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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von Gießformen.
Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung von Schalenformen
durch Aufbringen einer oder mehrerer Schichten auf ein vorher angefertigtes
Modell.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
Gießverfahren
wie beispielsweise dem Feingießen
(auch Investment Casting genannt) werden oftmals keramische Schalenformen
eingesetzt. Diese Schalenformen entstehen durch das Aufbringen von
einer oder mehreren Schichten auf ein Modell des späteren Gussteils.
Die einzelnen, auf das Modell aufgebrachten Schichten enthalten
einen Schlicker sowie ein auf den Schlicker aufgebrachtes, in der
Regel körniges
Material wie Sand. Bei der ersten auf das Modell aufgebrachten Schicht
kann auf die Zugabe des körnigen
Materials auch verzichtet werden. Im Anschluss an das Aufbringen
einer Schicht wird diese getrocknet, bevor die nächste Schicht aufgebracht oder – nach Trocknen
der letzten Schicht – das
Modell entfernt werden kann. Durch das sukzessive Aufbringen der
einzelnen Schichten entsteht allmählich eine das Modell umgebende
Schale.
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Nachdem
die letzte Schicht aufgebracht wurde, wird das Modell aus der Schale
entfernt und die Schale anschließend gebrannt. Das Entfernen
des Modells aus der Schale kann auf unterschiedliche Art und Weise geschehen.
Handelt es sich beispielsweise um ein Modell aus Wachs, wird dieses
durch Ausschmelzen entfernt. Ist das Modell hingegen aus einem thermoplastischen
Kunststoff gefertigt, muss der Kunststoff aus der Schale ausgebrannt
werden.
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Das
Trocknen der einzelnen, auf das Modell aufgebrachten Schichten erfolgt
herkömmlicherweise
bei Raumtemperatur, wobei darauf geachtet wird, dass das in einer
neu aufgebrachten Schicht enthaltene Wasser zügig, aber nicht spontan entfernt
wird. Meistens erfolgt die Trocknung bei ungefähr 21 bis 23° C und bei
einer relativen Luftfeuchtigkeit von mehr als ungefähr 40 %.
Zur Verkürzung
des Trocknungs vorganges wird empfohlen, die jeweils zu trocknende
Schicht einer Luftströmung
auszusetzen. Die Luftströmung
unterstützt
den Abtransport der abdunstenden Feuchtigkeit.
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Nachteilig
bei den herkömmlichen
Trocknungsverfahren ist die vergleichsweise lange Trocknungsdauer
von üblicherweise
drei bis mehr als zehn Stunden pro Schicht. Ursache hierfür ist auch
das geringe Diffusionsgefälle
innerhalb der zuletzt aufgebrachten Schicht. Selbst bei stark verlängerter
Trocknungsdauer lässt sich
die Restfeuchtigkeit in den aufgebrachten Schichten nicht beliebig
reduzieren. Besonders in den tieferen Zonen der zuletzt aufgebrachten
Schicht neigt die verbleibende Feuchtigkeit eher dazu, in die angrenzende, vermeintlich
abgetrocknete Schicht zurück
zu diffundieren als abzudunsten.
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Aus
den genannten Gründen
ist auch nach dem letzten Trocknungsvorgang stets eine gewisse Restfeuchtigkeit
in der Schale enthalten. Diese Restfeuchtigkeit erschwert und beeinträchtigt die
angestrebte irreversible Bindung der im Schlicker enthaltenen Kolloide.
Zudem kann bei nur reversiblen Kolloidbindungungen Feuchtigkeit
(z.B. aus der Umgebungsluft), die nach Abschluss des Trocknungsvorgangs
einwirkt, den Verbund des Schalenaufbaus durch Lösen der reversiblen Bindungen
stören.
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Bei
unzureichender irreversibler Kolloidbindung besteht beim Ausschmelzen
oder beim Ausbrennen des Modells die Gefahr, dass das Material des
Modells aufgrund seiner wärmeinduzierten
Ausdehnung die Schale sprengt. Diese Gefahr ist umso stärker, je
weniger die irreversible Kolloidbindung abgeschlossen ist. Zwar
lässt sich
diese Gefahr dadurch reduzieren, dass die Schalenform einem Temperaturschock
(beispielsweise in einem Hochdruck-Dampfautoklaven) unterzogen wird.
Der hierbei eingesetzte Wasserdampf bewirkt jedoch erneut eine Durchfeuchtung
der Schalenform mit entsprechend negative Auswirkungen auf deren
Festigkeit.
