DE4418466C2 - Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formen aus aushärtbaren Formstoff - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formen aus aushärtbaren Formstoff

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formen aus aushärtbarem Formstoff bereitgestellt, bei dem die Form durch schichtenweisen Aufbau mit Hilfe der computergesteuerten, selektiven Erhitzung einer dünnen, ebenen Formstoffschicht mittels Laser entsprechend dem Querschnitt des zu fertigenden Objektes und Wiederholung dieses selektiven Bestrahlungsvorganges für jede neu aufgebrachte Formstoffschicht hergestellt wird. Es wird ein Formstoff verwendet, der zusammengesetzt ist aus einem pulverförmigen, körnigen oder granulierten Formgrundstoff aus runden, unregelmäßig geformten oder eckigen, splittrigen Partikeln und einem warm- oder heißaushärtenden Binder, wobei die Formgrundstoffkomponente mit der Binderkomponente umhüllt ist oder wobei die Formgrundstoffkomponente mit der Binderkomponente gemischt ist und die Formgrundstoffkomponente sich während der Verfahrensschritte chemisch inert verhält. Die mit dem Verfahren hergestellten Formen sind verlorene Formen und Kerne für den Gießereieinsatz ohne die Verwendung von Urformwerkzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimen­ sionalen Formen aus aushärtbarem Formstoff nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es sind Verfahren für die schnelle Herstellung von dreidimen­ sionalen, geometrisch komplizierten, auch mit Hinterschnei­ dungen versehenen und genauen Objekten bekannt, die ohne Ur­ formwerkzeuge, d. h. ohne die bereits körperlich vorhandene äußere und innere Form der Objekte als Positiv- oder Negativ­ modell sowie auch ohne Zerspanungs- und Abtragvorgänge arbei­ ten und die gewünschten Objekte direkt aus der computerinter­ nen, dreidimensionalen Darstellung der Geometrie generieren, wobei als Ausgangsstoffe feste, pulverförmige oder flüssige Grundmaterialien dienen. Diese Verfahren sind als generative Fertigungsverfahren, Rapid Prototyping RP, Solid Freeform Ma­ nufacturing SFM oder Fast Free Form Fabrication FFFF bekannt (Technische Rundschau 83(1991)20, S. 36-43 und 44, S. 58-61, Ma­ terials World Dec. 1993, S. 656-658, modern casting Oct. 1993, S. 25-27). Das bekannteste dieser Verfahren ist die Stereolitho­ graphie (Konstruieren + Gießen 17(1992)4, S. 13-19, Technische Rundschau 82(1991)11, S. 40/41, Automobil-Produktion Aug. 1992, S. 102/104, Laser-Praxis Mai 1992, S. LS58/LS59).
Mit diesen Verfahren können Prototypen, Musterteile usw. aus verschiedenen Kunststoffen, beschichtetem Papier sowie aus Wachs hergestellt werden. Verschiedene Materialien sind ge­ eignet, die aus ihnen hergestellten Objekte als verlorene Mo­ delle im Feingußverfahren zu verwenden, so daß in der Folge auch Gußteile im Feingußverfahren ohne Urformwerkzeug herge­ stellt werden können. Weiterhin ist bekannt, daß durch das Verfahren des Selective Laser Sintering SLS auch metallische und keramische Objekte direkt ohne Urformwerkzeuge herge­ stellt werden können (Int. J. of Powder Metallurgy 28(1992)4, S. 369-381, Metallurgical Transactions A 24/1993, S. 757-759).
Die beim Verfahren des Selective Laser Sintering verwendeten Pulver sind dabei keramischer Natur, aus zwei oder mehr Kom­ ponenten bestehend, und die Bindung zwischen den Partikeln wird durch keramische Bindung, d. h. also chemische Reaktion zwischen den Bestandteilen des Pulvers, hergestellt; im Falle versinterter metallischer Pulver sind die metallischen Teil­ chen mit polymeren Bindern, wie z. B. Epoxidharzen, umhüllt oder vermischt, so daß die Bindung zwischen den metallischen Teilen über diese polymeren Binderbrücken hergestellt wird (über das gleiche Verfahrensprinzip wird auch bei keramischen Pulvern berichtet), daneben sind noch Bindungen über interme­ tallische Verbindungen beschrieben. Es ist bekannt, daß die derart hergestellten Objekte auch Formen und Kerne für das Feingußverfahren sein können, bei dem keramische Schalen, die zur Verfestigung gebrannt werden, abgegossen werden.
