CH708863A2 - Laserunterstütztes Giessen eines Kühllochs und zugehöriges System. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das aufweist: Durchführen einer Laserablation an einem vorläufigen Wachsgussmodell zur Ausbildung eines modifizierten Wachsmodells, das wenigstens ein Kühlloch aufweist, das in dem Wachsgusssubstrat fehlt; Beschichten des modifizierten Wachsmodells, um eine Gussformgestalt um das modifizierte Wachsmodel herum auszubilden; und Entfernen des modifizierten Wachsmodells, um eine Gussform zu hinterlassen, die das wenigstens ein Kühlloch aufweist.

Description

Beschreibung

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

[0001 ] Diese Anmeldung steht in Beziehung zu den parallel anhängigen US-Patentanmeldungen mit dem Aktenzeichen 14/075094 (Anwaltsakte Nr. 265674-1 ), 14/075 1 14 (Anwaltsakte Nr. 270360-1 ) und 14/075 196 (Anwaltsakte Nr. 2703701 ), eingereicht am 8. November 2013, von denen jede durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin mit aufgenommen ist.

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft Materialverarbeitung. Insbesondere betrifft der Gegenstand das Giessen von Formteilen in Materialien.

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG

[0003] Das Giessen von Teilen, z.B. Metallteilen, zur Verwendung in Maschinen, wie z.B. Turbomaschinen und/oder dynamoelektrischen Maschinen, wird herkömmlich durch Erzeugung einer Gussform aus einem Formteil und Giessen oder anderweitiges Einbringen eines verflüssigten Materials (z.B. Metall) in die Gussform bewerkstelligt. Das verflüssigte Material wird dann abgekühlt, um ein erstarrtes Teil in der Gestalt der Öffnung in der Gussform auszubilden. Die Gussform wird herkömmlich durch Erzeugen einer Wachsform, Beschichten der Wachsform, z.B. mit einer oder mehreren keramischen Schichten, und Entfernen des Wachses, um die Kontur dieser Gestalt als die Gussform zum Giessen des verflüssigten Materials zu hinterlassen, erzeugt.

[0004] Bestimmte Formen in Teilen können schwierig und/oder aufwändig herzustellen sein, da das Wachsbasismaterial, das zur Erzeugung dieser Formen verwendet wird, nicht immer einfach zu handhaben ist. In einigen Fällen wird ein «Basis»-(oder Grund-)Wachsbasismaterial geformt, und dann werden Kühllöcher dem Wachsmodel durch maschinelle Bearbeitung dieses Wachsbasismaterials hinzugefügt, um die Merkmale auszubilden, die beschichtet werden und später das Teil formen. Dieser Prozess kann teuer, zeitaufwändig und komplex sein.

[0005] Andere Ansätze umfassen das Hinzufügen von Merkmalen zu dem Wachsgusswerkzeug, das die Gestalt des Wachsmodells formt, bevor die Gussform erzeugt wird. Dies kann schneller sein als eine Modifikation nach der Erzeugung des Wachsmodells, kann aber aufgrund der Notwendigkeit, das gesamte Wachsgusswerkzeug umformen zu müssen, teuer sein. Zusätzlich kann eine Modifikation des ursprünglichen Wachsgusswerkzeugs einen Konflikt zwischen Merkmalen herbeiführen, z.B. zwischen Merkmalen, die sich in verschiedene Richtungen erstrecken. Sub-Wachsmodelle und Zusammenstellungen von Wachsmodellen können ebenfalls verwendet werden, aber diese Ansätze bilden Nähte aus, die eine nachträgliche Korrektur erfordern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0006] Verschiedene Ausführungsformen umfassen Verfahren und zugehörige Systeme für laserunterstütztes Giessen. Einige Ausführungsformen umfassen ein Verfahren, das aufweist: Durchführen einer Laserablation an einem vorläufigen Wachsgussmodell zur Ausbildung eines modifizierten Wachsmodells, das wenigstens ein Kühlloch aufweist, das in dem vorläufigen Wachsgussmodell fehlt; Beschichten des modifizierten Wachsmodels zur Bildung einer Gussformgestaltgestalt um das modifizierte Wachsmodel herum; und Entfernen des modifizierten Wachsmodells, um eine Gussform zu hinterlassen, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist.

[0007] Ein erster Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren, das aufweist: Durchführen einer Laserablation an einem vorläufigen Wachsgussmodell zur Ausbildung eines modifizierten Wachsmodells, das wenigstens ein Kühlloch aufweist, das in dem vorläufigen Wachsgussmodell fehlt; Beschichten des modifizierten Wachsmodels zur Bildung einer Gussformgestalt um das modifizierte Wachsmodel herum; und Entfernen des modifizierten Wachsmodells, um eine Gussform zu hinterlassen, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist.

[0008] Das zuvor erwähnte Verfahren kann ferner ein Erzeugen eines Formteils aus einem Gussmaterial unter Verwendung der Gussform mit dem wenigstens einem Kühlloch aufweisen.

[0009] In dem Verfahren der vorstehend erwähnten Art kann das Gussmaterial Stahl oder Stahl enthaltende Legierungen aufweisen.

[0010] Alternativ dazu oder zusätzlich kann das Erzeugen des Formteil aufweisen: Giessen des Gussmaterials in die Gussform, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist; und Abkühlen des Gussmaterials, um das Formteil zu festigen.

