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Die
Erfindung betrifft eine einteilige verlorene Gießform für Gussteile aus Metall sowie
ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Ein bevorzugter Anwendungsbereich
von einteiligen verlorenen Gießformen für Gussteile
aus Metall ist die schnelle und ökonomische
Herstellung von Einzelgussteilen oder Gussteilen in kleinen Stückzahlen,
die meist als sogenannte Prototypen verwendet werden. Solche Prototypengussteile
dienen zur Überprüfung der
Eigenschaften, z. B. der Festigkeit, von komplizierter geformten Werkstücken, welche
serienmäßig z. B.
im Druck- oder Kokillengießverfahren
hergestellt werden sollen, vor Anfertigung der metallischen Dauerformen für die Serienfertigung.
Um die Prototypengussteile realistisch bewerten zu können, müssen sie
in ihren Materialeigenschaften dem späteren Serienprodukt entsprechen
oder möglichst
nahe kommen.
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Zur
Herstellung derartiger Prototypengussteile eignen sich vor allem
Gips-, Keramik- und Sandformen, die u. a. mit verlorenen Modellen
hergestellt werden. Gips- und
Keramikformen werden meist unter Verwendung von ausschmelzbaren
Wachsmodellen, Sandformen beispielsweise unter Verwendung von ausbrennbaren
bzw. vergasbaren Schaumpolystyrol- oder Kunststoffmodellen hergestellt.
Auf Grund der schlechten Wärmeleitung
solcher Gießformen
aus Gips, Keramik oder Formsand sind die Erstarrungszeiten für die Metallschmelze
zumindest bei größeren Wanddicken
relativ lang. Durch das langsame Erstarren und Abkühlen entsteht
in Abhängigkeit von
dem zu vergießenden
Metall oft ein relativ grobkörniges
und deshalb nicht immer ausreichend belastbares Gefüge. Des
Weiteren können
durch einen ungünstigen
richtungsmäßigen Verlauf
der Erstarrung in den einzelnen Bereichen der Gießform auch Gussfehler
wie z. B. Porositäten
oder Lunker entstehen.
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Aus
dem Stand der Technik sind eine Reihe von Gießformen und Verfahren zur Herstellung
von Prototypengussteilen mit einteiligen Gips-, Keramik- oder Sandformen,
die unter Verwendung von verlorenen Modellen hergestellt werden,
bekannt.
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US 4579166 beschreibt die
Anwendung der Gipsgusstechnik zur Prüfung von neuen Maschinenbauteilen,
die sonst nur durch Druck- oder Kokillenguss hergestellt werden
könnten.
Das Gießen
solcher Bauteile mittels Gipsgusstechnik ist zwar für die Herstellung
von Prototypen aus Aluminium, Zink, Magnesium und deren Legierungen
gut geeignet. Die damit hergestellten Prototypen entsprechen jedoch nur
in ihrer äußeren Gestalt
den in einer Kokille bzw. Druckgussform hergestellten Gussteilen,
und das Gießen
solcher Teile aus Magnesium oder dessen Legierungen ohne Schutzgas
und ohne Kühlung
bereitet Schwierigkeiten. Zur Beseitigung der Nachteile wird die
Bereitstellung einer mehr oder weniger porösen Gipsform empfohlen, die
nach der Kalzinierung nur eine geringe Menge ungebundenes und gebundenes
Wasser enthält.
Beim Gießen
wird die Gießform
durch Fluten des Formhohlraumes mit einem Schutzgas vor Reaktionen
mit der Schmelze geschützt.
Dieses Schutzgas enthält
Schwefel oder Schwefelhexaflurid (SF
6) als
inhibierende Mittel. Um den Prozess der Abkühlung zu kontrollieren, wird
ein Thermoelement in die Form nahe beim Gussteil eingesetzt und
die Temperatur während
der Abkühlung des
Gussteiles überwacht,
um unkontrollierte Reaktionen in der Gießform rechtzeitig erkennen
und z. B. drohende Explosionen verhindern zu können. Eine aktive Steuerung
der Abkühlung
zur Erzielung eines feineren Gefüges
ist mit einer solchen Form nicht möglich.
