DE102012102852B4

DE102012102852B4 - Verwendung eines Kunststoff-Reaktionsgemisches in einem Verfahren zur Herstellung einer Frontgussbeschichtung für Giessereianwendungen, Formplatte oder Kernkasten mit einem Hinterbau und einer Frontgussbeschichtung sowie Verfahren zur Herstellung eines Gussstücks oder Werkzeugs

Info

Publication number: DE102012102852B4
Application number: DE102012102852.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Ege; Marcus Vohrer
Original assignee: RAMPF TOOLING SOLUTIONS & CO KG GmbH
Current assignee: RAMPF TOOLING SOLUTIONS GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2032-04-03
Also published as: DE102012102852A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kunststoff (68), insbesondere zur Herstellung einer Frontgussbeschichtung für eine Formplatte (56) für Gießereianwendungen, hergestellt aus einem Reaktionsgemisch (66), das ein alkylthiosubstituiertes Toluoldiamin (58) und ein Toluoldiisocyanat-Präpolymer (64) umfasst. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Frontgussbeschichtung für eine Formplatte (46) unter Verwendung des Kunststoffes (68), eine solche Formplatte (56) sowie die Verwendung der Formplatte (56) in einem Verfahren zur Herstellung eines Gussstücks (77) oder Werkzeuges (78).

