen Füllstoff, wie etwa Formsand, ausgebildet. Die Füllstoffschicht wird durch Anlegen von Unterdruck verfestigt und an die Abdeckfolie angesaugt. Schließlich wird das Originalmuster aus der Gießform entfernt. Der Überzug weist vorzugsweise eine Dicke von 2 bis 100 μπι der festen Harzschicht auf.

Die nach dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Abdeckfolie ist mit einem wärmehärtbaren Kunstharz gut verstärkt, ohne daß dadurch die vorteilhaften Eigenschaften der Folie beeinträchtigt sind. Die verstärkte Abdeckfolie ist gegenüber der Reibung mit dem Gießstrahl aus geschmolzenem Metall beständig, so daß eine zufällige Deformation der Abdeckfolie im Verlauf des Metalleingie3ens wirksam verhindert ist. Wenn das geschmolzene Metall in den Hohlraum fließt, wird der Überzug aus Ausgangskondensat des wärmehärtbaren Harzes wegen der von dem geschmolzenen Metall ausgehenden Strahlungswärme geschmolzen und dringt in die Füllstoffschicht ein und bildet eine verfestigte Schale an deren Oberfläche, was eine Deformation der Abdeckfolie wirksam verhindert. Weiterhin wird dadurch verhindert, daß die körnigen Füllstoffe mit dem geschmolzenen Metall vermischt werden. Schließlich dringen das geschmolzene wärmehärtbare Kunstharz des Überzugs und das geschmolzene ionomere Kunstharz der Abdeckung gemeinsam in die Füllstoffschicht ein und dienen dort als eine Art Bindemittel für den körnigen Füllstoff.

Sofern hier das Ausgangskondensat des wurmehärtbaren Kunstharzes verwendet wird, ist es erforderlich, daß der Überzug schmilzt und aushärtet, wenn das geschmolzene Metall in die Nähe dieses Abschnittes der Abdeckung kommt, selbst wenn das geschmolzene Metall damit noch nicht in Berührung ist. Weiterhin wird bevorzugt, daß in Berührung mit dem geschmolzenen Metall der Überzug abbrennt, die Folgeprodukte in die Füllstoffschicht eindringen und dort Füllstoffkörner aneinander binden.

Für diese Ausführungsform ist beispielsweise eine alkoholische Lösung eines Ausgangskondensates eines wärmehärtbaren Kunstharzes, wie etwa eines Phenolharzes, eines Furanharzes oder eines Harnstoffharzes gut geeignet. Daneben können auch andere organische Lösungsmittel sowie Wasser und deren Gemische verwendet werden. Die Verwendung von Alkohol als Lösungsmittel gewährleistet ein ausreichendes Benetzungsvermögen der Überzugslösung, das kurz unterhalb der kritischen Oberflächenspannung der Abdeckfolie von ungefähr 40 dyn/cm liegt.

Wie bereits angegeben, soll die Überzugidicke der festen Harzschicht vorzugsweise 2 bis 100 μΐη betragen. Sofern die Dicke weniger als 2 μίτι beträgt, kann der Überzug nicht ausreichend eine feste Schale bilden, welche den Zusammenbruch des Formhohlraums wirksam verhindert, wenn das geschmolzene Metall eingegossen wird. Sofern andererseits die Dicke mehr als ΙΟΟμίη beträgt, verbleiben brennende Rückstände des Ausgangskondensates zwischen dem geschmolzenen Metall und der Füllstoffschicht, was die Oberflächengüte der Gußstücke beeinträchtigt. Sofern die Überzugsdicke in dem angegebenen Bereich gehalten wir;¹, können ähnlich gute Wirkungen auch bei unterbrochener Überzugsschicht erwartet werden, d. h. wenn das Ausgangskondensat in Form von Tupfen oder Flecken auf der Oberfläche der Abdeckfolie mit ionomerem Kunstharz aufgebracht worden ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen mit Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 im einzelnen erläutert; es zeigt:

Fig. 1 in Form einer graphischen Darstellung die Beziehung zu. chen Aufheizzeit und prozentualer Dehnung von Proben der Abdeckfolien nach Beispiel 1;

F i g. 1 in Form einer graphischen Darstellung die Aufheizzeit-abhängigen Veränderungen von Proben der Abdeckfolien nach Beispiel 2;

F i g. 3 A bis 3 C Photographien von Proben der Abdeckfolien nach Beispiel 3, nachdem diese 5 see lang erwärmt worden sind; und

F i g. 4 eine Erläuterung zu den F i g. 3 A bis 3 C.

