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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Formteilen.
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Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf das Gießen von Formteilen, d. h. auf die Gießereitechnik. Zum Gießen von Formstücken jedweder Art werden Gießereikerne und/oder -formen meist aus getrennten Teilen hergestellt, zusammengeführt und miteinander zu einer Gussform bzw. zu einem Kernpaket oder Formpaket verbunden. Diese Form-/Kernpakete werden dann zur Herstellung eines beispielsweise metallischen Werkstücks mit geschmolzenen Metall gefüllt, wobei in der Serienfertigung die mit geschmolzenem Metall zu füllenden Form-/Kernpakete hintereinander aufgereiht die Fertigungstrasse durchlaufen.
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Kern- und Maskenschießmaschinen zur Fertigung der miteinander zu verbindenden Kerne sind seit Jahrzehnten aus der Praxis bekannt. Lediglich beispielhaft wird hier auf die
DE 31 48 461 C1 verwiesen, die eine Kern- und Maskenschießmaschine offenbart.
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Bislang werden Formteile in einer Form gegossen, die wiederum aus Kernen bzw. einem Kernpaket besteht. Nach dem Schießen und Komplettieren der Form wird diese in eine weitere Form bzw. Umgebung aus Kernsand, d. h. in eine Art Stützform, eingebunden, um nämlich die erforderliche mechanische Stabilität gewährleisten zu können. Speziell bei Grauguss oder Stahlguss ist der statische Druck beim Gießen so hoch, dass ein Kernpaket alleine nicht ausreicht und die Vorkehrung der Stützform zwingend erforderlich ist. Bei der Stützform handelt es sich bislang um Grünsandformen, in die das Kernpaket eingelegt wird. Metallische Formen wurden bislang ebenfalls bereits verwendet, wobei solche metallischen Formen äußerst teuer sind und obendrein schnell verschleißen.
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Unabhängig von dem eigentlichen Gießen ist danach der das Form-/Kernpaket bildende Formsand von dem gegossenen Formteil zu entfernen. Aufgrund eines Bindemittels ist der Formsand auf besondere Weise zu entsorgen oder zu recyceln. Gleiches gilt für bislang verwendete Stützformen bzw. Grünsandformen, die ebenfalls mit Bindemittel versehen sind. Der mit dem Recyceln des Formsands und Grünsands verbundene Aufwand ist erheblich, zumal in teueren Aufbereitungsanlagen Zusätze wie Bentonit, etc. entfernt werden müssen.
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Hinzu kommt ein weiteres Problem in der Herstellung der Stützformen oder Grünsandformen, die nämlich auf sehr teueren Formanlagen hergestellt werden. Die Bereitstellung von Grünsandformen zum Stützen des Kernpakets ist daher unverhältnismäßig teuer.
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Aus
DE 68 04 817 U1 ist ein gattungsbildendes Verfahren zum Gießen von Formteilen bekannt. Dort wird eine Gussform, bestehend aus einer Formmaske, bereitgestellt, wobei die Formmaske in einer zu der Formmaske beabstandete Stützform positioniert wird. Der Raum zwischen der Formmaske und der Stützform wird mit einem rieselfähigen Schüttgut hinterfüllt. Danach wird die metallische Schmelze in die Gussform eingegossen. Das zur Stabilisierung verwendete rieselfähige Schüttgut ist magnetisierbar, so dass sich aufgrund der magnetischen Wirkung eine gewisse Formstabilität ergibt.
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Aus
US 6,463,991 B1 ist ein Verfahren zum Gießen von Formteilen bekannt, wobei dort das Kernpaket in einer Stützform positioniert wird. Der Raum zwischen dem Kernpaket und der Stützform wird mit einem rieselfähigen Schüttgut aus metallischen Partikeln gefüllt. Das Schüttgut dient zur Stabilisierung einerseits und zum Abführen von Wärme andererseits.
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Aus
US 3,554,271 A ist ebenfalls die Verwendung einer Stützform bekannt, wobei dort der Raum zwischen der Gießform und der Stützform mit Sand hinterfüllt wird. Zur Stabilisierung kann das rieselfähige Schüttgut ein Bindemittel enthalten, so dass nach dem Einfüllen des Schüttguts eine Verklebung zur Herbeiführung einer gewissen Formstabilität erfolgt.