(3rd. Int. Conf. on Rapid Prototyping at the University of Dayton, Conf. Proceedings, Dayton, Ohio, 1992, S. 73-77; Solid Freeform Fabrication Symposium Proceedings, University of Texas at Austin, Texas, 1991, S. 195-205, 205-212, u. 1992, S. 44- 53, 63-71, 124-130, 141-146; US-Patents No. 5.156.697, 5.147.587, 5.155.324, 5.053.090, 5.076.869, 4.944.817, 5.132.143, 5.017.753, 4.863.538, Europa-Patentanmeldung Nr. 0.416.852.A2, Weltpa­ tent-Anmeldung Nr. PCT/US 87/02635 (Int. Publ. No. WO 88/02677)).
Weiterhin ist bekannt, daß keramische Formen für das Feinguß­ verfahren auch durch die selektive Verfestigung von kerami­ schen Pulvern mittels aus einer beweglichen Düse ausgedrück­ ten silikatischen Binders im sogenannten Direct Shell Produc­ tion Casting hergestellt werden können (modern casting March 1993, S. 55 u. Aug. 1993, S. 30/31, Plastics World Febr. 1993, S. 23).
Es ist nicht bekannt, daß andere als keramische Formen und Kerne für das Feingußverfahren mittels generativer Ferti­ gungsverfahren ohne die Verwendung von Urmodellen hergestellt werden können, und somit steht für das weit verbreitete Sand­ gußverfahren kein schnelles Formverfahren zur Verfügung, das ohne Urformwerkzeuge (Modelle und Kernkästen) arbeitet.
Es ist bekannt, daß warm- und heißhärtende Formstoffe zur Herstellung von Kernen und Formen für die Gießereiindustrie verwendet werden können, wonach die hergestellten Kerne und Formen mit nahezu allen bekannten Gußwerkstoffen abgegossen werden können. Diese Formstoffe bestehen aus einem Formgrund­ stoff nach Anspruch 1, 2 und ggf. 4 aus einem Binder nach An­ spruch 3 und ggf. Zusätzen nach Anspruch 8. Diese Formstoffe können jedoch bisher nur unter Verwendung von Urformwerkzeu­ gen wie Modelleinrichtungen und Kernkästen, die ganzheitlich aus Metall bestehen müssen, verarbeitet werden (Flemming/­ Tilch: Formstoffe und Formverfahren, Dt. Verl. f. Grundstoffind. Leipzig/Stuttgart, 1. Aufl. 1993, S. 333-367).
Wegen der mit warm und heiß aushärtenden Formstoffen zu er­ zielenden guten Gußteileigenschaften, wie hohe Maßgenauigkeit und Qualitätskonstanz sowie gute Oberflächenqualität, sind diese Formstoffe unter den Verfahren zur Form- und Kernher­ stellung für anspruchsvolle, hochqualitative Guteile weit verbreitet, insbesondere bei der Fertigung von Gußteilen für die Automobilindustrie, den Fahrzeugbau, die Hydraulikindu­ strie und den Maschinenbau. Das betrifft sowohl Aluminium und Gußeisenlegierungen wie auch den Stahlguß. Jedoch haben alle mit diesen Formstoffen arbeitenden Gießereien das Problem, daß ggf. vom Kunden angefragte Einzelteile, Prototypen, Kleinserien, Musterteile etc. nur sehr teuer und mit hohem zeitlichen Aufwand zu fertigen sind, da in jedem einzelnen Fall ein komplett aus Metall bestehendes Urformwerkzeug (Mo­ dell und/oder Kernkasten) gefertigt werden muß. Wegen der heißen Verarbeitung dieser Formstoffe entfallen billige Me­ thoden des Modellbaus (Holz- oder Epiloxmodell), und eine Herstellung der Musterteile in anderen Formstoffen mit bil­ ligen Modelleinrichtungen würde keinen Vergleich zwischen diesen Musterteilen und der späteren Großserie in heißhär­ tenden Formstoffen in Bezug auf die Qualitätsparameter der gefertigten Gußteile mehr gestatten. Die mit den Vollmetall- Werkzeugen verbundenen Kosten und Vorbereitungszeiten stellen somit eine starke Benachteiligung der Gießereien, die mit warm und heiß härtenden Formstoffen arbeiten, gegenüber ande­ ren Formverfahren beim Wettbewerber dar; desweiteren verur­ sachen sie auch innerhalb der Gießerei selbst hohe Kosten und Zeitverluste in der Phase der technologischen Vorbereitung der Serienfertigung, wenn mehrere Probeabgüsse mit veränder­ ten Geometrien des Grieß- und Speisesystems oder der Abmessun­ gen des Gußteils notwendig sind.