Beispiel 1

Folienproben mit einer Breite von 20 cm, einer effektiven Länge von 50 mm und einer Dicke von 100 μιη wurden

a) aus ionomerem Kunstharz,

b) aus Polyäthylen niedriger Dichte und

c) aus Äthylen-Vinylacetat-Copolymerisat

hergestellt, und daran Untersuchungen zur Bestimmung der thermischen Beständigkeit durchgeführt.

Die Folienproben wurden für die angegebene Dauer erwärmt, wozu die Proben 20 cm von einer auf 400⁰C erwärmten Heizplatte entfernt gehalten wurden; gleichzeitig wurden die Proben lediglich in einer Richtung mit einer Reckgeschwindigkeil von 3 cm/sec gereckt; die erhaltenen Ergebnisse sind mit F i g. 1 dargestellt, wobei die prozentuale Dehnung längs der Ordinate und die Heizdauer (in see) längs der Abszisse aufgetragen sind. Die Kurve A entspricht der ionomeren Kunstharzfolie, die Kurve B der Folie aus Polyäthylen niedriger Dichte und die Kurve C dem Äthylenvinylacetat-Copolymerisat.

Wie aus der graphischen Darstellung ohne weiteres ersichtlich, ist die prozentuale Dehnung der Folie aus ionomerem Kustharz wesentlich konstanter als die prozentuale Dehnung der beiden anderen Folien.

Beispiel 2

An den bereits mit Beispiel 1 beschriebenen Proben wurden die durch Wärmebehandlung hervorgerufenen Veränderungen bestimmt. Hierzu wurden die Folien-Tabelle I

proben für eine vorgegebene Zeitspanne 0,5 cm von geschmolzenem, 1300⁰C heißem Metall entfernt gehalten. Die ermittelten Ergebnisse sind mit Fig. 2 dargestellt, wobei die Änderungen längs der Ordinate

■-, und die Erwärmungsdauer längs der Abszisse aufgetragen sind. Genauso wie bei Beispiel 1 entspricht die Kurve A der ionomeren Kunstharzfolie, die Kurve B der Folie aus Polyäthylen geringer Dichte und die Kurve C der Folie aus Äthylenvinylacetat-Copolymerisat. Der Figur ist ohne weiteres zu entnehmen, daß die ionomere Kunstharzfolie aus dem folienförmigen Zusstand heraus rasch carbonisiert wird und den carbonisierten Zustand für eine relativ lange Zeitspanne beibehält, so daß dieses Material wirksam als eine Art

r, Bindemittel für Füllstoffkörner dienen kann.

Beispiel 3

Die bereits in den vorangegangenen Beispielen eingesetzten Folienproben wurden 5 see lang erhitzt und anschließend von den Proben Photographien angefertigt; die erhaltenen Bilder sind mit den F i g. 3 A, 3 B und 3 C dargestellt; F i g. 3 A entspricht der ionomeren Kunstharzfolie, F i g. 3 B entspricht der Folie aus Polyäthylen niedriger Dichte und Fig. 3 C ent-

:-, spricht der Folie aus Äthylenvinylacetat-Copolymerisat. Mit Fig.4 werden dazu Erläuterungen gegeben, wobei mit Bezugsziffer 1 die erweichten Abschnitte der Folien mit Bezugsziffer 2 die braunen Abschnitte der Folien, mit Bezugsziffer 3 die carbonisierten Abschnitte und mit

jo Bezugsziffer 4 das geschmolzene Metall bezeichnet sind. Es ist gut zu erkennen, daß im Falle der ionomeren Kunstharzfolie diese Folie bis zu einem Abschnitt sehr nahe an dem geschmolzenen Metall carbonisiert ist. Im Gegensatz dazu sind die anderen Folien sogar an

s", solchen Stellen, die von dem geschmolzenen Metall entfernt sind, bis zur Asche abgebrannt.

Beispiel 4

An den bereits in den vorangegangenen Beispielen

4» verwendeten Folienproben wurden Untersuchungen zur Bestimmung solcher mechanischer und chemischer Eigenschaften durchgeführt, die üblicherweise für Abdeckfolien für das Metallgießen gefordert werden.