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Zur
Unterstützung
des Trocknungsvorgangs wird in der
GB 2 350 810 A vorgeschlagen, dem Schlicker wasserunlösliche organische
Fasern beizumischen. Das Beimischen organischer Fasern wirkt sich
positiv auf die Trocknungsdauer aus und gestattet zudem eine Reduzierung
der Restfeuchtigkeit. Ursache für
diese positiven Auswirkungen ist die Kapillarwirkung der beigemischten
Fasern, welche den Abtransport und das Abdunsten der Feuchtigkeit
unterstützt.
Darüber
hinaus bewirkt der Faserverbund einen gleichmäßigeren Schichtaufbau und gestattet
eine Erhöhung
der Schichtdicke.
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Trotz
der positiven Auswirkungen des Beimischens von organischen Fasern
ist die Trocknungsdauer einer einzelnen Schichten oftmals noch zu
lang. Dies führt
insbesondere bei mehrschichtigen Schalen dazu, dass es fast unmöglich ist,
an einem einzigen Tag eine gießfertige
Schalenform herzustellen. Dies mag bei industriellen Anwendungen,
bei denen kontinuierlich Schalenformen hergestellt werden, akzeptabel
sein, eine Vielzahl anderer Anwendungen wie die Herstellung von
Prototypen lassen es jedoch wünschenswert
erscheinen, die Herstellungsdauer einer einzelnen Schalenform zu
reduzieren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System
zum schnelleren Herstellen einer Schalenform anzugeben.
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Kurzer Abriss
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zum Herstellen einer Schalenform (insbesondere für das Feingießen) zur
Verfügung
gestellt, das die Schritte des Bereitstellens eines Modells, des
Ausbildens einer das Modell umgebenden Schale durch Aufbringen wenigstens
einer wässrigen
Schicht auf das Modell und durch schichtweises Durchführen wenigstens
eines Trocknungsvorganges und des Entfernens des Modells aus der Schale
umfasst, wobei der Trocknungsvorgang oberhalb einer Temperatur von
25° C und
unterstützt
durch Infrarotlicht-Bestrahlung durchgeführt wird.
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Bei
der auf das Modell aufgebrachten Schicht kann es sich um eine Schicht
handeln, die einen feuerfesten Schlicker beinhaltet. Die Schicht
kann ferner ein feuerfestes körniges
Material enthalten. Gemäß einer bevorzugten
Variante der Erfindung enthält
jedoch zumindest die erste, unmittelbar auf das Modell aufgebrachte
Schicht kein körniges
Material. Der Schlicker kann ein feuerfestes, flüssiges Bindemittel wie beispielsweise ein
wässriges
Kieselsol enthalten. Ferner kann der Schlicker ein feuerfestes Mehl
umfassen.
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Gemäß einer
ersten Variante der Erfindung wird bei einem mehrschichtigen Schalenaufbau
jede einzelne Schicht einem erfindungsgemäßen Trocknungsvorgang unterzogen.
Gemäß einer
zweiten Variante der Erfindung werden einzelne Schichten entweder
nicht (oder jedenfalls nicht vollständig) getrocknet oder aber bei
einer Temperatur von 25° C
oder darunter und/oder ohne Infrarotlicht-Bestrahlung getrocknet.
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Der
Trocknungsvorgang einer einzelnen Schicht kann bei einer im Wesentlichen
konstanten Temperatur oder bei einer veränderlichen Temperatur ablaufen.
Der Trocknungsvorgang kann bei einer Temperatur oberhalb 28° C oder oberhalb
30° C und
zweckmäßigerweise
in einem Temperaturbereich bis ungefähr 45° C durchgeführt werden. Bevorzugt ist ein
Temperaturbereich von ungefähr
36° C bis
ungefähr
42° C.
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Werden
mehrere Schichten auf das Modell aufgebracht, kann sich die (maximale)
Trocknungstemperatur von Schicht zu Schicht ändern. So kann sich die maximale
Trocknungstemperatur von Schicht zu Schicht im Wesentlichen erhöhen. Aufgrund
der mit dem Abdunsten der Feuchtigkeit einhergehenden Abkühlung ist es
möglich,
die maximale Trocknungstemperatur (Umgebungstemperatur) während des
Trocknungsvorganges oberhalb einer Temperatur zu wählen, bei
der das Modell seine Formstabilität verlieren könnte. So
kann die maximale Trocknungstemperatur mindestens ungefähr 5° C (vorzugsweise
wenigstens ungefähr
8° C oder 10° C) oberhalb
der Temperatur liegen, bei der eine Minderung der Stabilität des Modells
einsetzen könnte.
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Während des
Trocknungsvorgangs kann eine Relativdrehung zwischen dem beschichteten
Modell und wenigstens einer Infrarotlichtquelle erfolgen. Diese
Relativdrehung geschieht beispielsweise bei einer Geschwindigkeit
zwischen 0,5 und 8 U/min, vorzugsweise zwischen 1,5 und 4 U/min.