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GB 2 230 720 A beschäftigt sich mit der Aufhebung der Bindekräfte des Bindemittels im Formsand nach dem Gießen, wobei die Bindekräfte durch Temperierung in einem separaten Ofen zerstört werden. Dies ist energieintensiv.
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DE 2 164 698 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung sandfreier Schmiedeblöcke, wobei es insbesondere darum geht, die Blöcke unter Hemmung der Wärmeabfuhr zu gießen. Dadurch soll ein besseres Seigerungsbild erzielt werden.
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EP 0 890 400 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung metallischer Gießlinge, wobei die Gießform gesteuert kühlbar ist. Dem Gießgut und der Gießform werden aktiv Wärme entzogen.
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DE 33 05 839 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Gussstücks, wobei zur Abdichtung gegenüber dem Atmosphärendruck die Form an eine Unterdruckquelle angeschlossen wird. Während des Gießvorgangs steht die Form unter einem zumindest geringfügigen Unterdruck zur Gewährleistung eines hinreichend guten Gusses.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, insbesondere auch bei Grauguss oder Stahlguss den zu betreibenden Aufwand bei reproduzierbarem Ergebnis zu verringern, insbesondere in Bezug auf das Recycling der verwendeten Materialien.
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Die voranstehende Aufgabe ist durch ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:
- – Bereitstellen der Gussform, bestehend aus zu einem Kernpaket komplettierten Kernen aus Formsand und organischem Bindemittel,
- – Positionieren des Kernpakets in eine zu dem Kernpaket beabstandete Stützform,
- – Hinterfüllen des Raumes zwischen dem Kernpaket und der Stützform mit einem rieselfähigen Schüttgut,
- – Gießen der metallischen Schmelze in die Gussform, wobei die Stützform zur thermischen Isolation der Gussform nach dem Gießen und zur bewussten Nutzung der Prozesswärme innerhalb der Isolation zur kontrollierten Behandlung des gegossenen Formteils und des das Kernpaket bildenden Formmaterials genutzt wird, wobei die Prozesswärme zum Verbrennen des organischen Bindemittels im Formsand dient und wobei während der in-situ-Wärmebehandlung des gegossenen Formteils und des Kernpakets das beim Verbrennen des Bindemittels entstehende Gas innerhalb der thermischen Isolation zurückgehalten und am Ende des Isolationsvorgangs abgesaugt wird.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass man die bislang aus Grünsand bestehende Stützform zwar benötigt, jedoch die einerseits mit der Herstellung und andererseits mit dem Recyceln verbundenen Kosten, d. h. die Produktionskosten insgesamt, ganz erheblich reduzieren kann. Dazu ist nach wie vor eine Stützform vorgesehen, die jedoch zu dem Kernpaket – bewusst – beabstandet ist. So lässt sich die Stützform beispielsweise aus Platten unterschiedlicher temperaturbeständiger Materialien generieren, nämlich nach dem Baukastenprinzip. Zum Zusammenhalt könnten die Einzelteile ineinander stellbar, verrastbar oder sonst wie aneinander befestigbar sein. Wesentlich ist dabei, dass zwischen der eigentlichen Gussform, d. h. dem Kernpaket, und der Stützform ein Raum verbleibt. Dieser Raum zwischen dem Kernpaket und der Stützform wird mit einem rieselfähigen Schüttgut hinterfüllt. Dieses Schüttgut definiert allseitig um das Kernpaket herum einen isostatischen Druck, so dass aufgrund dieses Drucks das Kernpaket dem beim Gießen mit Metallschmelze entstehenden, nach außen gerichteten Druck widerstehen kann. Mit Hilfe des Schüttguts ist jedenfalls gewährleistet, dass das Kernpaket dem beim Gießen entstehenden Druck standhält und es ist obendrein gewährleistet, dass durch etwaige Fugen, Risse oder dergleichen hindurch keine Schmelze nach außen dringt. Mit einfachen Mitteln ist unter Zugrundelegung eines isostatischen Drucks gewährleistet, dass die metallische Schmelze in die Gussform gegossen werden kann, ohne die Formbeständigkeit des Kernpakets zu gefährden.