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In
der Europäischen
Patentschrift
EP 571703
B1 wird die Abkühlung
der Metallschmelze unter Verwendung einer die Wandung der Gießform allmählich penetrierenden
Kühlflüssigkeit,
deren Siedetemperatur niedriger als die Eingießtemperatur der Schmelze liegt,
beschrieben. Die Gießform
wird von einem Ende aus beginnend stetig in die Kühlflüssigkeit
eingetaucht. Durch das Eintauchen soll eine gerichtete Erstarrung
bewirkt werden. Eine in dieser Weise gerichtete Erstarrung hat Vorteile
hinsichtlich des Seigerungs-, Ausscheidungs- und Lunkerverhaltens
bei gegossenen Bauteilen und kann somit Gussfehler vermeiden. Eine
gezielte Beeinflussung der Gefügestruktur
des Gussteiles ist jedoch auch mit diesem Verfahren nicht möglich.
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In
der internationalen Patentanmeldung
WO 9805450 wird
neben der Abkühlung
der Gießform durch
eine Flüssigkeit
zusätzlich
ein Ankeimblech zur gerichteten Erstarrung der Schmelze eingesetzt. Dies
geschieht, indem die Gießform
zur gerichteten Erstarrung der Schmelze eine in das Kühlbad eintauchende
metallische Bodenplatte aufweist. Durch die schnellere Abkühlung an
der metallischen Bodenplatte entstehen in der Schmelze Kristallisationskeime,
von denen ausgehend sich die Schmelze verfestigt. Bei Bodenplatten
aus Metall muss jedoch mit einem Anlegieren der Schmelze gerechnet
werden. Aus diesem Grund sind bereits mit einem Kühlmittel durchflossene
Bodenplatten beschrieben worden. Zum Schutz der Schmelze vor Verunreinigungen durch
in Lösung
gehendes Material der Bodenplatte wurde zusätzlich eine Zwischenplatte
aus einem zu der erstarrenden Schmelze artgleichen Material vorgesehen.
Mit dieser Lösung
lassen sich zwar Gussfehler weitgehend vermeiden, jedoch ist auch
hiermit eine gezielte Beeinflussung der Gefügestruktur des Gussteiles nicht
möglich.
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Gekühlte Gipsformen
werden in den japanischen Offenlegungsschriften
JP 63168250 A1 und
JP 02187236 A1 beschrieben.
Bei der Herstellung der Gießform
wird eine Öffnung
in der Gießform durch
eine Verschlussplatte aus einem Kunststoff verschlossen, die beim
Aushärten
der Gipsform ausgebrannt wird. Anstelle der Verschlussplatte wird beim
Gießen
eine Kühlplatte
eingesetzt, um eine lokale Abkühlung
der Gießform
zu erreichen. In der
JP 02187236
A1 wird ebenfalls ein Kühler
in eine Gipsform eingesetzt. Ein aus einem Produktteil und einem Läuferteil
bestehendes Wachsmodell wird in einen aus Eisen bestehenden Formrahmen
eingesetzt. Ein Mustermaterial, welches die gleiche Form wie der Kühler hat,
wird auf das Teil gesetzt, in welchem die Abkühlgeschwindigkeit im Produktteil
beschleunigt werden soll. Der Gips wird in den Raum unter dem Mustermaterial
und dem Wachsmuster sowie in den Rahmen gefüllt. Das ganze wird bei ungefähr 700 °C gebrannt,
wobei das Wachsmuster ausschmilzt. Nachfolgend wird die Gipsform
gedreht und der Kühler
eingesetzt. Schließlich
wird das flüssige
Metall vergossen.
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Dadurch
wird das Abkühlen
am stärkeren Teil
des Gussstückes
beschleunigt und eine Schrumpfung wird verhindert. Nachteilig ist,
dass mit dem Einsatz von Kühlplatten
oder Kühlern
eine gerichtete Erstarrung nur von einer Seite des Gussstückes her
möglich
ist. Aus diesem Grund können
mit den vorstehend beschriebenen Gipsformen ebenfalls keine dem
Druckguss oder Kokillenguss ähnlichen Gussstücke mit
weitgehend feiner Gefügestruktur hergestellt
werden.
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Bekannt
ist außerdem
aus dem europäischen
Patent
EP 0004844 B1 der
Einsatz einer Kühlleitung
in einer Gießform
aus Gips zur Herstellung von Kunststoffgegenständen. Die Kühlleitung ist in den Gips der
Gießform
eingebettet. Wie erwähnt dient
die Gipsform zur Herstellung von Teilen und Prototypen aus Kunststoff,
welcher in den Hohlraum der Gießform
injiziert wird. Hierbei dient die in den Gips eingebettete Kühlleitung
zum schnelleren Abkühlen
der Kunststoffmasse, um den Fertigungsvorgang zu beschleunigen.