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Des
Weiteren kann der Trocknungsvorgang durch eine Strömung eines
gasförmigen
Mediums wie Luft unterstützt
werden. Die Strömungsgeschwindigkeit
des gasförmigen
Mediums beträgt
beispielsweise ungefähr 0,5
bis ungefähr
8 m/s und vorzugsweise zwischen ungefähr 1 und ungefähr 5 m/s.
Der Trocknungsvorgang kann ferner dadurch unterstützt werden,
dass die Umgebungsfeuchtigkeit weniger als 35 % oder weniger als 30
% beträgt.
Gemäß einer
bevorzugten Variante der Erfindung beträgt die Raumfeuchtigkeit weniger
als ungefähr
20 % oder weniger als ungefähr
10 %.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gestattet eine Verkürzung
der Trocknungsdauer. So kann der Trocknungsvorgang für eine einzelne
Schicht weniger als eine Stunde, vorzugsweise ungefähr 25 bis
45 min betragen. Werden auf das Modell drei oder mehr Schichten
aufgebracht, lässt
sich die Trocknungsdauer für
wenigstens einige der nach der ersten Schicht aufgebrachten Schichten
variieren. So kann die Trocknungsdauer der zweiten und/oder der
dritten Schicht und/oder der vierten Schicht länger gewählt werden als die Trocknungsdauer
der anderen Schichten und insbesondere der darauffolgenden Schichten.
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Die
Trocknungsdauer kann in Abhängigkeit
von einem angestrebten Trocknungsgrad eingestellt werden. Gemäß einer
ersten Variante werden auf das Modell mehrere Schichten aufgebracht
und der einzelne Trocknungsvorgang jeweils solange durchgeführt, bis
eine vollständige
Trocknung der zuletzt aufgebrachten Schicht erzielt wurde. Von einer
vollständigen
Trocknung kann beispielsweise dann ausgegangen werden, wenn die
Restfeuchtigkeit einer Schicht weniger als ungefähr 60 % und vorzugsweise zwischen
ungefähr
55 und ungefähr
40 % beträgt.
Gemäß einer
zweiten Variante werden einzelne, mehrere oder sämtliche Schichten nur teilweise
getrocknet.
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Das
zur Schalenherstellung verwendete Modell kann aus unterschiedlichen
Materialien (z.B. aus Wachs oder aus einem thermoplastischen Kunststoff
wie ABS) bestehen. Bei einem Wachsmodell kann das Ausschmelzen aus
der getrockneten Schale bei einer Temperatur von mehr als ungefähr 140°, vorzugsweise bei
ungefähr
150°, erfolgen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich für
eine Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen. So ist das Verfahren
aufgrund der kurzen Trocknungsdauer beispielsweise für die Prototypen-Herstellung
mittels Feingießens
(also für
die Herstellung einzelner oder weniger Gussteile) besonders geeignet.
Das Verfahren eignet sich jedoch auch für industrielle Batch-Prozesse
(z.B. unter Verwendung einer als Kettenförderer ausgebildeten Transportvorrichtung).
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Neben
dem bereits erläuterten
Verfahren umfasst die Erfindung auch ein System zum Herstellen einer Schalenform.
Das System beinhaltet eine Beschlickerungsvorrichtung zum Aufbringen
einer Schlickerschicht auf ein Modell sowie eine Trocknungsvorrichtung
zum Trocknen der auf das Modell aufgebrachten Schlickerschicht,
wobei die Trocknungsvorrichtung eine Trocknungskammer und wenigstens
eine in der Trocknungskammer angeordnete Infrarotlichtquelle umfasst,
wobei in der Trocknungskammer eine Temperatur von mehr als 25° C einstellbar
ist. Zum Einstellen der Trocknungstemperatur kann eine geeignete
Regel- oder Steuereinrichtung vorhanden sein, welche das Einhalten
der gewünschten
Trocknungstemperatur oder des gewünschten Trocknungstemperaturverlaufs
sowie der weiteren Trocknungstemperatur (z.B. programmgesteuert)
gewährleistet.
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Die
zum Erzielen der Trocknungstemperatur erforderliche Wärmeenergie
kann von der Infrarotlichtquelle geliefert werden. In diesem Fall
kann die Infrarotlichtquelle als Heizeinrichtung für das Trocknungsgas (z.B.
Luft) fungieren. Zum Einstellen der gewünschten Trocknungstemperatur
kann die Energieaufnahme der Infrarotlichtquelle in geeigneter Weise
kontrolliert werden. Zusätzlich
oder alternativ hierzu ist es denkbar, eine separate Kühleinrichtung
vorzusehen. Die Kühleinrichtung
kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass sie die Zufuhr
eines kühlenden
Gases in die Trocknungskammer ermöglicht. Auch wäre es denkbar,
separat zur Infrarotlichtquelle eine zusätzliche Heizeinrichtung vorzusehen.