Die Ergebnisse dieser Messungen sind in der nachfol-

4-, genden Tabelle I aufgeführt.

l'oüc ;ius	Poly äthylen niedriger Dichte (M 68)	ionimicicm Kunstharz Typ 1	ionomerem Kunstharz Typ 2
Aihyien- vinyliicetiit- Copoly- merisat (17% VAC)	350	350	350
250	190	190	190
150	105	825	600
75	8,7	17	3
10	2	10	7
2,5	5 bei einer Dicke von 100 um	5 bei einer Dicke von 50 am	5 bei einer Dicke von 60 am
5 bei einer Dicke von 100 um	wenig	viel	viel
mittel

Thermische Zersetzungstemperatur ( C) Erweichungstemperatur ( C)

Maximale prozentuale Dehnung bei der Erweichung

Reißfestigkeit beim Bruch (g)
Beständigkeit gegen Bruch (Zeit) Abbildung (Zeit)

Carbonisierung

Beispiel 5

Ein mit einem Eingußkanal versehenes Modell mit einer Länge von 300 mm, einer Breite von 100 mm und einer Höhe von 150 mm, wurde zur Formgebung verwendet, und daran die nachfolgend in Tabelle Il aufgeführten Kunstharzfolien angeformt. Nach Fertigstellung mit flacher Gestalt erzeugt, wozu in jedem Falle die gleiche Abdeckfolie verwendet wurde. In der oberen Formhälfte wurde in bekannter Weise ein Gießtrichter mit einem Durchmesser von 15 mm ausgebildet. Als hitzebeständiger körniger Füllstoff wurde SiCh-Sand

(Teilchengröße entsprechend 200 μηι Maschenweite) verwendet und die durch Unterdruck erzeugte Saugwirkung entsprach einem Druck von ca. 47 900 Pa. Geschmolzenes graues Gußeisen mit einer Temperatur von ungefähr HOO⁰C wurde in die geschlossene Form eingegossen und verbleibt dort bis zur Abkühlung auf Umgebungstemperatur. Die Oberflächen der erhaltenen Gußstücke wurden bis zu einer Tiefe von 2,0 mm entfernt und auf die Anwesenheit von Gußfehlern untersucht. Die ermittelten Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle II aufgeführt.

Tabelle Ii

Verwendetes Kunstharz	tigenschaften der Gußstücke	GulM'ehler	Gasein	Sand	Formen
	Treue bei Abbildung	Metall	schlüsse	spuren oder	bruch
	ohne Bruch ansaug-	einbrüche		Sandein
	bare minimale Dicke			schlüsse
			2	10	festgestellt
	(ym)	festgestellt	I	5	festgestellt
Polyäthylen niedriger Dichte	10Ü	geringfügig
Äthylenvinylacetut-Copoly-	75	festgestellt	0	0	keine
mcrisat		keine	1	7	festgestellt
Ionomeres Kunsthai/.	40	keine	-	-	-
Polyamid	60	-
Polyester	keine erfolgreiche		3	11	festgestellt
	Saugwirkung	festgestellt	-	-	-
Polypropylen	90	-
Polyvinylacetat	keine erfolgreiche
	Saugwirkung

Aus den oben in Tabelle II aufgeführten Ergebnissen ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Anwendung der vorliegenden Erfindung die Herstellung von Gußstücken mit merklich erhöhter Qualität gewährleistet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer unterdruckgeformten Gießform,

bei dem eine Kunstoffolie unter Vakuum und Erwärmung an ein Modell angesaugt wird,
auf die Folie in einem Kasten körniger Füllstoff gebracht wird,

der Füllstoff durch Anlegen von Vakuum verfestigt wird, und das Modell nach Verfestigung des Füllstoffes entfernt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Kunststoffolie aus einem ionomeren Kunstharz, bei dem ein Metallion oder Metallionen Copolymerketten aus oc-Olefinen mit polymerisierbaren ungesättigten Carbonsäuren verknüpft, oder aus einer Mischung aus einem solchen ionomeren Kunstharz und einem üblichen Polymeren für Kunststoffolien verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie verwendet wird, bei deren Herstellung Acrylsäure, Methacrylsäure und/oder Maleinsäure eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie mit einer Dicke von 10 bis 100 μπι, vorzugsweise 30 bis 70 μίτι verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kunststoffolie mit einer Laminatstruktur aus einer oder mehreren ionomeren Kunstharzfolien mit einer oder mehreren üblichen Kunststoffolien verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Kunststoffolie auf der dem Modell abgewandten Seite ein Überzug aus einem wärmehärtbaren Harz aufgebracht wird; und die feste Harzschicht eine Dicke von 2 bis 100 μιη aufweist.