Die vorstehend beschriebenen Methoden der schnellen Form- und Kernfertigung für das Feingußverfahren auch in Sandgießereien anzuwenden, ist aus technologischen Gründen nicht zielfüh­ rend. Es handelt sich bei Gußteilen, die für das Sandgußver­ fahren (gleichgültig in welchem Gußwerkstoff) konzipiert sind, um völlig andersartige Gußteile hinsichtlich ihrer Größe, Masse, Geometrie, Komplexität (Innenkonturen und damit Kernarbeit), geforderten Maßgenauigkeit, Oberflächenqualität und des Preises. Die im Feingußverfahren gefertigten Muster­ teile/Prototypen hätten keinerlei Beziehung zu der später im Sandguß vorgesehenen Serienfertigung und dienen damit weder dem Kunden (für Erprobung von Mustermotoren etc.) noch der Gießerei (zur technologischen Vorbereitung der späteren Se­ rienfertigung). Durch andere Methoden des Rapid Prototyping, wie z. B. Stereolithographie, Selective Laser Sintering von Kunststoffen, Laminated Object Manufacturing von beschichte­ tem Papier, hergestellte Modelle sind unter den Bedingungen warm und heiß aushärtender Formverfahren wegen ihrer geringen Temperaturbeständigkeit und schlechten Wärmeleitfähigkeit nicht einsetzbar. Weitere Alternativen ohne den konventionel­ len Modellbau existieren nicht. Aus diesen Gründen werden in den in Frage kommenden Gießereien alle Vorserienversuche, Mu­ sterfertigungen etc. mit den der späteren Serienfertigung entsprechenden Metallmodellen unternommen, und die Nachteile bei Kosten (von mehreren Tausend DM für einen einfachen Kern­ kasten bis z. B. DM 100.000,-- für das Werkzeug für die Ferti­ gung von Kurbelwellen) und Erstellungszeit des Urformwerk­ zeugs (ca. 3 Wochen für einen einfachen Kernkasten bis ca. 12- 16 Wochen für komplexe Werkzeuge z. B. für ein Zylinderkurbel­ gehäuse) müssen in Kauf genommen werden. In Anbetracht immer kürzerer Modellzyklen und Entwicklungszeiten verschlechtert dies insbesondere auch die Wettbewerbssituation des Ferti­ gungsverfahrens Gießen gegenüber konkurrierenden Verfahren.
Aus der US 4 944 817 ist es bekannt, Positivmodelle mittels des Ver­ fahrens des selektiven Lasercenters o. a. aus Keramikpulver herzu­ stellen. Die dort offenbarten Materialien sind jedoch für den Sand­ guß nicht geeignet.
Die hiermit beanspruchte Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, für Gießereien, die mit warm und heiß aushärtenden Formstoffen arbeiten, ein technologisch der Serienfertigung entsprechendes, jedoch ohne teuren und zeitaufwendigen Mo­ dellbau, d. h. ohne Urformwerkzeuge, arbeitendes Formverfahren zur Herstellung von Sandformen und -kernen für das Abgießen von Einzelstücken, Prototypen und Musterteilen sowie für technologische Entwicklungsarbeiten in der Gießerei selbst zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1. Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen ange­ geben.
Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Bei dem Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formen aus aushärtbaren Formstoff werden verlorene Formen und Kerne für den Gießereieinsatz ohne die Verwendung von Urformwerkzeugen hergestellt durch schichtenweisen Aufbau der Form mit Hilfe der computergesteu­ erten, selektiven Erhitzung einer dünnen, ebenen Formstoffschicht mittels Laser entsprechend dem Querschnitt des zu fertigenden Ob­ jekts und Wiederholung dieses selektiven Bestrahlungsvorganges für jede neuaufgebrachte Formstoffschicht. Als Formstoff wird ein Form­ stoff verwendet, der zusammengesetzt ist aus a) einem pulverförmi­ gen, körnigen oder granulierten Formgrundstoff aus runden, unregel­ mäßig geformten oder eckigen, splittrigen Partikeln und b) einem warm oder heiß aushärtenden Binder, wobei die Komponente a) mit der Komponente b) umhüllt ist oder die Komponenten a) und b) gemischt sind und sich die Komponente a) während der Verfahrensschritte des selektiven Bestrahlens chemisch inert verhält.
Die Komponente a) besteht aus Quarzsand, Zirkonsand, Olivinsand, Chromitsand, Schamotte, Korund- oder Carbonsand, entweder rein oder in jedem beliebigen Verhältnis mit einem oder mehreren der anderen Stoffe gemischt, entweder körnig, granuliert oder vermahlen.
Die Komponente b) besteht aus Phenol-, Furan-, Harnstoff oder Amino­ harzen, Novolaken oder Resolen, Harnstoff-Formaldehydharzen, Furfu­ rylalkohol-Harnstoff-Formaldehydharzen, phenolmodifizierten Furan­ harzen, Phenol-Formaldehydharzen oder Furfurylalkohol-Phenol- Formaldehydharzen, jeweils flüssig, fest, granuliert oder pulverför­ mig, und ist modifiziert und/oder gelöst.
Die Komponente a) besteht zum Teil oder vollständig aus bereits ver­ wendetem, regeneriertem oder nicht regeneriertem Material, wobei an­ haftende Stoffe mit der Komponente b) chemisch reagieren können.
Die Schritte des schichtweisen Aufbaus der Form mit Hilfe der compu­ tergesteuerten, selektiven Erhitzung einer dünnen ebenen Formstoff­ schicht mittels Laser entsprechend dem Querschnitt des zu fertigen­ den Objekts und die Wiederholung dieses selektiven Bestrahlungsvor­ ganges für jede neuaufgebrachte Formstoffschicht können entweder in einer Umgebung aus Luft, Sauerstoff oder Inertgas ausgeführt werden und wahlweise kann mit Normal- Über- oder Unterdruck gearbeitet wer­ den.
Für die Umhüllung der Komponente a) mit der Komponente b) wird eines der Verfahren Kalt-, Warm-, Heiß- oder Schmelzumhüllung angewendet.
Während der Vorgänge des Mischens der Komponente a) mit der Kompo­ nente b) oder der Umhüllung der Komponente a) mit der Komponente b) wird einer oder mehrere Zuschläge wie Härter, Säuren, Eisenoxyd, Trennmittel, Ammoniumsalze, Hexamethylentetramin, Hexamin, Harn­ stoff, Magnetit, Hämatit, Calciumstearat, Glycerin, Wasser oder Lö­ sungsmittel zugegeben.
Es werden Segmente, Schalen, Masken oder andere Teile von Formen und Kernen gefertigt und mit nach anderen Verfahren und aus gleichen oder anderen Materialien gefertigten, verlorenen Dauer-Formen- bzw. Kernen oder Teilen zusammengefügt. Die Formen und Kerne werden ent­ weder ungeteilt oder mit einer oder mehrerer Teilungen gefertigt und in den letzteren Fällen zusammengefügt. Es können gleichzeitig meh­ rere darunter auch verschiedene Formen bzw. Kerne gefertigt werden.