Auf Grund der schlechten Wärmeleitung
des Gipses kann die in den Gips vollkommen eingebettete Kühlleitung
jedoch eine für
die schnelle Abkühlung
und die gerichtete Erstarrung eines Metallgussteiles erforderliche
Wärmeableitung nicht
gewährleisten.
Im Vergleich zu einer Druckgussform oder Kokille aus Metall ist
die Wärmeleitfähigkeit
einer solchen Gipsform mit der in den Gips eingebetteten Kühlleitung
immer noch um ein Vielfaches geringer. Deshalb ist auch diese Gießform nicht geeignet,
um die vom Druck- oder Kokillenguss bekannten Erstarrungszeiten
und somit vergleichbar feine Gefügestrukturen
der damit erzeugten Gussstücke
zu erreichen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine
Gießform
für Gussteile
aus Metall zur Herstellung von Einzelgussteilen oder Gussteilen
in kleinen Stückzahlen
zu entwickeln, bei welcher nach dem Abguss der Metallschmelze die Erstarrung
zu einem Gusskörper
hinsichtlich Richtung und Geschwindigkeit der Erstarrung unter Verwendung
eines Kühlmittels
gesteuert werden kann. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung
einer solchen Gießform
zu entwickeln.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe hinsichtlich der Gießform
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens
zur Herstellung der Gießform
mit den Merkmalen des Patentanspruches 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf
die 1 bis 5 näher erläutert werden.
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Im
Einzelnen zeigen die Figuren in schematischer Darstellung:
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1 ein
Muster bzw. ein Urmodell für
ein herzustellendes Gussteil,
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2 eine
Silikonform zum Abgießen
eines verlorenen Modells,
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3 ein
in der Silikonform nach 2 hergestelltes und mit einem
Kühlkanal
ummanteltes verlorenes Modell in Seitenansicht,
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4 eine
unter Verwendung des mit dem Kühlkanal
ummantelten verlorenen Modells nach 3 hergestellte
Gießform
in Schnittansicht und
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5 ein
mit der Gießform
nach 4 hergestelltes Gussteil nach dessen Entformung.
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Das
in 1 schematisch dargestellte Muster oder Urmodell 1 gibt
die exakte Gestalt eines mit einer erfindungsgemäßen Gießform für Gussteile aus Metall 4 herzustellenden
Gussteiles 2 vor, welches in 5 dargestellt
ist. Wenn nicht bereits ein Muster 1 vorhanden ist, muss
zunächst
ein sogenanntes Urmodell 1 hergestellt werden. Die Herstellung
eines solchen Urmodells 1 erfolgt meist mittels Stereolithographie.
Es können
aber auch andere generative Fertigungsverfahren zur schichtweisen
Herstellung des Urmodells 1 eingesetzt werden. Weitere geeignete
Verfahren sind z. B. das Selektive Laser Sintern, das Fused Deposition
Modelling, das Laminated Objekt Modelling sowie das 3D-Printing.
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Wenn
ein Urmodell 1 neu erstellt werden muss, sollte, wenn nur
ein Gussteil 2 hergestellt werden soll, dieses sofort als
ein zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gießform geeignetes verlorenes Modell
aus ausschmelzbarem Wachs, einer niedrig schmelzenden Modelllegierung,
einem ausbrennbaren Kunststoff bzw. Kunststoffschaum hergestellt werden.
Ist ein Muster des herzustellenden Gussstückes vorhanden oder handelt
es sich bei dem Urmodell 1 nicht bereits um ein verlorenes
Modell, muss zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gießform aus dem vorhandenen Muster
oder dem Urmodell 1 zunächst
ein verlorenes Modell hergestellt werden. Dies erfolgt, indem das
Muster oder Urmodell 1 in einem Formkasten mit flüssigem Silikon
umgossen wird, wie dies in 2 erkennbar
ist. Nach Verfestigung des Silikons wird die in dieser Weise gebildete Silikonform 5 durch
Schneiden entlang einer Teilungsebene 15 geteilt, das Muster
bzw. Urmodell 1 dem gebildeten Formhohlraum entnommen und
die Silikonform 5 mit einem Gieß- und Speisesystem versehen
(im Einzelnen nicht dargestellt). Danach wird die Silikonform 5 im
Formkasten wieder exakt zusammengefügt und z. B. mit flüssigem Wachs
ausgegossen (ebenfalls nicht dargestellt). Nach dem Erstarren des
Wachses kann aus der Silikonform ein verlorenes Modell 3 z.