[0011 ] In dem Verfahren jeder beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Durchführen der Laserablation ein Anwenden eines Ultrakurzpulslasers auf das vorläufige Wachsgussmodell aufweisen, um einen Abschnitt des vorläufigen Wachsgussmodells direkt zu verdampfen, wodurch das wenigstens eine Kühlloch ausgebildet wird, wobei das Kühlloch ein Seitenverhältnis von ungefähr 5 zu ungefähr 10 aufweisen kann.

[0012] In dem Verfahren jeder beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das direkte Verdampfen ein Erhöhen einer lokalen Temperatur des Abschnitts des vorläufigen Wachsgussmodells auf über ungefähr 500 Grad Celsius aufweisen.

2 [0013] Zusätzlich kann das direkte Verdampfen ein Beibehalten einer Temperatur eines benachbarten Abschnitts des vorläufigen Wachsgussmodells unterhalb von ungefähr 120 Grad Celsius aufweisen.

[0014] Das Verfahren jeder beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner ein Scannen des modifizierten Wachsmodells zur Abbildung des wenigstens einen Kühllochs nach der Durchführung der Laserablation aufweisen.

[0015] In dem Verfahren jeder beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Scannen ein Durchführen wenigstens entweder eines zweidimensionalen Scans und/oder eines dreidimensionalen Scans von dem wenigstens einen Kühlloch aufweisen.

[0016] Zusätzlich kann das Verfahren der zuvor erwähnten Art ferner ein Durchführen einer anschliessenden Laserablation an dem modifizierten Wachsmodell auf der Basis des Bildes des wenigstens einen Kühllochs aufweisen.

[0017] Noch weiter kann die anschliessende Laserablation eine modifizierte Laserablationsmethode aufweisen, die im Vergleich zu der Laserablation eine modifizierte Grösse von wenigstens einer der folgenden Grössen aufweist: Laserleistung, Laserfokus, Laserscangeschwindigkeit oder Laserpulsdauer.

[0018] Ein zweiter Aspekt der Erfindung umfasst ein System, das aufweist: ein Lasersystem, das programmiert ist, um an einem vorläufigen Wachsgussmodell zur eine Laserablation durchzuführen, um ein modifiziertes Wachsmodell auszubilden, das wenigstens ein Kühlloch aufweist, das in dem vorläufigen Wachsgussmodell fehlt,; ein Bildgebungssystem, das ein optisches Trepaniersystem zum Scannen des modifizierten Wachsmodells aufweist, um das wenigstens eine Kühllochs nach der Durchführung der Laserablation abzubilden; ein Beschichtungssystem zur Beschichtung des modifizierten Wachsmodells zur Bildung einer Gussformgestalt um das modifizierte Wachsmodell herum und Entfernung des modifizierten Wachsmodells, um eine Gussform zu hinterlassen, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist; und ein Giesssystem zum Giessen eines Formteils aus einem Gussmaterial unter Verwendung der Gussform, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist.

[0019] Das Bildgebungssystem des zuvor erwähnten Systems kann wenigstens entweder ein zweidimensionales Scansystem und/oder ein dreidimensionales Scansystem aufweisen.

[0020] Das Lasersystem des Systems jeder beliebigen vorstehend erwähnten Art kann programmiert sein, um eine Laserablation durchzuführen, indem ein Ultrakurzpulslaser auf das vorläufige Wachsgussmodell angewendet wird, um einen Abschnitt des vorläufigen Wachsgussmodells direkt zu verdampfen, wodurch das wenigstens eine Kühlloch erzeugt wird, wobei das Kühlloch vorzugsweise ein Seitenverhältnis von ungefähr 5 zu ungefähr 10 aufweist.

[0021 ] In dem System jeder beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das direkte Verdampfen ein Erhöhen einer lokalen Temperatur des Abschnitts des vorläufigen Wachsgussmodells auf über ungefähr 500 Grad Celsius aufweisen.

[0022] Zusätzlich kann das direkte Verdampfen ein Halten einer Temperatur eines benachbarten Abschnitts des vorläufigen Wachsgussmodells unterhalb von ungefähr 120 Grad Celsius aufweisen.

[0023] Das Lasersystem des Systems jeder beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner programmiert sein, um eine anschliessende Laserablation an dem modifizierten Wachsmodell durchzuführen, die auf dem Bild des wenigstens einen Kühllochs basiert.

[0024] In dem System der zuvor erwähnten Art kann die anschliessende Laserablation eine modifizierte Laserablationsmethode aufweisen, die im Vergleich zu der Laserablation eine modifizierte Grösse von wenigstens einer der folgenden Grossen aufweist: Laserleistung, Laserfokus, Laserscangeschwindigkeit oder Laserpulsdauer.

[0025] Ein dritter Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren, das aufweist: Durchführen einer Laserablation an einem vorläufigen Wachsgussmodell zur Ausbildung eines modifizierten Wachsmodells, das wenigstens ein Kühlloch aufweist, das in dem vorläufigen Wachsgussmodell fehlt, wobei das Durchführen der Laserablation ein Anwenden eines gepulsten Lasers auf das vorläufige Wachsgussmodell aufweist, um einen Abschnitt des vorläufigen Wachsgussmodells direkt zu verdampfen, wodurch das wenigstens eine Kühlloch ausgebildet wird, wobei das direkte Verdampfen aufweist: Erhöhen einer lokalen Temperatur des Abschnitts des vorläufigen Wachsgussmodells auf über ungefähr 500 Grad Celsius; und Halten einer Temperatur eines benachbarten Abschnitts des vorläufigen Wachsgussmodells unterhalb von ungefähr 120 Grad Celsius; und Scannen des modifizierten Wachsmodells zur Abbildung des wenigstens einen Kühllochs nach der Durchführung der Laserablation.

