DE4418466C2 - Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formen aus aushärtbaren Formstoff - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formen aus aushärtbaren FormstoffInfo
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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,
- 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.
Priority Applications (14)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4418466A DE4418466C2 (de) | 1994-05-27 | 1994-05-27 | Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formen aus aushärtbaren Formstoff |
PT95922482T PT711213E (pt) | 1994-05-27 | 1995-05-24 | Processo para utilizacao em fundicao |
PCT/EP1995/001994 WO1995032824A1 (de) | 1994-05-27 | 1995-05-24 | Verfahren für den einsatz in der giessereitechnik |
EP99115839A EP0968776B1 (de) | 1994-05-27 | 1995-05-24 | Verfahren für den Einsatz in der Giessereitechnik |
CNB951904809A CN1275719C (zh) | 1994-05-27 | 1995-05-24 | 制作三维消失模的方法和制作热固化造型材料砂铸模的方法 |
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DE102014119736A1 (de) * | 2014-12-30 | 2016-06-30 | Portec Gmbh | Gussform und Verfahren zu deren Herstellung sowie Verfahren zur Herstellung von Gussteilen |
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1994
- 1994-05-27 DE DE4418466A patent/DE4418466C2/de not_active Expired - Lifetime
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D2 | Grant after examination | ||
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8330 | Complete disclaimer |