B. aus Wachs entformt werden.
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Werden
Prototypengussteile mit hoher Oberflächengüte und Genauigkeit, d. h. sogenannte
Feingussteile benötigt,
kommen einteilige verlorene Gießformen
aus Gips oder einer keramischen Masse in Betracht. Bei Gussteilen
mit geringeren Anforderungen an die Oberflächengüte kann als Formstoff für die einteilige
verlorene Gießform
für Gussteile
aus Metall 2 auch bindemittelhaltiger Formgrundstoff (z. B.
Quarzsand) verwendet werden. Zur Herstellung einteiliger Sandformen
sind vor allem verlorene Modelle aus Schaumpolystyrol besonders
geeignet, welche durch Schäumen
in einer Schäumform
oder durch mechanische Bearbeitung, z. B. Fräsen, eines Schaumpolystyrolblockes
hergestellt werden.
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Wie
in 3 erkennbar, wird das in der einen oder anderen
Weise hergestellte verlorene Modell 3 aus Wachs, Kunststoff
(z. B. Schaumpolystyrol) oder einer niedrig schmelzenden Modelllegierung
zwecks Herstellung der erfindungsgemäßen einteiligen verlorenen
Gießform
für Gussteile
aus Metall 4 zumindest teilweise mit einem biegsamen Kühlkanal 6 ummantelt.
Dies geschieht vor allem in den Bereichen, in welchen die Metallschmelze
in der Gießform
gerichtet erstarren soll, um Gussfehler zu vermeiden, und in welchen
die Erstarrung relativ schnell erfolgen soll, um ein feinkörniges,
ausreichend belastbares Materialgefüge zu erreichen. Die Auswahl
dieser kritischen Bereiche kann z. B. durch Simulation der Erstarrungsvorgänge (Gießsimulation)
vorteilhaft erfolgen. Nach der Ummantelung des verlorenen Modells 3 mit dem
Kühlkanal 6 wird
das verlorene Modell unter Vorsehen eines Gieß- und Speisesystems 12 in
einen verfestigbaren Formstoff eingebettet. Ist das verlorene Modell 3 ein
Wachsmodell und wird als Formstoff Gips verwendet, wird das Wachsmodell
nach dem Verfestigen der Gipsform ausgeschmolzen. Bei Verwendung
eines Wachsmodells und einer keramischen Masse als Formstoff wird
das Wachsmodell nach dem Verfestigen des Formstoffes ebenfalls ausgeschmolzen
und die keramische Form anschließend gebrannt. Ist das verlorene
Modell ein Polystyrolschaum- oder ein Kunststoffmodell und wird
als Formstoff ein bindemittelhaltiger Formgrundstoff verwendet,
ist die erfindungsgemäße einteilige
verlorene Gießform
für Gussteile
aus Metall 4, wie sie in 4 dargestellt
ist, bereits nach dem Verfestigen des bindemittelhaltigen Formgrundstoffes
gebrauchsfertig. Das Ausbrennen bzw. Vergasen des verlorenen Modells
erfolgt in diesem Falle erst beim Abguss durch die Metallschmelze
selbst.
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Für den metallischen
Kühlkanal 6 wird
ein Metallwerkstoff ausgewählt,
welcher gegenüber
der Metallschmelze beständig
ist. Der metallische Kühlkanal 6 kann
glattwandig sein und einen runden oder ovalen Querschnitt besitzen.
Bei geometrisch einfach geformten verlorenen Modellen 3 kann
der Kühlkanal 6 glattwandig
ausgeführt
sein und mit Hilfe von Biegewerkzeugen um das verlorene Modell 3 mit
Kontakt zu dessen Oberfläche
gebogen werden.
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Vorzugsweise
wird für
den metallischen Kühlkanal 6 ein
flexibler Metallschlauch, ein flexibles Metallwellrohr oder ein
gewickelter Metallwellschlauch verwendet.
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Als
Material für
den metallischen Kühlkanal 6 hat
sich Stahl oder Edelstahl bewährt.
Ein flexibler Edelstahlwellschlauch kann in einfacher Weise auch mit
kleinem Krümmungsradius
um das verlorene Modell 3 gewickelt werden. Derartige Edelstahlwellschläuche werden
in der Form eines Wellrohres hergestellt oder als Stahlwellschlauch
gewickelt. Bei Verwendung eines solchen Wellschlauches können unerwünschte Deformationen
des Rohrquerschnittes sowie Spannungen des Kühlkanals 6 beim bogenförmigen Ummanteln
des verlorenen Modells 3 vermieden werden. Die Wellung
des Schlauches kann eine wellenförmige
Kontur oder eine rechteckige Kontur aufweisen. Solche Konturen ermöglichen
die Bildung von engen Bögen
und schaffen eine relativ große Kühlfläche. Gleichzeitig
verbessern sie den Wärmeaustausch
zwischen der Metallschmelze und dem in dem Kühlkanal 6 geführten Kühlmedium.