[0026] Das zuvor erwähnte Verfahren kann ferner ein Durchführen einer anschliessende Laserablation an dem modifizierten Wachsmodell auf der Basis des Bildes des wenigstens einen Kühllochs aufweisen, wobei die anschliessende Laserablation eine modifizierte Laserablationsmethode aufweist, die im Vergleich zu der Laserablation eine modifizierte Grösse von wenigstens einer der Grössen Laserleistung, Laserfokus, Laserscangeschwindigkeit oder Laserpulsdauer aufweist, wobei der gepulste Laser einen Ultrakurzpulslaser aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0027] Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden leichter verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung der verschiedenen Aspekte der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zeigen, in denen:

3 [0028] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems für laserunterstütztes Giessen gemäss verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.

[0029] Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm, das Prozesse gemäss verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.

[0030] Fig. 3 zeigt ein schematisches Prozessflussdiagramm, das Prozesse bei der Erzeugung eines Gussformteils gemäss verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.

[0031 ] Es sei angemerkt, dass die Zeichnungen der Erfindung nicht notwendigerweise massstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sind nur für die Darstellung typischer Aspekte der Erfindung gedacht und sollten daher nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung betrachtet werden. In den Zeichnungen stellt eine gleiche Bezeichnung gleiche Elemente unter den Zeichnungen dar.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0032] Wie beschrieben, betrifft der hierin offengelegte Gegenstand die Materialverarbeitung. Insbesondere betrifft der Gegenstand das Giessen von Formteilen in Materialien.

[0033] Wie hierin beschrieben, können bestimmte Formen in Teilen schwierig und/oder aufwändig zu erzeugen sein, da das Wachsbasismaterial, das zur Ausbildung dieser Formen verwendet wird, nicht immer einfach zu bearbeiten ist. In einigen Fällen wird ein «Basis» (oder Grund-) Wachsbasismaterial ausgebildet, und Kühllöcher werden dann dem Wachsmodel durch maschinelle Bearbeitung dieses Wachsbasismaterials hinzugefügt, um die Merkmale auszubilden, die beschichtet werden und später das Teil formen. Dieser Prozess kann teuer, zeitaufwändig und komplex sein.

[0034] Insbesondere umfasst herkömmliches Giessen von Turbomaschinenteilen das Bauen eines Wachsgusswerkzeugs, welches die Form des Wachsmodells enthält, das gegossen werden soll. Auf den Bau des Wachsgusswerkzeugs folgend wird das Wachs in das Werkzeug gegossen, um das Wachsmodell zu erzeugen. Das Wachsmodell wird dann beschichtet (z.B. in einer Beschichtungsaufschlämmung mit nicht weniger als 20-30 Schichten), um eine Hülle {Gussformgestalt) um das Wachsmodell herum zu schaffen. Die Hülle (Gussformgestalt) samt dem Wachs wird dann erwärmt, um das Wachsmodell zu entfernen, wodurch die Gussformgestalt (als eine Gussform) gewonnen wird. Ein erhitztes Metall wird dann in die Gussformgestalt (Hülle) eingegossen und anschliessend abgekühlt, um ein Metallteil in der Form des Wachsmodells auszubilden. Die Gussformgestalt (Hülle) wird dann, z.B. über mechanisches oder chemisches Abtragen, entfernt. Einige herkömmliche Methoden versuchen, dem Wachsgusswerkzeug vor der Erzeugung des Wachsmodells Merkmale hinzuzufügen. Dies kann schneller sein als eine Modifikation nach der Erzeugung des Wachsmodells, kann aber aufgrund der Notwendigkeit, das gesamte Wachsgusswerkzeug umzuformen, kostspielig sein. Zusätzlich kann eine Modifikation des ursprünglichen Wachsgusswerkzeugs einen Konflikt zwischen Merkmalen auslösen, z.B. zwischen Merkmalen, die sich in verschiedene Richtungen erstrecken. Sub-Wachsmodelle und Zusammenstellungen von Wachsmodellen können ebenfalls verwendet werden, aber diese Methoden bilden Nähte aus, die eine nachträgliche Korrektur erfordern.

[0035] Um diese Probleme bei den herkömmlichen Form-/Gussmethoden zu bewältigen, weisen verschiedene Aspekte der Erfindung Lösungen zur effektiven Modifikation einer vorhandenen Gussform, um Kühllöcher aufzunehmen, auf.

