DD288061A7 - Verfahren und vorrichtung zur formgebung von bauteilen aus keramischen thermoplastischen formmassen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Formgebung von rohr- und stangenfoermigen Bauteilen mit Wandstaerken 2 mm aus keramischen, thermoplastischen Massen durch Niederdruckwarmspritzen in einem spezifischen Druckbereich von 0,1 bis 5,0 MPa unter Ausschlusz von Volumenelementen, wobei erfindungsgemaesz jeweils nur soviel Formmasse kontinuierlich zugefuehrt wird, dasz stets nur eine geringe Menge fluessiger Formmasse in Form eines Schichtfilmes auf den Formteilen bzw. auf der bereits erstarrten Formmasse aufliegt. Dabei erstarren die organischen Bindemittel homogen, vorwiegend glasartig-amorph und die erzeugten Formteile zeigen nach spaeteren thermischen Prozessen keine visuellen fehlerhaften Veraenderungen und weisen dem Werkstoff eigene Festigkeiten auf.{Keramik; Warmspritzen; Niederdruck; stangenfoermige Bauteile; grosze Wandstaerken; Ausbeuteerhoehung}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formgebung keramischer rohr- und stangenförmiger Bauteile aus pulverförmigem Material über einen durch organische Bindemittel zu erreichenden gießfähigen Zustand.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, pulverförmige Ausgangsstoffe mit Plastifizierungsmitteln aufzubereiten. Die so erhaltenen Massen lassen sich über Pressen, Gießen, Modellieren etc. und unter Erhöhung der Stofftemperatur zu formbeständigen Teilen verarbeiten. Bekannt sind auch Formgebungsverfahren für das Spritzgießen von Thermoplasten bei Spritzdrückon von >30MPa und entsprechenden Schließdrücken am Formwerkzeug. Es ist weiter bekannt, daß bei dem Hochdruckspritzverfahren für Plastverarbeitung mit Nachdruck gearbeitet wird, der maximal die Höhe des Spritzdruckes erreichen kann und über den Anguß und Anschnitt auf das Formteil bis zur Versiegelung der Öffnungen wirksam wird. Bekannt sind ebenfalls Niederdruckverfahren zum Heißspritzen, wie sie in der DD-PS 67782 beschrieben sind. Dabei werden die Formmassen mit geringen Spritzdrücken in das Formwerkzeug gefördert und erstarren dort. Das Erstarren der Formteile erfolgt von den temperierten Wandungen des Formwerkzeuges aus in Richtung Formteilinneres. Auch bei diesem Verfahren wird der Spritzdruck bis zur Versiegelung der Öffnungen für die Massezuführung wirksam. Dadurch werden die mit der Erstarrung verbundenen Volumenkontraktionen durch eine Nachführung von Material weitgehend ausgeglichen. Bekannt ist ebenfalls die isostatische Verdichtung und Nachverdichtung pulverförmiger Materialien sowie Vorrichtungen zum Abbau von Spannungen innerhalb keramischer Rohlinge, wie nie in der DD-PS 244721 beschrieben sind. Bei diesem Verfahren werden vorgeformte Bauteile von außen nach innen ohne weitere Zuführung von Material und unter Veränderung der äußeren Abmessungen verdichtet bzw. nachverdichtet.

Die genannten Verfahren eignen sich nicht zur Herstellung kompliziert geformter keramischer Teile mit Wandstärken > 2 mm aus unpiastischen pulverförmigen Materialien, bei denen die bestimmende äußere Kontur in den folgenden Prozessen erhalten bleibt und nicht durch eine Nachbehandlung erst geschaffen werden muß.