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Das
System kann eine Einrichtung zum Drehen des beschichteten Modells
bezüglich
der wenigstens einen Infrarotlichtquelle umfassen. Eine solche Relativdrehung
zwischen beschichtetem Modell und der Infrarotlichtquelle gewährleistet
eine gleichmäßigere Oberflächenerwärmung und
verbessert daher die Schichtqualität. Ferner kann eine Besandungsvorrichtung
zum Besanden der auf das Modell aufgebrachten Schlickerschicht vorhanden
sein. Die Besandungsvorrichtung ist ausgebildet, um körniges Material
(nicht notwendigerweise Sand) auf an und für sich bekannte Weise auf die
Schlickerschicht aufzubringen.
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Zur
Automatisierung der Schalenform-Herstellung kann eine Transportvorrichtung,
die das Modell zwischen der Beschlickerungsvorrichtung und der Trocknungsvorrichtung
(bei mehrschichtigem Aufbau hin- und her) bewegt, vorgesehen sein.
Die Transportvorrichtung kann ferner einen Transport des Modells
zur bzw. von der Besandungsvorrichtung gewährleisten. Zweckmäßigerweise
ist die Transportrichtung derart gewählt, dass die Beschlickerungsvorrichtung
vor der Besandungsvorrichtung und die Besandungsvorrichtung vor
der Trocknungsvorrichtung liegt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie aus den Figuren. Es zeigt:
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1 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Systems zum Herstellen
einer Schalenform;
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2 eine
Aufsicht auf das System gemäß 1;
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3 eine
Seitenansicht der Trocknungsvorrichtung des in den 1 und 2 dargestellten
Systems;
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4 eine
Frontalansicht der Trocknungsvorrichtung gemäß 3;
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5 eine
Aufsicht auf die Trocknungsvorrichtung gemäß 3.;
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6 ein Protokoll eines Biegeversuchs bei
einer auf erfindungsgemäße Weise
getrockneten Keramikplatte; und
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7 ein Protokoll eines Biegeversuchs bei
einer auf konventionelle Weise getrockneten Keramikplatte.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
wird zunächst
unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 ein erfindungsgemäßes System 10 zum
Herstellen von Schalenformen erläutert.
Im Anschluss daran wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand verschiedener
Beispiele erklärt
und einem Vergleichsbeispiel gegenübergestellt.
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Die 1 und 2 zeigen
schematisch das erfindungsgemäße System 10 zum
automatisierten Herstellen von Schalenformen. Das System 10 gestattet
das Durchführen
der maßgeblichen
Verfahrensschritte Beschlickerung, Besandung und Trocknung. Zu diesem
Zweck sind eine Besandungsvorrichtung 12, eine Beschlickerungsvorrichtung 14 und
eine "Trocknungsvorrichtung 16 vorgesehen.
Ferner umfasst das System 10 eine Transportvorrichtung 18 für ein Modell 20.
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Für die Funktionsweise
des Systems 10 spielt es keine Rolle, ob das Modell 20 noch
unbeschichtet ist oder aber bereits mit einer oder mehreren Schichten
versehen ist. Zu Veranschaulichungszwecken ist das Modell 20 in 1 gleichzeitig
in vier verschiedenen Prozesszuständen dargestellt, nämlich innerhalb
der Besandungsvorrichtung 20, innerhalb der Beschlickerungsvorrichtung 14,
innerhalb der Trocknungsvorrichtung 16 sowie in einem Transportzustand.
Bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb
des Systems 10 wird sich das Modell 20 lediglich
in einem dieser vier in 1 dargestellten Zustände befinden.
Das System 10 ist nämlich
zur raschen Prototypen-Fertigung
ausgelegt, und nicht für
industrielle Batch-Prozesse. Gleichwohl ließe sich das System 10 durch
mehrfaches Vorsehen der einzelnen Vorrichtungen 12, 14 und 16 sowie
entsprechende Umgestaltung der Transportvorrichtung 18 (z.B.
als Kettenförderer)
auch für
Batch-Prozesse konfigurieren.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Besandungsvorrichtung 12 als
Sandtrommel ausgebildet, in der Sand oder ein anderes körniges Material
auf das mit einer Schlickerschicht versehene, rotierende Modell 20 gestreut
wird. Bei der Beschlickerungsvorrichtung 14 handelt es
sich im Ausführungsbeispiel
um ein Schlickerfass, das mit einem geeigneten Schlicker gefüllt ist.
Das Modell 20 kann mittels der Transportvorrichtung 18 in
das Schlickerfass 14 eingetaucht und darin gedreht werden.