[0036] Wenn es einen Wunsch nach Merkmalen mit einem grösseren Seitenverhältnis gibt, wie z.B. Formen mit tiefen Graben oder Löchern, gibt es strenge Anforderungen an die Leistungsdichte der Laserstrahlen, die zur Ausbildung dieser Merkmale verwendet wird. In diesen Anwendungsarten werden Ultrakurzpulslaserstrahlen, z.B. Picosekunden- oder Femtosekunden-Laser, als Strahlen angesehen, die eine ausreichende Auflösung bieten, um derartige Merkmale zu formen. Ferner ist eine passende Kollimation und Fokussierung erforderlich, um eine notwendige Rayleigh-Länge und Strahlqualität/Leistungsdichte zu schaffen, und es wird ein optischer Trepanierkopf gebraucht um einen Umlauf zu schaffen. Wenn die Merkmale mit einem grossen Seitenverhältnis in dem Wachsmodell erzeugt werden, kann ein druckunterstützter Aufschlämmungsprozess verwendet werden um sicherzustellen, dass diese Merkmale in dem fertiggestellten Metallteil dupliziert werden. Verglichen mit dem herkömmlichen Prozess, bei dem diese Merkmale während des Giessens blank (ungeformt) hinterlassen werden und die Merkmale dann nachträglich nach dem Giessen maschinell hergestellt werden, reduzieren die unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen hierin beschriebenen laserunterstützten Giessprozeduren die Kosten der Herstellung des Gusskerns und -Werkzeugs, erhöhen die Ausbeute und reduzieren deutlich die Dauer und Kosten der Nachbearbeitung von Turbomaschinenkomponenten.

[0037] Es wird verstanden, dass der Begriff «Kühlloch», wie hierin beschrieben, eine Öffnung mit einem Seitenverhältnis, gemessen von einer Oberfläche des Wachsmodells, von ungefähr eins (1 ) bis zu ungefähr (10), in besonderen Fällen von ungefähr 5 zu ungefähr 10 betreffen kann.

[0038] Verschiedene besondere Aspekte der Erfindung umfassen ein Verfahren, das aufweist: Bereitstellen eines vorläufigen Wachsgussmodells (optionaler Vorprozess); Durchführen einer Laserablation an dem vorläufigen Wachsgussmodell zur Ausbildung eines modifizierten Wachsmodells, das wenigstens ein Kühlloch aufweist, das in dem vorläufigen Wachsgussmodell fehlt; Beschichten des modifizierten Wachsmodels zur Bildung einer Gussformgestalt um das modifizierte Wachsmodel herum; und Entfernen des modifizierten Wachsmodells, um eine Gussform zu hinterlassen, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist.

4 [0039] Verschiedene weitere besondere Aspekte der Erfindung umfassen ein System, das aufweist: ein Lasersystem, das programmiert ist, um eine Laserablation an einem vorläufigen Wachsgussmodell durchzuführen, um ein modifizierten Wachsmodell auszubilden, das wenigstens ein Kühlloch aufweist, das in dem vorläufigen Wachsgussmodell fehlt; ein Bildgebungssystem, das ein optisches Trepaniersystem zum Scannen des modifizierten Wachsmodells zur Abbildung des wenigstens einen Kühllochs nach der Durchführung der Laserablation aufweist; ein Beschichtungssystem zur Beschichtung des modifizierten Wachsmodells zur Bildung einer Gussformgestalt um das modifizierte Wachsmodell herum und Entfernen des modifizierten Wachsmodells, um eine Gussform zu hinterlassen, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist; und ein Giesssystem zum Giessen eines Formteils aus einem Gussmaterial unter Verwendung der Gussform, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist.

[0040] Weitere Aspekte der Erfindung umfassen ein Verfahren, das aufweist: Bereitstellen eines vorläufigen Wachsgussmodells (optionaler Vorprozess); Durchführen einer Laserablation an dem vorläufigen Wachsgussmodell zur Ausbildung eines modifizierten Wachsmodells, das wenigstens ein Kühlloch aufweist, das in dem vorläufigen Wachsgussmodell fehlt, wobei das Durchführen der Laserablation ein Anwenden eines gepulsten Lasers auf das vorläufige Wachsgussmodell aufweist, um einen Abschnitt des vorläufigen Wachsgussmodells direkt zu verdampfen, wodurch das wenigstens eine Kühlloch ausgebildet wird, wobei das direkte Verdampfen aufweist: Erhöhen einer lokalen Temperatur des Abschnitts des vorläufigen Wachsgussmodells auf über ungefähr 500 Grad Celsius; und Beibehalten einer Temperatur eines benachbarten Abschnitts des vorläufigen Wachsgussmodells unterhalb von ungefähr 120 Grad Celsius; und Scannen des modifizierten Wachsmodells zur Abbildung des wenigstens einen Kühllochs nach der Durchführung der Laserablation.

[0041 ] In der folgenden Beschreibung wird auf die angehängten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Beschreibung bilden und die zur Darstellung spezifischer beispielhafter Ausführungsformen, in denen die vorliegenden Lehren ausgeführt werden können, gezeigt werden. Diese Ausführungsformen werden in ausreichender Genauigkeit beschrieben, um einem Fachmann die Ausführung der vorliegenden Lehren zu ermöglichen, und es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Die folgende Beschreibung ist daher lediglich beispielhaft.

[0042] Veranschaulichungen in Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen, Veränderungen und/oder Modifizierungen können an den dargestellten Beispielen vorgenommen werden, ohne von dem Rahmen und Umfang der angehängten Ansprüche abzuweichen. Ausserdem kann ein bestimmtes Merkmal, auch wenn es in Bezug auf nur eine von mehreren Ausführungen beschrieben wurde, mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Ausführungen kombiniert werden, wie es für eine gegebene oder besondere Funktion gewünscht und vorteilhaft sein kann. Darüber hinaus sind die Begriffe «einschliesslich», «schliesst ein», «haben», «hat» «mit» oder Varianten davon, soweit sie entweder in der detaillierten Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, auf eine Weise zu verstehen, die dem Begriff «aufweisen» gleicht. Der Ausdruck «wenigstens eines von» wird verwendet, um zu bedeuten, dass ein oder mehrere der aufgelisteten Elemente ausgewählt werden kann.