Im Unterschied zu gefüllten thermoplastischen Formmassen enthalten die keramischen thermoplastischen Formmassen Füllstoffanteile von 75 bis 90Ma.-%. Die restlichen Anteile bestehen aus organischen Bindemitteln, mit deren Hilfe die pulvorförmigen Ausgangsmaterialien bei Temperaturen oberhalb der Fließpunkte der organischen Bindemittel in den gießfähigen Zustand überführt werden. Keramische thermoplastisch-gießfähige Formmassen haben im Gegensatzzu flüssigen Metallen mit Newtonschem Fließverhalten, wie sie beim Warmkammerdruckgießverfahren zur Anwendung kommen und zu den reinen Thermoplasten mit plastischem Fließverhalten besondere rheologische Eigenschaften, die bei dem Formgebungsprozeß zu berücksichtigen sind.

Abhängig von der Art und Größe der elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Pulverteilchen und unter der Wirkung äußerer Kräfte können die Rheogramme alle Theologischen Besonderheiten aufweisen. Typische Fließkurven zeigen mit steigendem Schergefälle den folgenden Aufbau:

- Fließgrenze

- unterer, angenähert Newtonscher Bereich

- plastischer Übergangsbereich

- oberer, angenähert Newtonscher Bereich

- dilatanter Übergangsbereich.

Für die Formgebung werden in Abhängigkeit von der Geometrie der Formteile die Newtonschen Bereiche und der plastische Übergangsbereich genutzt, wobei sich das Arbeitsgebiet mit Verringerung des spezifischen Volumens zu höheren Schergefällen

und somit in Richtung des oberen, angenähert Newtonschen Bereiches verschiebt.

Dilatantes Fließen ist wegen der damit verbundenen "hasentrennung fest-flüssig unbedingt zu vermeiden. Unter weiterer Berücksichtigung der erhöhten Wärmeleitfähigkeit der keramischen thermoplastisch-gießfähigen Formmassen, bedingt durch

die höhere Wärmeleitfähigkeit der Füllstoffe, ergeben sich für das Niederdruckwarmspritzverfahren wesentlich höhere Angußuud Anschnittquerschnitte als beim Druckgießen von Metallen und dem Spritzgießen von Thermoplasten. Zur Vermeidung der

Formfüllung durch strahlförmiges Fließverhalten des Materials, wie es beim Druckgießen von Metallen zur Anv/endung gelangt,

bedingen die voränderten Anguß- und Anschnittquerschnitte eine Verringerung der Spritzdrücke beim

Niederdruckwarmspritzen von keramischen, thermoplastisch-gießfähigen Formmassen um den Faktor 30 bis 50 gegenüber

dem Spritzgießen von Thermoplasten.

Dor f οι mteilaufbau erfolgt analog zum Spritzgießen von Thormoplasten durch eine thermoplastische gießfähige Seele, die sich

trich'isrföimig von dar Einfüllöffnung im Formteil ausbreitet. Die Erstarrung der thermoplastischen keramischen Formmasse beginnt au der Formanwandung und wandert kontinuierlich zur Formteilmitte.

Vüiumiinkcütraktionen bei der Erstarrung der Formmasse werden durch eine Nachführung von Material unter Formgi?b jngobedingungen durch die plastische, gießfähige Seele bis zu ihrer Versiegelung am Anschnitt bzw. Anguß

iiüsgeylir.h.en.

Nach dem Formgebungsprozeß werden die organischen Bindemittel bei erhöhten Temperaturen ausgetrieben und die Formteile

du rch Brnrmon verfestigt. Insbesondere bei dickwandigen Formteilen mit Wandstärken > 2 mm ist dieser Prozeß mit erheblichen

Schwierigkeiten verbunden. So zeigen die thermisch behandelten Teile speziell beim Einsatz sehr feiner Ausgangsmaterialien

mit spezifinrhen Oberflächen von a = 5 x 10³bis5 x 10⁴m^J· kg"¹ verringerte Festigkeiten und im Gegensatz zu den geformten

Teilen ßicrr ire Veränderungen durch Einziehungen, Hohlräume und Risse. Ziel der t-rfindung