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Ein
von der Transportvorrichtung 18 aufgenommenes Modell 20 kann
wahlweise dem Schlickerfass 14, der Sandtrommel 12 oder
der Trocknungsvorrichtung 16 zugeführt werden. Die Transportvorrichtung 18 selbst
umfasst einen entlang einer x-Achse und y-Achse beweglichen Aufnahmekopf 22 für das Modell 20.
Der Aufnahmekopf 22 ist um zwei senkrecht zueinander verlaufende
Achsen, wie in 1 durch die Pfeile 24, 26 angedeutet,
drehbar.
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Bei
bestimmungsgemäßem Gebrauch
des Systems 10 wird das Modell 20 zunächst in
das Schlickerfass 14 getaucht und das beschlickerte Modell 20 danach
entweder unmittelbar in der Trocknungsvorrichtung 16 getrocknet
(insbesondere wenn es sich um die erste Schlickerlage handelt) oder
aber zuerst in der Sandtrommel 12 besandet und erst anschließend in
die Trocknungsvorrichtung 16 überführt.
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Die
Trocknungsvorrichtung 16 ist in den 3 bis 5 in
verschiedenen Ansichten dargestellt. Wie sich aus diesen Fign. ergibt,
umfasst die Trocknungsvorrichtung 16 eine Trocknungskammer 30.
In der Trocknungskammer 30 sind eine Vielzahl von in mehreren
gegenüberliegenden
Reihen angeordneten Ventilatoren 32 sowie mehrere Infrarotlichtquellen 34 angeordnet.
Die Ventilatoren 32 bewirken eine Luftumwälzung und führen zu
einer den Trocknungsvorgang unterstützenden Luftströmung. In 4 ist
deutlich zu erkennen, dass die Ventilatoren die Luft tangential
bezüglich
eines imaginären,
zylindrischen Körpers 36 beschleunigen.
Die von den Infrarotlichtquellen 34 erzeugte Wärmeenergie
führt zu
einer Erwärmung
der in der Trocknungskammer 30 zirkulierenden Luft. Die
Infrarotlichtquellen 34 fungieren daher als Heizeinrichtungen.
Zur gleichmäßigen Oberflächenerwärmung des
beschichteten Modells 20 durch die Infrarotlichtquellen 34 wird
das Modell 20 innerhalb der Trocknungskammer 30 fortlaufend
gedreht.
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Die
Trocknungsvorrichtung 16 umfasst ferner ein Klimagerät 38 zur
Ansaugluftkühlung.
Das Klimagerät 38 gibt
warme Abluft ab und führt
einem Lufttrockner 40 Kühlluft
zu. Dieser Sachverhalt ist durch zwei Pfeile verdeutlicht. Der auf
einem Absorptionstrocknungsprinzip basierende Lufttrockner 40 führt trockene
Zuluft in die Trocknungskammer 30 ein und gibt feuchte
Abluft an die Umgebung ab. Auch dieser Sachverhalt ist durch zwei
Pfeile angedeutet. Wie 5 zu entnehmen ist bildet sich
innerhalb der Trocknungskammer 30 ein Hauptkreislauf 46 aus,
der im Wesentlichen auf die durch die Ventilatoren 32 bewirkte
ständige
Luftumwälzung zurückzuführen ist.
Ferner kommt es zu einem Nebenkreislauf 48, welcher den
Lufttrockner 40 umfasst. In einer Mischkammer 50 kommt
es zu einer Durchmischung des Hauptkreislaufes 46 und des
Nebenkreislaufes 48. Diese Durchmischung gewährleistet
eine Feuchtigkeitsreduzierung der Luft im Hauptkreislauf 46,
da feuchte Luft aus dem Hauptkreislauf 46 in den Nebenkreislauf 48 und
von dort in den Lufttrockner 40 gelangt. Ferner bewirkt
die Durchmischung eine Abkühlung
der Luft im Hauptkreislauf 46, da dem Lufttrockner 40 vom
Klimagerät 38 fortlaufend
gekühlte
Luft zugeführt
wird, die der Lufttrockner 40 in den Nebenkreislauf 48 einspeist.