[0043] Ungeachtet der Tatsache, dass die numerischen Bereiche und Parameter, die den weiten Umfang der Ausführungsformen darlegen, Näherungen darstellen, werden die numerischen Werte, die in den speziellen Beispielen dargelegt werden, so genau wie möglich beschrieben. Jeder numerische Wert kann jedoch von Natur aus bestimmte Fehler enthalten, die sich notwendigerweise aus der Standardabweichung in den betreffenden Testmessungen ergeben. Ausserdem soll verstanden werden, dass alle hierin offengelegten Bereiche jeden und alle darin zusammengefassten Unterbereiche umfassen sollen. Beispielsweise kann ein Bereich von «weniger als 10» jeden und alle Unterbereiche zwischen dem Minimumwert von null und dem Maximalwert von 10 (und einschliesslich dieser), d.h. alle Unterbereiche, die einen Minimalwert von gleich oder mehr als null und einen Maximalwert von gleich oder weniger als 10 haben, z.B. 1 bis 5. In bestimmten Fällen können die numerischen Werte, wie sie für die Parameter angegeben werden, negative Werte einnehmen. In diesem Fall kann der mit «weniger als 10» angegebene beispielhafte Wertebereich negative Werte einnehmen, z.B. -1 , -2, -3, -10, -20, -30, usw.

[0044] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 2 für laserunterstütztes Giessen gemäss verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Wie gezeigt, kann das System 2 ein Lasersystem 4 aufweisen, das programmiert ist, um an einem vorläufigen Wachsgussmodell 6 zur Ausbildung eines modifizierten Wachsmodells 8, das wenigstens ein Kühlloch 10 aufweist, das in dem vorläufigen Wachsgussmodell 6 fehlt, eine Laserablation durchzuführen. Das vorläufige Wachsgussmodell 6 kann ein rohes, unbearbeitetes oder anderweitig maschinell unbearbeitetes Stück eines Wachsmaterials, wie es hierin beschrieben ist, aufweisen. Das vorläufige Wachsgussmodell 6 wird in einem Wachsgusswerkzeug erzeugt, wie es im Fachgebiet bekannt ist. Das System 2 kann auch ein Bildgebungssystem 12 zum Scannen des modifizierten Wachsmodells 8 zur Abbildung des wenigstens einen Kühllochs 10 nach der Durchführung der Laserablation durch das Lasersystem 4 aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen weist das Bildgebungssystem ein rotierendes Scansystem auf, z.B. ein optisches Trepaniersystem, das eingerichtet ist, um Merkmale des wenigstens einen Kühllochs 10 zu scannen. Das Bildgebungssystem 12, das ein optisches Trepaniersystem aufweist, kann eine Auflösung mit einer Toleranz von weniger als ungefähr 0,0001 Zoll (0,00254 Zentimetern) aufweisen. Das System 2 kann ferner ein Beschichtungssystem 26 aufweisen zum: a) Beschichten des modifizierten Wachsmodells 8 (z.B. mit einem Beschichtungsmetall) zur Bildung einer Gussformgestalt (oder Hülle) um das modifizierte Wachsmodell 8 herum, und b) Entfernen des modifizierten Wachsmodells 8, um eine Gussform 24 (auf die auch als Gusshülle Bezug genommen wird) zu hinterlassen, die das wenigstens eine Kühlloch 10 aufweist. Das System 2 kann auch ein Giesssystem 30 zum Giessen eines Gussma-

5 terials 32 aufweisen, um ein Formteil aus der Gussform 24 zu formen (nachdem bestätigt wurde, dass das modifizierte Wachsmodell 8 die erwünschten Eigenschaften aufweist, und die Gussform 24 erzeugt ist).

[0045] In verschiedenen Ausführungsformen kann das System 2 ein Steuerungssystem 20 aufweisen, das mit dem Lasersystem 4, dem Beschichtungssystem 26, dem Giesssystem 30 und/oder dem Bildgebungssystem 12 gekoppelt ist. Das Steuerungssystem 20 kann eingerichtet sein, um Anweisungen dem Lasersystem 4, dem Beschichtungssystem 26, dem Giesssystem 30 und/oder dem Bildgebungssystem 12 zuzuführen und/oder anderweitig deren Betrieb zu steuern. Das Steuerungssystem 20 kann mit dem Laser-System 4, dem Beschichtungssystem 26, dem Giesssystem 30 und/oder dem Bildgebungssystem 12 mechanisch oder elektrisch verbunden zu sein. Das Steuerungssystem 20 kann eine computergestützte, mechanische oder elektro-mechanische Vorrichtung sein, die in der Lage ist, das Lasersystem 4, das Beschichtungssystem 26, das Giesssystem 30 und/oder das Bildgebungssystem 12 zu steuern. In einer Ausführungsform kann das Steuerungssystem 20 eine computergestützte Vorrichtung sein, die in der Lage ist, Betriebsanweisungen an das Lasersystem 4, das Beschichtungssystem 26, das Giesssystem 30 und/oder das Bildgebungssystem 12 zu liefern. In einer weiteren Ausführungsform kann das Steuerungssystem 20 eine mechanische Vorrichtung enthalten, die in der Lage ist, von einem Bediener verwendet zu werden. In diesem Fall kann der Bediener das Steuerungssystem 20 (z.B. durch Ziehen eines Hebels) physisch bedienen, was das Lasersystem 4, das Beschichtungssystem 26, das Giesssystem 30 und/oder das Bildgebungssystem 12 aktivieren kann. In einer weiteren Ausführungsform kann das Steuerungssystem 20 eine elektro-mechanische Vorrichtung sein.