Die Enden des mindestens einen Kühlkanals 6 sind
mit Anschlussflanschen 7, 8 versehen, die mit
je einer nicht weiter dargestellten Kühlmedienzufuhr 9 und
einer Kühlmedienabfuhr 10 verbunden
sind. Als Kühlmedien
werden gasförmige
und flüssige
Stoffe wie z. B. Luft oder Kühlwasser
eingesetzt.
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Die
der einteiligen verlorenen Gießform
für Gussteile
aus Metall 4 mit der Metallschmelze zugeführte Wärmemenge
kann nicht wie bei einer Kokille oder einer Druckgießform durch
Konvektion und Strahlung direkt an die Umgebung abgegeben werden.
Vielmehr wird die Wärme
erfindungsgemäß über den
im Formstoff eingebetteten und zum Formhohlraum hin unbedeckten
oder nur geringfügig
bedeckten Kühlkanal 6 über das
Kühlmedium
intensiv entzogen, um das erstarrende Gussteil 2 möglichst schnell
abzukühlen.
Für die
Kühlung
können
auch Wärmeträgerflüssigkeiten
eingesetzt werden, mit denen die einteilige verlorene Gießform für Gussteile aus
Metall 4 vor dem Gießen
temperiert werden kann. Wenn mit der Kühlung spätestens beim Eingießen der
Schmelze in die Gießform
für Gussteile
aus Metall 4 begonnen wird, kann das Anschmelzen der Schmelze
am Kühlkanal 6 vermieden
werden. Obwohl die für
die einteilige verlorene Gießform
für Gussteile
aus Metall 4 verwendeten Formstoffe schlechte Wärmeleiter
sind, kann über
die unbedeckten und/oder nur geringfügig bedeckten Außenseiten des
metallischen Kühlkanals 6 zum
Formhohlraum hin die mit der Metallschmelze zugeführte Wärme durch
das vorhandene Wärmegefälle im Kühlkanal 6 über das
Kühlmedium
ab geleitet werden. Durch geeignete Anordnung des mindestens einen
Kühlkanals 6 in
der einteiligen verlorenen Gießform
für Gussteile
aus Metall 4 kann auch eine gerichtete Erstarrung bewirkt
und damit die Bildung von Gussfehlern wie Lunkern und Porositäten entgegengewirkt werden.
Durch die Vermeidung des Anschmelzens der Metallschmelze am Kühlkanal 6 kann
das Gussteil 2 nach dem Abkühlen problemlos entformt werden.
Der Kühlkanal 6 lässt sich
zusammen mit dem Formstoff der verlorenen Gießform für Gussteile aus Metall 4 leicht
vom Gussteil 2 entfernen.
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Infolge
der mittels der erfindungsgemäßen Gießform für Gussteile
aus Metall 4 erreichbaren schnellen und gerichteten Abkühlung des
Gussteiles 2 werden Gussfehler im Gussteil 2 weitgehend
vermieden und es wird eine feinkörnige
Struktur des Gussteiles 2 erreicht. Damit besitzen die
in der erfindungsgemäßen einteiligen
verlorenen Gießform
für Gussteile
aus Metall 4 erzeugten Gussteile 2 gleiche oder
sehr ähnliche
Eigenschaften, wie sie beim Gießen
in Kokillen oder Druckgießformen
erreichbar sind. Die erfindungsgemäße einteilige verlorene Gießform für Gussteile
aus Metall 4 ist damit besonders geeignet, Prototypen von
Gussteilen zu erzeugen, deren Gebrauchseigenschaften, z. B. deren Festigkeit
vor Herstellung der teuren Kokillen- oder Druckgießformen
für die
Serienfertigung überprüft werden.
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Es
wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die vorstehende Beschreibung von Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen einteiligen
verlorenen Gießform
für Gussteile
aus Metall 4 sowie der Verfahren zu deren Herstellung lediglich
erläuternden
Charakter besitzt und keinerlei einschränkende Wirkung hinsichtlich
des Schutzumfanges der Erfindung haben soll. Der Schutzumfang der
Erfindung ergibt sich aus dem Wortlaut der anliegenden Patentansprüche.