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Das
Klimagerät 38 wird
derart angesteuert, dass sich in der Trocknungskammer 30 die
gewünschte Trocknungstemperatur
einstellt. Das Klimagerät 38 wirkt
daher der auf die Infrarotlichtquellen 34 zurückgehenden
Erwärmung
der Trocknungsluft entgegen. Erforderlichenfalls kann zusätzlich zu
den Infrarotlichtquellen 34 eine separate Heizeinrichtung
vorgesehen werden (beispielsweise könnte das Klimagerät 38 auch
konfiguriert sein, um dem Lufttrockner 40 Warmluft zuzuführen). Auch
kann das Klimagerät 38 abweichend
von den 3 bis 5 (zusätzlich oder
ausschließlich)
mit der Mischkammer 50 kommunizieren. Das Klimagerät 38 (und
in gewissem Umfang der Lufttrockner 40) gestattet somit
eine Einstellung einer gewünschten
Trocknungstemperatur. Zu diesem Zweck können das Klimagerät 38 und
der Lufttrockner 40 mit einem geeigneten Steuer- oder Regelgerät (nicht
dargestellt) gekoppelt sein, das programmgesteuert Einfluss auf
die in der Trocknungskammer 30 herrschenden Trocknungsparameter
nimmt.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die in den 3 bis 5 dargestellten
Anordnungen der Ventilatoren 32 und der Infrarotlichtquellen 34 nur
beispielhaft sind. So wäre
es insbesondere denkbar, die neben der Lufterwärmung auch der Oberflächenerwärmung dienenden
Infrarotquellen 34 auf zusätzlichen Seiten des Modells 20 anzuordnen.
Beispielsweise können
die Infrarotlichtquellen 34 in (zwei oder mehr) sich bezüglich des
Modells 20 gegenüberliegenden
Reihen angeordnet werden, so dass sie die Infrarotstrahlung im Wesentlichen
senkrecht auf das Modell 20 abgeben.
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Mittels
des unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschriebenen
Systems wurden unter Verwendung von Wachsmodellen verschiedene Proben
von Keramikformen hergestellt und getestet. Alle Proben wurden hergestellt
unter Verwendung eines Schlickers, der eine Bindersuspension aus
WEXCOAT der Firma Wex Chemicals, Greenford, London, England (mit
einem SiO2-Anteil von 24 %), einen Anteil
von 1 bis 5 % organischer Fasern von einer Länge von 1 mm und Molochite-Mehl
(-200 mesh) enthielt. Die Viskosität des Schlickers betrug zunächst 41
s (gemessen mit dem WEX-Becher-Verfahren).
Die Modelle wurden ungefähr
10 s in das Schlickerfass 14 eingetaucht und – abgesehen
von der ersten Schicht – anschließend in
der Sandtrommel 14 mit Molochite-Körnern (Durchmesser 0,3 bis
0,5 mm) besandet. Dann wurden die beschichteten Modelle schichtweise
einem durch Infrarotlicht-Bestrahlung unterstützten Trocknungsvorgang in
der Trocknungsvorrichtung 16 unterzogen.
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Das
verwendete Wachsmodell besaß eine
kubische Form, in der ein Sackloch mit einem Durchmesser von 20
mm und einer Tiefe von 20 mm ausgebildet war. Im Inneren dieses
Sacklochs wurden die in den nachfolgenden Tabellen aufgeführten Oberflächenwerte
für Temperatur
und Feuchte während
des Trocknungsvorgangs gemessen.
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Eine
erste Modelltraube wurde mit insgesamt sechs Schichten (oder – in getrocknetem
Zustand – Überzügen) versehen,
wobei die erste Schicht keiner Besandung unterzogen wurde. Jede
einzelne Schicht wurde in einem separaten Trocknungsvorgang vollständig getrocknet.
Die einzelnen Trocknungsvorgänge wurden
bei einer Strömungsgeschwindigkeit
von ungefähr
1,5 m/s bei konstanter Bestrahlung mit Infrarotlicht durchgeführt. Die
maximale Trocknungstemperatur hat sich von Schicht zu Schicht allmählich erhöht. Ein Trocknungsvorgang
wurde als abgeschlossen betrachtet, wenn die gemessene Restfeuchtigkeit
an der Oberfläche
weniger als ungefähr
55 % betrug. Während
des Trocknungsvorganges wurde die Probe mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit
von ungefähr
2,5 U/min bezüglich
der Infrarotlichtquellen gedreht. Die Luftfeuchtigkeit in der Trocknungskammer
wurde allmählich
reduziert. Es wurde darauf geachtet, dass die Luftfeuchtigkeit nach
Möglichkeit
stets weniger als ungefähr
20 % betrug und die Temperatur stets oberhalb ungefähr 30° C lag.
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Die
gesamte Prozesszeit sowie die individuellen Trocknungsparameter
und Oberflächenbedingungen pro
Schicht im Rahmen eines der anfänglichen
Versuche (mit noch vergleichsweise hoher Luftfeuchtigkeit in der
Trocknungskammer) lassen sich der folgenden Tabelle entnehmen. Die
Trocknungsparameter und Oberflächenbedingungen
wurden pro Trocknungsvorgang zwei bis fünf Mal gemessen.