[0046] Unter Bezugnahme auf Fig. 2 mit fortlaufender Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Flussdiagramm gezeigt, dass ein Verfahren zum laserunterstützten Giessen veranschaulicht, das gemäss verschiedenen Ausführungsformen durchgeführt wird. Wie gezeigt, kann das Verfahren die folgenden Prozesse aufweisen:

[0047] Prozess PI (optionaler Vorprozess): Bereitstellen eines vorläufigen Wachsgussmodells, z.B. des vorläufigen Wachsgussmodells 6 (Fig. 1 ). In verschiedenen Ausführungsformen kann das vorläufige Wachsgussmodell 6 Kohlenwasserstoffwachs, natürliches Esterwachs, synthetisches Wachs, natürliche Harze, synthetische Harze, organische Füllmaterialien, Wasser und deren Mischungen aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen kann das vorläufige Wachsgussmodell 6 aliphatische Verbindungen (Verbindungen mit geradkettigen Kohlenstoffatomen, z.B. Kohlenwasserstoffwachs, natürliches Esterwachs, synthetisches Wachs und/oder Harze) oder aromatische Verbindungen (Verbindungen, Füllstoffe und/oder Harze mit ringförmig strukturierten Kohlenstoffatomen) aufweisen.

[0048] Prozess P2: Durchführen einer Laserablation (unter Verwendung des Lasersystems 4) an dem vorläufigen Wachsgussmodell 6 zur Ausbildung eines modifizierten Wachsmodells (z.B. des modifizierten Gussmodells 8), das wenigstens ein Kühlloch (z.B. das Kühlloch / die Kühllöcher 10) aufweist, das in dem vorläufigen Wachsgussmodell 6 fehlt. Wie hierin beschrieben, kann der Prozess der Durchführung einer Laserablation an dem vorläufigen Wachsgussmodell 6 das Anwenden eines gepulsten Lasers (z.B. eines Ultrakurzpulslasers) an dem vorläufigen Wachsgussmodell 6 aufweisen, um einen Abschnitt 16 des vorläufigen Wachsgussmodells 6 direkt verdampfen, wobei das wenigstens eine Kühlloch 10 ausgebildet wird. Die verdampften Abschnitte 16 sind durch die Kühllöcher 10 in dem modifizierten Gussmodell 8 veranschaulicht. In verschiedenen Ausführungsformen weist der Prozess des direkten Verdampfens das Erhöhen einer lokalen Temperatur des Abschnitts 16 des vorläufigen Wachsgussmodells 6 über die Verdampfungstemperatur des vorläufigen Wachsgussmodells 6, z.B. ungefähr 500 Grad Celsius (und in einigen Fällen bis zu ungefähr 1000 Grad Celsius), beim gleichzeitigen Aufrechterhalten einer Temperatur des benachbarten Abschnitts 18 des vorläufigen Wachsgussmodells 6 unterhalb seiner Schmelztemperatur, z.B. ungefähr 120 Grad Celsius (und in einigen Fällen unterhalb von ungefähr 50 Grad Celsius). Es wird verstanden, dass, wie hierin beschrieben, ein Kühlloch 10 in dem vorläufigen Wachsgussmodell 6 durch Modulieren wenigstens eines der folgenden Merkmale des Lasersystems 4 erzeugt werden kann: Laserpulsdauer, Leistungsdichte der Laserimpulse und Scangeschwindigkeit des Lasers über das vorläufige Wachsgussmodell 6, um das Kühlloch 10 auszubilden, das ein Seitenverhältnis von ungefähr eins (1 ) zu ungefähr zehn (10) hat. Dieser Prozess kann sich von dem Ausbilden eines zusätzlichen Merkmals unterscheiden, das ein grösseres Seitenverhältnis, z.B. grösser als ungefähr 10, hat. In bestimmten Ausführungsformen weist das Kühlloch 10 eine Öffnung auf, die ein Seitenverhältnis von ungefähr 5 bis ungefähr 10 hat.

[0049] Prozess P3: Scannen des modifizierten Wachsgussmodells 8 (unter Verwendung des Bildgebungssystems 12, das ein optisches Trepaniersystem aufweist) zur Abbildung des wenigstens einen Kühllochs 10 nach der Durchführung der Laserablation. In verschiedenen Ausführungsformen weist das Scannen das Durchführen eines optischen Trepanierscans von dem wenigstens einen Kühlloch 10 auf.

[0050] Prozess P4 (optional in einigen Ausführungsformen): Durchführen einer anschliessenden Laserablation (unter Verwendung des Lasersystems 4) an dem modifizierten Gussmodell 8 auf Basis des Bildes des wenigstens einen Kühllochs 10. In verschiedenen Ausführungsformen weist der anschliessende Laserablationsprozess eine modifizierte Laserablationsmethode auf, die eine Modifikation wenigstens einen Parameters des Lasersystems 4 im Vergleich zu dem (den) ursprünglichen Laserablationparameter(n) aufweist, wie z.B.: a) Laserleistung; b) Laserfokus; c) Laserscangeschwindigkeit und/oder d) Laserpulsdauer. Die Prozesse P3 und P4 können, wie in Fig. 1 gezeigt, auf der Basis der Ergebnisse der Abbildung und der anschliessenden Laserablation wiederholt werden.