Die hergestellten Formen und/oder Kerne werden vor ihrer Verwendung mit gießereitechnologisch notwendigen, auf gleiche oder andere Weise aus gleichen oder anderen Materialien hergestellten Zuschlägen kom­ plettiert. Bevorzugt werden die hergestellten Formen und/oder Kerne vor ihrer Verwendung mit Überzugsstoffen versehen. Zur Verbesserung ihrer Festigkeit und ihrer Eignung für den Gießereiprozeß werden die hergestellten Formen und/oder oder Kerne thermisch nachbehandelt, wodurch eine vollständigere Aushärtung der Komponente b) erreicht wird.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formen aus aushärtbarem Formstoff
  • 1. 1.1 durch schichtenweisen Aufbau der Form
  • 2. 1.2 mit Hilfe der computergesteuerten, selektiven Erhitzung einer dünnen, ebenen Formstoffschicht mittels Laser
  • 3. 1.3 entsprechend dem Querschnitt des zu fertigenden Objektes
  • 4. 1.4 und Wiederholung dieses selektiven Bestrahlungsvorganges für jede neu aufgebrachte Formstoffschicht,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Formstoff verwendet wird, der zusammengesetzt ist aus
  • a) einem pulverförmigen, körnigen oder granulierten Formgrund­ stoff aus runden, unregelmäßig geformten oder eckigen, splittrigen Partikeln und
  • b) einem warm oder heiß aushärtenden Binder, wobei
  • c) die Komponente a) mit der Komponente b) umhüllt ist oder
  • d) die Komponenten a) und b) gemischt sind und
  • e) sich die Komponente a) während der Verfahrensschritte 1) bis 4) chemisch inert verhält und daß daraus verlorene Formen und Kerne für den Gießereieinsatz ohne die Verwendung von Urformwerkzeugen hergestellt werden.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente a) aus Quarzsand, Zirkonsand, Olivinsand, Chro­ mitsand, Schamotte, Korund oder Carbonsand, entweder rein oder in jedem beliebigen Verhältnis mit einem oder mehreren der anderen Stoffe gemischt, entweder körnig, granuliert oder vermahlen, be­ steht.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente b) aus Phenol-, Furan-, Harnstoff- oder Aminohar­ zen, Novolaken oder Resolen, Harnstoff-Formaldehydharzen, Furfu­ rylalkohol-Harnstoff-Formaldehydharzen, phenolmodifizierten Furan­ harzen, Phenol-Formaldehydharzen oder Furfurylalkohol-Phenol- Formaldehydharzen, jeweils flüssig, fest, granuliert oder pulverför­ mig, besteht und modifiziert und/oder gelöst sein kann.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente a) zum Teil oder vollständig aus bereits verwen­ detem, regeneriertem oder nicht regeneriertem Material nach Anspruch 2 besteht, wobei anhaftende Stoffe mit der Komponente b) chemisch reagieren können.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Umhüllung nach c) eines der Verfahren Kalt-, Warm-, Heiß- oder Schmelzumhüllung angewendet wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während der Vorgänge des Mischens nach d) oder der Umhüllung nach c) ein oder mehrere Zuschläge wie Härter, Säuren, Eisenoxid, Trennmittel, Ammoniumsalze, Hexamethylentetramin, Hexamin, Harn­ stoff, Magnetit, Hämatit, Calciumstearat, Glycerin, Wasser oder Lö­ sungsmittel zugegeben werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Segmente, Schalen, Masken oder andere Teile von Formen und Ker­ nen gefertigt und mit nach anderen Verfahren und aus gleichen oder anderen Materialien gefertigten, verlorenen oder Dauer-Formen bzw. - Kernen oder Teilen davon zusammengefügt werden.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Formen und Kerne wahlweise entweder ungeteilt oder mit einer oder mehreren Teilungen gefertigt werden und in den letzteren Fällen zusammengefügt werden.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Verfahrensschritte 1) bis 4) gleichzeitig mehrere, darunter auch verschiedene, Formen bzw. Kerne gefertigt werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die hergestellten Formen und/oder Kerne vor ihrer Verwendung mit gießereitechnologisch notwendigen, auf gleiche oder andere Weise aus gleichen oder anderen Materialien hergestellten Zuschlägen komplet­ tiert werden.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die hergestellten Formen und/oder Kerne vor ihrer Verwendung mit Überzugsstoffen versehen werden.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nach den Verfahrensschritten 1) bis 4) hergestellten Formen und/oder Kerne zur Verbesserung ihrer Festigkeit und ihrer Eignung für den Gießereiprozeß thermisch nachbehandelt werden, wodurch eine vollständigere Aushärtung der Komponente b) erreicht wird.
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