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In besonders vorteilhafter Weise handelt es sich bei dem Schüttgut im Wesentlichen um das gleiche Material wie das Formmaterial zur Kernherstellung, und zwar vorzugsweise ohne jedwede Zusätze. Bestehen die Kerne aus Formsand mit Bindemittel, kann als Schüttgut der gleiche Formsand, vorzugsweise ohne Bindemittel, verwendet werden. Ebenso könnte das Schüttgut im Wesentlichen die gleiche Körnung wie das Formmaterial aufweisen, so dass sich der Formsand gemeinsam mit dem Schüttgut – nach dem Recyceln des Formsandes – bei identischer Körnung wiederverwenden lässt.
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Im Konkreten könnte als Schüttgut reiner Sand, vorzugsweise sog. Trockensand ohne Zusätze, verwendet werden, der bei der Weiterverarbeitung mit dem Formsand keine Probleme verursacht. Dies gilt insbesondere bei identischer oder nahezu identischer Körnung. Als Schüttgut eignet sich Quarzsand besonders.
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Das Hinterfüllen im Raum zwischen dem Kernpaket und der Stützform lässt sich mittels Trichter oder geeigneter technischer Hilfsmittel durch bloßes Hineinschütten des Schüttguts zum Erhalt einer Schüttdichte realisieren. Aus dem Gewicht des Schüttguts resultiert ein auf das Kernpaket wirkender isostatischer Druck, der dem beim Gießen mit Metallschmelze auftretenden, nach außen gerichteten Druck zum Erhalt der Form entgegenwirkt. Die einzelnen Kerne des Kernpakets werden somit sicher zusammenhalten.
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Sofern die durch Hineinschütten erreichte Schüttdichte des Schüttguts nicht ausreicht, kann das Hinterfüllen durch Hineinblasen des Schüttguts erfolgen. Dadurch lässt sich eine Dichte des Schüttguts erreichen, die über der Schüttdichte liegt. Des Weiteren ist es denkbar, nach Hineinschütten des Schüttguts dieses mittels Druckluft nachzuverdichten.
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Eine weitere Verdichtung des Schüttguts, vorzugsweise bis hin zum Erhalt der Klopfdichte, lässt sich dann erreichen, wenn das Hinterfüllen mittels Schüttgut durch Vibration unterstützt wird. Die Vibration lässt sich mittels Ultraschall induzieren, wobei dazu die gesamte Stützform oder ein darin befindliches oder in die Stützform hinein verbringbares Funktionselement als Resonator dient. Wesentlich ist jedenfalls, dass vorzugsweise durch Ultraschall induzierte Vibration die Verdichtung des Schüttguts begünstigt.
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Ebenso ist es denkbar, dass zur weiteren Verdichtung des Schützguts mechanisch nachverdichtet wird, indem nämlich das Schüttgut mit mechanischer Gerätschaft in die Form gedrückt oder gar gepresst wird. Eine punktuelle oder zonale Nachverdichtung mittels dazu dienender Stempel oder dergleichen ist denkbar.
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Die Stützform wird zur thermischen Isolation der Gussform nach dem Gießen und zur bewussten Nutzung der Prozesswärme innerhalb der Isolation zur kontrollierten Behandlung des gegossenen Formteils und des das Kernpaket bildenden Formmaterials genutzt.
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Im Konkreten dient die Prozesswärme zum Verbrennen des organischen Bindemittels im Formsand, so dass besondere Recyclingmaßnahmen danach nicht mehr erforderlich sind. Eine besondere Entsorgung des Formsandes als Sondermüll ist dann ebenfalls nicht mehr erforderlich, sollte man den Formsand nicht weiter verwenden wollen.
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Ebenso lässt sich die Prozesswärme zur Temperaturbehandlung des gegossenen Formteils verwenden.