[0051 ] In verschiedenen Ausführungsformen können zusätzliche Prozesse aufweisen:

6 [0052] Prozess P5: Beschichten des modifizierten Wachmodells 8, um eine Gussformgestalt (Hülle) 22 auszubilden. Dies kann ein Aufbringen eines Auskleidungsmaterials 21 (z.B. eines Metalls) über das modifizierte Wachsmodell 8 aufweisen, um die Gussformgestalt (Hülle) 22 auszubilden, die den Umriss des modifizierten Wachsmodell 8 darstellt.

[0053] Prozess P6: Entfernen des modifizierten Wachsmodells 8, um eine Gussform 24 (Hülle) zu hinterlassen, die das wenigstens eine Kühlloch 10 aufweist. Dies kann ein physisches Entfernen des modifizierten Wachsmodells 8, z.B. mittels physikalischer oder chemischer Zerstörung des modifizierten Wachsmodells 8 aufweisen. In einigen Fällen wird das modifizierte Wachsmodell 8 von der Gussform 22 durch Aufbrechen, Ziehen, Verdrehen usw. des modifizierten Wachsmodells 8 entfernt, um die Gussform 24 unbeschädigt zu hinterlassen. In anderen Fällen wird das modifizierte Wachsmodell 8 erhitzt, bis es sich verflüssigt (oder verdampft), und nach der Erhitzung entfernt.

[0054] Prozess P7: Erzeugen eines Formteil aus einem Gussmaterial 32 (z.B. einem Material, wie Stahl oder Stahllegierungen) unter Verwendung der Gussform 24, die das wenigstens eine Kühlloch 10 aufweist. Das Erzeugen des Formteils aus dem Gussmaterial 32 unter Verwendung der modifizierten Gussform kann aufweisen: a) Giessen des Gussmaterials 32 in die Gussform 24 mit dem wenigstens einen Kühlloch 10; und b) Abkühlen des Gussmaterials 32, um das Formteil erstarren zu lassen. Abhängig von den speziellen Eigenschaften des Gussmaterials 32 kann der Abkühlprozess aktives Kühlen des Gussmaterials 32 (z.B. indem das Gussmaterial 32 einer Kühlumgebung ausgesetzt wird) oder passives Kühlen des Gussmaterials 32 (z.B. indem das Gussmaterial 32 gelassen wird, um sich auf Raumtemperatur abzukühlen) aufweisen.

[0055] Fig. 3 zeigt ein schematisches Prozessflussdiagramm, das Prozesse zur Erzeugung einer Gussform 24 gemäss verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Wie veranschaulicht: es wird ein vorläufiges Wachsmodell 6 einer Laserablation unterworfen, um mehrere Merkmale 10 in dem Modell auszubilden, wodurch ein modifiziertes Wachsmodell 8 erzeugt wird; dann wird um das modifizierte Wachsmodell herum eine Gussform 24 ausgebildet, die die mehreren Merkmale 10 widerspiegelt; und in einigen Prozessen wird eine fertige Komponente (z.B. eine Metallkomponente) durch Giessen eines Gussmaterials in die Gussform 24 und anschliessendes Entfernen dieses Materials 32 aus der Gussform 24 erzeugt.

[0056] In verschiedenen Ausführungsformen können Komponenten, die als miteinander «verbunden» beschrieben sind, an einer oder mehreren Verbindungsstellen» zusammengefügt sein. In einigen Ausführungsformen können diese Verbindungsstellen Verbindungen zwischen getrennten Komponenten enthalten, und in anderen Fällen können diese Verbindungsstellen eine fest und/oder einstückig ausgebildete Verbindung enthalten. D.h., in einigen Fällen können Komponenten, die miteinander «verbunden» sind, gleichzeitig ausgebildet werden, um ein einziges durchgängiges Element zu definieren. In anderen Ausführungsformen können diese Komponenten jedoch als gesonderte Elemente ausgebildet und anschliessend durch bekannte Prozesse (z.B. Befestigen, Ultraschallschweissen, Verbinden) zusammengefügt werden.

[0057] Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen, und soll für die Offenbarung nicht beschränkend sein. So wie hierin verwendet, sollen die Singularformen «ein», «eine» und «der, die, das» auch die Pluralformen mit einschliessen, soweit der Kontext nicht deutlich anderes anzeigt. Es dürfte sich ferner verstehen, dass die Begriffe «weist auf» und/oder «aufweisen», wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorliegen der angegebenen Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht das Vorliegen oder die Hinzufügung von einer/einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschliessen. Es dürfte sich ferner verstehen, dass mit den Begriffen «vorne» und «hinten» keine Einschränkung beabsichtigt ist und sie, wenn geeignet, gegeneinander austauschbar sind.

[0058] Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschliesslich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.

[0059] Verschiedene Ausführungsformen umfassen Verfahren und zugehörige Systeme für laserunterstütztes Giessen. Einige Ausführungsformen umfassen ein Verfahren, das aufweist: Durchführen einer Laserablation an einem vorläufigen Wachsgussmodell zur Ausbildung eines modifizierten Wachsmodells, das wenigstens ein Kühlloch aufweist, das in dem Wachsgusssubstrat fehlt; Beschichten des modifizierten Wachsmodells, um eine Gussformgestalt um das modifizierte Wachsmodel herum auszubilden; und Entfernen des modifizierten Wachsmodells, um eine Gussform zu hinterlassen, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist.