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren in Verbindung rr.it einer zweckentsprechend gestalteten Vorrichtung zur Formgebung keramischer Bauteile aus thermoplastisch-gießfähigen Massen durch Spritzgießen in einem Druckbereich von 0,1 bis 5,0MPa, bei dem die Formteile nach den thermischen Prozessen keinen fehlerhaften visuellen Veränderungen unterliegen und dem Werkstoff eigene Festigkeiten aufweisen.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Formgebung von Formteilen aus keramischen thermoplastischen Formmassen durch Niederdruckwarmspritzen zu schaffen, bei dem keine sprunghafte Dichteänderung beim Phasenübergang

fest-flüssig erfolgt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jeweils nur soviel Formmasse kontinuierlich zugeführt wird, daß stets

nur eine geringe Menge flüssiger Formmasse in Form eines Schichtfilmes auf den Formteilen bzw. auf der bereits erstarrten

Formmasse aufliegt und das Formteil bzw. die erstarrte Formmasse während des gesamten Prozesses ganz oder teilweise durch

ein m'r< einem Temperaturgradienten zum Schichtfilm beauflagtes Formwerkzeug umschlossen wird.

Dabei kenn der Formgebungsprozeß an einem Formteil mit variablen Koordinaten alternierend erfolgen. Bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist das Volumen des mit der Formmasse zu füllenden Forminnenraums

während des Formgebungsvorganges durch ein oder mehrere bewegliche Teile steuerbar.

Die Öffnungen für die Zuführung der gießfähigen thermoplastischen Masse sind an oder in einem in der Form angebrachten

temperierten Teil angeordnet.

Es hat sich gezeigt, daß die Kristallisation der als Bindemittel eingesetzten n-Alkane im Temperaturbereich von 308K bis 328K in

der im Kern geformten Teile vorherrschenden nadeiförmigen hexagonalen α-Modifikation unter erhöhtem Druck gehemmt bzw. gänzlich unterdrückt wird, wodurch sich der im Randbereich infolge der schnellen Abkühlung vorherrschende glasig-amorphe

Zustand homogen im gesamten Formteil ausbilden läßt. Durch den erhöhten Druck wird die Freisetzung von adsorbierten Gasen

in den noch plastischen Bereichen im Inneren der Formteile verhindert. Die Formteile zeigen nach den thermischen Prozessen keine fehlerhaften visuellen Veränderungen. Sie weisen dem Werkstoff eigene Festigkeiten auf.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1: Vorrichtung vor und nach Füllung des Formwerkzeuges Fig. 2: Die wärmeisolierende Dichtung mit Öffnungen für die Zufuhr der Spritzgießmasse Beispiel 1

Dio Herstellung eines ringförmigen keramischen Formteiles aus keramischen, thermoplastischen, gießfähigen Formmassen erfolgt unter Verwendung von oberflächenaktiven Substanzen und Hartparaffin als organische Bindemittel. Bei dom keramischen Material handelt es sich um ein hochtonerdehaltigee Pulver mit einer spezifischen Oberfläche a » 2 x 10⁴m² x kg"¹, welches In der Formmasse mit Pp= 0,85 kg χ kg·¹ Masseanteilen enthalten ist. In Fig. 1 ist links von der Mittellinie das Formwerkzeug zu Beginn des Formgebungsprozesses dargestellt, die rechte Seite zeigt den Zustand kurz vor Beendigung der Formgebung des im Ausführungsbeispiel herzustellenden ringförmigen keramischen Formteiles. Die Formmasse 4 ist auf 360K temperiert und wird mit einem Druck von 0,3 MPa pneumatisch in den zu Beginn der Formgebung klein gehaltenen freigegebenen Teil des Forminnenraumes 1 des Formwerkzeuges gespritzt. Der Forminnenraum 1 wird dabei durch d[e gekühlten Werkzeugteile- Stempel 10, Abstreifer 11 und Ring 12- sowie durch die wärmeisolierende Dichtung 7 mit den Öffnungen 3 begrenzt. Die Dichtung 7 trennt dabei die gekühlten Werkzeugteile von den beheizten Werkzeugteilen Masseverteiler 2, Verteilerblock 9 und Anspritzplatte 5 unter Verwendung einer weiteren wärmeisolierenden Dichtung 8. Die in den Fcrminnenraum V eingespritzte Masse erstarrt von den gekühlten Formwandungen aus parabelförmig in Richtung auf die wärmeisolierende Dichtung 7. Über die Bewegungselemente 6 wird eine kontinuierliche Absenkung des Masseverteilers 3 mit der wärmeisolierenden Dichtung 7 bei gleichzeitiger kontinuierlicher Massezuführung unter den o.g. Bedingungen erreicht, und es entsteht ein Formteil, in dem die organischen Bindemittel der keramischen, thermoplastischen, gießfähigen Formmasse homogen glasartig-amorph erstarren. Ist das Formteil vollständig ausgeformt und erstarrt, wird der Spritzdruck zurückgenommen und der Formmassezustrom über den Verteilerblock 9 u Verbrochen. Durch gegenläufigen Betrieb der Bewegungselemonte 6 wird die Form nach Öffnung entleert und mit Hilfe des Abstreifers 11 das fertige Formteil entnommen.