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In ganz besonders vorteilhafter Weise könnte das Formteil geregelt abgekühlt werden, wobei einer thermischen Isolation durch die Stützform nebst Hinterfüllung eine ganz besondere Bedeutung zukommt.
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Ganz besondere Bedeutung kommt einem weiteren Merkmal zu, wonach es nämlich von Vorteil ist, wenn zur Bildung des Kernpakets einzelne Kerne verwendet werden, die als Hohlkörper ausgebildet sind. Dies hat den enormen Vorteil, dass die Masse des Kernsandmaterials möglichst gering gehalten ist, so dass die in Form von Wärme vorliegende Energie innerhalb des Gesamtsystems weitestgehend zur Behandlung des gegossenen Formteils und/oder des Kernpakets, so bspw. zum Verbrennen des Bindemittels, genutzt werden kann.
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Die beim Verbrennen des Bindemittels entstehenden Rauchgase werden innerhalb der Vorrichtung zur Wärmeisolation zurückgehalten. Sie lassen sich am Ende des Isolationsvorganges absaugen. Das konzentrierte Vorliegen der Schadgase erleichtert ganz erheblich ihre Entsorgung bzw. Vernichtung, wodurch sich das Verfahren ganz erheblich vereinfacht.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
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die einzige Fig. in einer schematischen Ansicht die zum Stand der Technik gehörende Anordnung eines Kernpakets mit beabstandeter Stützform und mittels Schüttgut hinterfülltem Raum zwischen dem Kernpaket und der Stützform.
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Die einzige Fig. zeigt zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine bekannte Anordnung, in welcher die als Kernpaket 1 zu verstehende Gussform 2 zum Eingießen der Schmelze bereitgestellt wird. Das Kernpaket 1 umfasst mehrere einzelne Kerne, die gemeinsam zu dem Kernpaket 1 komplettiert sind. Das Kernpaket 1 bildet die Gussform 2.
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Die einzige Fig. lässt des Weiteren erkennen, dass das Kernpaket 1 in einer Stützform 3 positioniert ist, die wiederum aus einzelnen Formteilen 4 rahmenartig zusammengesetzt ist. Zwischen der Stützform 3 und dem Kernpaket 1 ist ein Raum gebildet, der durch ein rieselfähiges Schüttgut 5 hinterfüllt ist und somit zwischen der Stützform 3 und dem Kernpaket 1 einen durch das Gewicht definierten isostatischen Druck aufbaut. In diesem Zustand wird die metallische Schmelze in die Gussform bzw. in das Kernpaket 1 gegossen und ist sichergestellt, dass das Kernpaket 1 formstabil dem beim Gießen entstehenden Innendruck standhält.
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Bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel lassen sich die Formteile 4 der Stützform 3 mehrfach verwenden. Die Abstützung der Gussform 2 bzw. des Kernpakets 1 erfolgt über das Schüttgut 5, bei dem es sich im Konkreten um sog. Trockensand ohne jedwede Zusätze handelt. Als Trockensand kommt Quarzsand in Frage, und zwar vorzugsweise mit der gleichen Körnung wie das Formmaterial der einzelnen Kerne bzw. des Kernpakets 1.
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Des Weiteren sei an dieser Stelle noch einmal angemerkt, dass das Schüttgut 5 beispielsweise mittels Vibration über die Schüttdichte hinaus verdichtet werden kann, um den isostatischen Druck gegenüber dem Kernpaket 1 zu erhöhen. Hinsichtlich weiterer Maßnahmen zur Verdichtung des Schüttguts 5 sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
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Des Weiteren dient die Stützform 3 nebst Schüttgut 5 zur thermischen Isolation der Gussform 2 und lässt sich daher nach dem Gießen zur bewussten Nutzung der Prozesswärme innerhalb der Gussform bzw. Isolation und somit zur kontrollierten Behandlung des gegossenen Formteils und/oder des das Kernpaket bildenden Formmaterials verwenden. Hinsichtlich diesbezüglicher Vorteile und konkreter Ausgestaltungen sei ebenfalls auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kernpaket
- 2
- Gussform
- 3
- Stützform
- 4
- Formteile der Stützform
- 5
- Schüttgut