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Wie
Tabelle 1 entnommen werden kann, betrug die gesamte Prozessierungszeit
aller sechs Schichten insgesamt 3 Stunden und 35 Minuten. Die reine
Trocknungszeit betrug ungefähr
3 Stunden und 15 Minuten. Die erste Schicht (ohne Sand) wurde 10
Minuten getrocknet, die zweite Schicht hatte nach ungefähr 20 Minuten
eine Oberflächen-Restfeuchtigkeit
von ungefähr
weniger als 55 % erreicht. Die entsprechende Trocknungsdauer für die dritte
Schicht betrug ungefähr
30 Minuten, für
die vierte Schicht ungefähr
58 Minuten, für die
fünfte
Schicht ungefähr
45 Minuten und für
die sechste Schicht ungefähr
30 Minuten.
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Der
Dickenaufbau der ersten Keramikformprobe ist der folgenden Tabelle
zu entnehmen:
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Gemäß dieser
Tabelle erfolgte bei der verwendeten Schlicker-/Besandungszusammensetzung
ein durchschnittlicher Schichtaufbau von 0,8 mm pro Überzug.
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Die
nachfolgende Tabelle zeigt die Trocknungsparameter und Oberflächenbedingungen
für eine
weitere Keramikformprobe mit sieben Überzügen. Die in der Trocknungskammer
herrschende Strömungsgeschwindigkeit
betrug ungefähr
1,5 bis 2,0 m/s.
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Die
beiden folgenden Tabellen zeigen entsprechende Messungen an zwei
identischen Keramikformproben mit jeweils acht Schichten und Trocknung
bei einer Strömungsgeschwindigkeit
zwischen 2 und 4 m/s. Die Viskosität des bei diesen Proben verwendeten
Schlickers betrug ungefähr
38 s.
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Unmittelbar
nach dem Aufbringen und Trocknen der letzten Schicht erfolgte bei
den erläuterten
Keramikform-Proben das Ausschmelzen des Wachsmodells. Ausgeschmolzen
wurde in einem auf 150° vorgeheizten
Wärmeschrank.
Nach jeweils 15 bis 20 Minuten war das Wachs vollständig ausgeschmolzen.
Ein optische Überprüfung ergab,
dass die in der Trocknungskammer hergestellten Proben ohne jegliche
Beschädigungen oder
Risse ausgeschmolzen werden konnten.
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Eine
parallel hierzu unter herkömmlichen
Trocknungsbedingungen hergestellte Keramikformprobe (siehe nachfolgende
Tabelle) wurde unter den gewählten
Ausschmelzbedingungen durch Risse vollständig zerstört. Die Vergleichsprobe wurde
auf die gleiche Weise wie die obigen Keramikformen durch mehrmaliges Beschlickern,
Besanden und Trocknen hergestellt. Allerdings erfolgte die Trocknung
bei herkömmlichen
Trocknungsbedingungen (es wurde keine Trocknungskammer verwendet)
und ohne Rotlicht-Bestrahlung, aber bei beschleunigter Umgebungsluft
(1,5 m/s).
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Wie
sich aus der obigen Tabelle ergibt, sind die Trocknungsdauern bei
der Vergleichsprobe deutlich länger
als bei den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Proben.
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Auch
die Festigkeit der erfindungsgemäßen Proben
ist der Festigkeit der konventionellen Proben deutlich überlegen.
Für die
Bestimmung der Biegefestigkeit der Keramik wurden Prüfstreifen
mit den Abmessungen 50 mm × 20
mm × 5
mm hergestellt. Zur Herstellung der Prüfstreifen wurde eine Silikonform
mit mehreren napfförmigen
Vertiefungen verwendet. Die Silikonform wurde zum Aufbringen mehrerer Überzüge wiederholt
beschlickert, besandet und getrocknet. Typischerweise erfolgten
sechs bis acht Beschichtungen, um eine Streifenhöhe von ungefähr 5 mm
zu erzielen.
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Die
erfindungsgemäßen Prüfstreifen
wurden (teilweise gleichzeitig mit Modelltrauben) einem Trocknungsvorgang
in der Trocknungskammer bei einer Temperatur von ungefähr 40° C, einer
Luftfeuchtigkeit von ungefähr
5 bis 10 % sowie einer Trocknungsdauer von ungefähr 30 min unterzogen. Während des
Trocknungsvorganges erfolgte eine Bestrahlung der Streifen mit Infrarotlicht.
Die konventionellen Prüfstreifen
wurden hingegen bei Raumtemperatur und einer Luftfeuchtigkeit von
ungefähr
50 % getrocknet. Jede Schicht wurde solange getrocknet, bis die
Oberflächenfeuchte
weniger als 60 % betrug (typischerweise viele Stunden bis einen Tag).
Anschließend
wurden alle Prüfstreifen
einem Biegeversuchen unterworfen. Hierbei kam das Festigkeitsprüfgerät 7/18 der
Firma Feinmechanik Ralf Kögel
zum Einsatz.