Beispiel 2 Durch den Einsatz weiterer Bewegungselemente, die mit dem Abstreifer 11 und Teilen des Stempels 10 verbunden sind, lassen

sich mit dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Aufbau kontinuierlich rohr- und stangenförmige Formteile hersteilen.

Dazu wird, wie im Ausführungsboispiel 1 beschrieben, ein Urformteil erzeugt. Nach vollständiger Füllung der Form wird die im Bereich des Abstreifens 11 der Form erstarrte Formmasse über Bewegungselemente mit dem Abstreifer 11 und Teilen des Stempels 10 aus der Urform herausgeführt. Die Urform wird in diesem Fall in einer Ebene durch vollständig erstarrte Bereiche

des Formteiles selbst verschlossen. Sind die gewünschten Dimensionen am Formteil erreicht, wird der Spritzdruck zurückgenommen, der Formmassezustrom über den Verteilerblock unterbrochen und unter zusätzlicher Benutzung der

Bewegungselomente 6 die Urform entleert.

Claims (4)

1. Verfahren zur Formgebung von Bauteilen aus keramischen, thermoplastischen Formmassen durch Niederdruckwarmspritzen in einem spezifischen Druckbereich von 0,1 bis 5,0MPa unter Ausschluß von Volumenelementen, in denen gießfähige oder thermoplastisch verformbare Formmassen von unplastischen Formmassen vollständig umgeben werden und bei dem die organischen Bindemittel homogen, vorwiegend glasig-amorph erstarren, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nur soviel Formmasse kontinuierlich zugeführt wird, daß stets nur eine geringe Menge flüssiger Formmasse in Form eines Schichtfilms auf den Formteilen oder auf der bereits erstarrten Formmasse aufliegt, die Zuführung innerhalb beheizter Formteile erfolgt und das Formteil oder die erstarrte Formmasse während des gesamten Prozesses teilweise durch ein mit einem Ternperaturgradienten zum Schichtfilm beauflagtes Formwerkzeug umschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil oder die erstarrte Formmasse während des gesamten Prozesses ganz durch ein mit einem Temperaturgradienten zum Schichtfilm beauflagtes Formwerkzeug umschlossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Formteil mit variablen Koordinaten der Formgebungsprozeß alternierend erfolgt.

4. Vorrichtung zur Formgebung von Bauteilen aus keramischen, thermoplastischen Formmassen durch Niederdruckwarmspritzen in einem spezifischen Druckbereich von 0,1 bis 5,0MPa, dadurch gekennzeichnet, daß der Forminnenraum während des Formgebungsvorganges durch ein oder mehrere, die äußere Kontur des Formteiles teilweise begrenzende bewegliche, temperierte Teile, die Öffnungen für die Zuführung der gießfähigen, thermoplastischen Masse aufweisen, steuerbar veränderbar ist.