Bezugszeichenliste

[0060]

System 2

7

Claims (10)

1. Lasersystem 4 Wachsgussmodell 6 Wachsmodell 8 Kühlloch 10 Bildgebungssystem 12 Abschnitt 18 Steuerungssystem 20 Auskleidungsmaterial 21 Gussformgestalt 22 Gussform 24 Beschichtungssystem 26 Giesssystem 30 Gussmaterial 32 Patentansprüche 1. Verfahren, das aufweist: Durchführen einer Laserablation an einem vorläufigen Wachsgussmodell zur Ausbildung eines modifizierten Wachsmodells, das wenigstens ein Kühlloch aufweist, das in dem vorläufigen Wachsgussmodell fehlt; Beschichten des modifizierten Wachsmodels zur Bildung einer Gussformgestalt um das modifizierte Wachsmodel herum; und Entfernen des modifizierten Wachsmodells, um eine Gussform zu hinterlassen, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , das ferner ein Erzeugen eines Formteils aus einem Gussmaterial unter Verwendung der Gussform mit dem wenigstens einen Kühlloch aufweist;’ wobei das Gussmaterial vorzugsweise Stahl oder Stahl enthaltende Legierungen aufweist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Erzeugen des Formteils aufweist: Giessen des Gussmaterials in die Gussform, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist; und Abkühlen des Gussmaterials, um das Formteil erstarren zu lassen.
4. 4. Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche wobei das Durchführen der Laserablation ein Anwenden eines Ultrakurzpulslasers auf das vorläufige Wachsgussmodell aufweist, um einen Abschnitt des vorläufigen Wachsgussmodells direkt zu verdampfen, wodurch das wenigstens eine Kühlloch gebildet wird, wobei das Kühlloch ein Seitenverhältnis von ungefähr 5 bis ungefähr 10 aufweist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das direkte Verdampfen ein Erhöhen einer lokalen Temperatur des Abschnitts des vorläufigen Wachsgussmodells über ungefähr 500 Grad Celsius aufweist.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das direkte Verdampfen ein Aufrechterhalten einer Temperatur eines benachbarten Abschnitts des vorläufigen Wachsgussmodells unterhalb von ungefähr 120 Grad Celsius aufweist.
7. 7. Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, das ferner ein Scannen des modifizierten Wachsmodells zur Abbildung des wenigstens einen Kühllochs nach der Durchführung der Laserablation aufweist; wobei das Scannen vorzugsweise ein Durchführen wenigstens entweder eines zweidimensionalen Scans und/oder eines dreidimensionalen Scans von dem wenigstens einen Kühlloch aufweist.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, das ferner ein Durchführen einer anschliessenden Laserablation an dem modifizierten Wachsmodell auf der Basis des Bildes des wenigstens einen Kühllochs aufweist; wobei die anschliessende Laserablation vorzugsweise eine modifizierte Laserablationsmethode aufweist, die im Vergleich zu der Laserablation eine modifizierte Grösse von wenigstens einer der folgenden Grössen aufweist: Laserleistung, Laserfokus, Laserscangeschwindigkeit oder Laserpulsdauer.
9. 9. System, das aufweist: ein Lasersystem, das programmiert ist, um eine Laserablation an einem vorläufigen Wachsgussmodell durchzuführen, um ein modifiziertes Wachsmodell auszubilden, das wenigstens ein Kühlloch aufweist, das in dem vorläufigen Wachsgussmodell fehlt; 8 ein Bildgebungssystem, das ein optisches Trepaniersystem zum Scannen des modifizierten Wachsmodells zur Abbildung des wenigstens einen Kühllochs nach der Durchführung der Laserablation aufweist; ein Beschichtungssystem zur Beschichtung des modifizierten Wachsmodells zur Bildung einer Gussformgestalt um das modifizierte Wachsmodell herum und Entfernung des modifizierten Wachsmodells, um eine Gussform zu hinterlassen, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist; und ein Giesssystem zum Giessen eines Formteils aus einem Gussmaterial unter Verwendung der Gussform, die das wenigstens eine Kühlloch aufweist.
10. 10. Verfahren, das aufweist: Durchführen einer Laserablation an einem vorläufigen Wachsgussmodell zur Ausbildung eines modifizierten Wachsmodells, das wenigstens ein Kühlloch aufweist, das in dem vorläufigen Wachsgussmodell fehlt; wobei das Durchführen der Laserablation ein Anwenden eines gepulsten Lasers auf das vorläufige Wachsgussmodell aufweist, um einen Abschnitt des vorläufigen Wachsgussmodells direkt zu verdampfen, wodurch das wenigstens eine Kühlloch ausgebildet wird, wobei das direkte Verdampfen aufweist: Erhöhen einer lokalen Temperatur des Abschnitts des vorläufigen Wachsgussmodells über ungefähr 500 Grad Celsius; und Aufrechterhalten einer Temperatur eines benachbarten Abschnitts des vorläufigen Wachsgussmodells unterhalb von ungefähr 120 Grad Celsius; und Scannen des modifizierten Wachsmodells zur Abbildung des wenigstens einen Kühllochs nach der Durchführung der Laserablation. 9