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6 zeigt das Versuchsprotokoll der auf
erfindungsgemäße Weise
getrockneten Prüfstreifen
und 7 das Versuchsprotokoll für herkömmliche
Prüfstreifen
(es wurden je zwei Grünlinge
und zwei gebrannte Proben geprüft;
das Brennen der Prüfstreifen
erfolgte für
eine Stunde bei 950° C).
Ein Vergleich der jeweiligen Kennlinien zeigt deutlich, dass die
Belastbarkeit der erfindungsgemäßen Proben,
jedenfalls in gebranntem Zustand, die Belastbarkeit der auf herkömmliche
Weise getrockneten Proben fast um 50 % übersteigt. Auch die erfindungsgemäß getrockneten
Grünlinge
zeigen eine deutlich höhere
Belastbarkeit als die auf konventionelle Weise getrockneten Grünlinge.
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Die
erfindungsgemäßen Vorteile
sind vermutlich darin begründet,
dass bei höheren
Trocknungstemperaturen der Ionenaustausch an der Oberfläche der
Binderkolloide intensiviert wird, was eine stärke irreversible Bindung dieser
Kolloide untereinander ermöglicht.
Ferner führt
die intensive, oberflächenbezogene Trocknung
durch die Infrarotlicht-Bestrahlung zu einem stärkeren Diffusionsgefälle innerhalb
der aufgebrachten Schlickerschicht und damit zu einer beschleunigten
Trocknung. Durch die Wirkung der Verdunstungskälte kann die Trocknungstemperatur
erhöht
werden, auch über
die Temperatur hinaus, bei der das verwendete Modell seine Stabilität verlieren
würde.
Auch dies ermöglicht
eine beschleunigte Trocknung.
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Vorzugsweise
erfährt
jede Überzugsschicht
eine vollständige
Trocknung, um eine irreversible Kolloidbindung herbeizuführen. Somit
ist bereits unmittelbar nach Trocknungsende der letzten Schicht
die erwünschte Endfestigkeit
der gesamten Schale erreicht. Mit anderen Worten, es ist nicht mehr
unbedingt erforderlich, nach dem Trocknen der letzten aufgebrachten
Schicht noch weiter zu warten, bis mit dem Ausschmelzen/Ausbrennen
des Modells und dem Brennen der Keramikform begonnen werden kann.
Diese Erkenntnis schließt
gleichwohl nicht aus, in bestimmten Fällen eine abschließende, längere Schlusstrocknung
durchzuführen.
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Zur
Erzielung besonders kurzer Trocknungszeiten war es zweckmäßig, die
Luftfeuchtigkeit in der Trocknungskammer zu reduzieren. Im Rahmen
fortlaufender Versuche wurde die Luftfeuchtigkeit auf unter 10 %,
häufig
auf 2 % bis 8 %, reduziert.
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Bei
den Versuchen hat sich herausgestellt, dass die erste Schicht mit
Besandung (also in der Regel die zweite, auf das Modell aufgebrachte
Schicht) relativ schnell trocknet (ca. 20 min), die erste bzw. die
zweite darauffolgende Schicht jedoch überdurchschnittlich lange (bis
zu 60 min) benötigt,
um vollständig
zu trocknen. Bei den sich anschließenden Schichten stellen sich
Trocknungszeiten von typischerweise 30 bis 35 Minuten ein. Die Restfeuchtigkeit
in der getauchten Schicht steigt zu Beginn der Trocknung oftmals
kurzfristig auf über 80
%, verbleibt dann lange bei 65 bis ungefähr 70 %, um dann etwa 2 bis
10 Minuten (typischerweise etwa 5 min) vor dem festzustellenden
Trocknungsende beinahe spontan auf unter 50 % abzuknicken.
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Bei
Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
für die
Prototypen-Herstellung bietet es sich an, mit nur einem Schlicker
gleicher Viskosität
für alle Überzugsschichten
(Einheitsschicker) und nur einer Korngröße des Bestreumaterials zu
arbeiten. Der Einheitsschlicker führt zu einer verbesserten Benetzung
bei gleichzeitiger Reduzierung der Auslaufzeit auf 38 s (gemessen
mit dem WEX-Becher). Durch Einfügen
einer Tauchschicht ohne Besandung zu Beginn des Schalenaufbaus bei
kurz gehaltener Antrocknung (von typischerweise unter 15 min) lässt sich
eine ausreichende Oberflächenqualität der Gussstücke erzielen.
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Die
Erfindung wurde anhand verschiedener Ausführungsbeispiele beispielhaft
erläutert.
Abänderungen
und Ergänzungen
können
vom Fachmann basierend auf seinem Fachwissen durchgeführt werden.
So können
insbesondere die Lage, die Positionierung und die Anzahl der Rotlichtquellen
sowie die Anordnung und die Anzahl der Ventilatoren geändert werden.