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Kunststoff-Reaktionsgemisches in einem Verfahren zur Herstellung einer Frontgussbeschichtung für eine Formplatte für Gießereianwendungen. Weiter betrifft die Erfindung eine Formplatte für Gießereianwendungen, die eine solche Frontgussbeschichtung aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gussstücks oder Werkzeuges.
Heutzutage werden Formplatten, Modelle oder Kernkästen nicht mehr nur ausschließlich aus Platten aufgebaut und dann in die gewünschte Form gebracht, sondern es sind Formverfahren bekannt, mit denen eine Formplatte, Modell oder Kernkasten gefertigt werden kann, wobei sowohl Formplatte, Modell oder Kernkasten als auch der stabilisierende Unterbau aus einem Guss geformt sind (vgl. beispielsweise WO 2006/053522 A1 ). Dazu wird ein beispielsweise aus Kunststoff bestehender Modellwerkstoff in flüssiger Form in eine Negativform eingegossen und ausgehärtet.
Die Negativformen werden häufig aus gebundenem Sand als Gießereiformstoff hergestellt, in den über eine Formplatte ein Negativabdruck eingebracht wird. Das heisst, dass der Gießereiformstoff aus gebundenem Sand besteht, der durch eine Frontgussbeschichtung an der Formplatte geformt wird. Der Negativabdruck, also die erzeugte Sandgießform wird dann anschließend in der Gießerei mit der gewünschten Schmelze ausgegossen.
Es besteht die Problematik, dass der verwendete Sand abrasive Eigenschaften hat und damit die Oberfläche der Frontgussbeschichtung an der Formplatte stark beansprucht. Durch die Beanspruchung wird die Lebensdauer der Formplatte verkürzt, und es sind nur eine begrenzte Anzahl von Abformungen der Formplatte in dem gebundenen Sand möglich.
Daher ist es vorteilhaft, wenn die Frontgussbeschichtung der Formplatte eine möglichst hohe Widerstandsfähigkeit gegen den abrasiv wirkenden Gießereiformstoff aufweist, um so die Anzahl der möglichen Abformungen zu erhöhen.
Bislang wurden dazu Kunststoffe auf Basis von DDM (4,4'-Diaminodiphenylmethan) verwendet. DDM ist jedoch ein hoch krebserregendes Material, das nicht mehr in die EU eingeführt werden darf.
DE 10 2007 025 659 A1 beschreibt einen Kunststoff, der hergestellt ist aus einem Reaktionsgemisch, das ein alkylthiosubstituiertes Toluoldiam in und ein TDI-Präpolymer umfasst.
WO 00/35983 A1 offenbart die Herstellung eines Polyurethan-Gießharzes unter Verwendung von Ethacure^® 300 und einem low free Toluoldiisocyanat.
In C. J. Nalepa et al., Journal of Elastomers and Plastics, 19, 6 (1987) und C. J. Nalepa et al., Journal of Elastomers and Plastics, 20, 128 (1988) ist die Verwendung von Ethacure^® 300 als Kurativ für ein TDI-Präpolymer beschrieben.
R. W. Fuest, „Rubber Technology: Compounding and Testing for Performance”, Kapitel 9, beschreibt die Herstellung von Polyurethan-Elastomeren unter Verwendung von Präpolymeren und Kurativen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Alternative zu DDM-Kunststoffen vorzuschlagen. Ferner sollen eine Frontgussbeschichtung für eine Formplatte und ein Verfahren zur Herstellung der Frontgussbeschichtung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird mit einer Verwendung eines Kunststoff-Reaktionsgemischs in einem Verfahren zur Herstellung einer Frontgussbeschichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Eine mit einem solchen Verfahren hergestellte Formplatte sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gussstücks oder Werkzeugs sind Gegenstand der Nebenansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Kunststoff, der zur Herstellung einer Frontgussbeschichtung für eine Formplatte für Gießereianwendungen verwendet wird, wird verwendet als ein Reaktionsgemisch, das ein alkylthiosubstituiertes Toluoldiam in und ein Toluoldiisocyanat-Präpolymer umfasst.
Ein solches Reaktionsgemisch ist als Gießharz zur Herstellung einer Frontgussbeschichtung an einer Formplatte, Modell oder Kernkasten geeignet, da es vorteilhaft eine ausreichend lange Topfzeit, d. h. zur Verfügung stehende Verarbeitungszeit, hat. Weiter resultiert es in einem Polyharnstoff-Kunststoff, der vorzugsweise eine hohe Abrasionsbeständigkeit und für die beschriebenen Anwendungen bevorzugt gute Elastizität hat. Weiter hat der resultierende Polyharnstoff-Kunststoff vorzugsweise nur einen geringen Schwund und eine hohe Wärmeformbeständigkeit.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Kunststoff auch als Polyharnstoff-Zusammensetzung oder als Gießharz-Zusammensetzung bezeichnet werden.
Als alkylthiosubstituiertes Toluoldiamin kommt beispielsweise 3,5-Di(methylthio)-2,4-Diaminotoluol oder 3,5-Di(methylthio)-2,6-Diaminotoluol in Frage. Es sind jedoch auch andere alkylthiosubstituiertes Toluoldiamine geeignet.
Vorzugsweise ist das Toluoldiisocyanat-Präpolymer (TDI) ein low free-Toluoldiisocyanat-Präpolymer mit einem geringen Monomer-Gehalt. Je höher der Monomer-Gehalt in dem Toluoldiisocyanat-Präpolymer ist, desto toxischer wird dieser Ausgangsstoff. Um vorzugsweise die Toxizität der Ausgangsmaterialien zu umgehen, ist es daher vorteilhaft, ein low free-TDI zu verwenden.
Besonders bevorzugt ist der Monomer-Gehalt des TDI kleiner als etwa 1%, insbesondere kleiner als etwa 0,5%, mehr insbesondere kleiner als etwa 0,1%.
Vorteilhaft umfasst das Reaktionsgemisch eine Komponente A auf Basis des alkylthiosubstituierten Toluoldiamin und eine Komponente B auf Basis des Toluoldiisocyanat-Präpolymers, wobei die Komponenten A und B bei einer Kennzahl von 100% in einem Mischungsverhältnis von 125 Gewichtsteilen A zu 500 Gewichtsteilen B bis 80 Gewichtsteilen A zu 500 Gewichtsteilen B vorliegen.
Vorzugsweise werden die Komponenten A und B in einem Verhältnis von 1:5 gemischt.
Wird der Anteil an der Komponente B zu hoch, resultiert daraus ein Polyharnstoff-Kunststoff, der für die beschriebenen Anwendungen zu spröde ist. Außerdem bewirkt ein höherer Anteil der Komponente B eine schnellere Reaktion der Ausgangsstoffe des Reaktionsgemisches und verringert so insgesamt die Topfzeit des Reaktionsgemisches. Ein zu niedriges Mischungsverhältnis resultiert in einer schlechteren Vernetzung der Ausgangsstoffe des Reaktionsgemisches, so dass der resultierende Kunststoff eine verringerte Wärmeformbeständigkeit und Härte hat.
Das vorteilhafte Mischungsverhältnis ermöglicht die Herstellung eines vorzugsweise elastischen, wärmeformbeständigen und harten Kunststoffes, der vorteilhaft eine ausreichend lange Topfzeit zur Verarbeitbarkeit bereitstellt.
Vorteilhaft umfasst die Komponente A Additive, insbesondere wenigstens einen Entlüfter und/oder wenigstens ein Pigment.
Das Vorsehen eines Entlüfters ist vorteilhaft, da so vorzugsweise Luftblasen in Misch-/Applikationsmaschinen bzw. in der herzustellenden Schutzschicht vermieden werden können. Eine Pigmentierung ist vorteilhaft, weil so vorzugsweise Kontraste an einer aus dem Kunststoff herzustellenden Beschichtung besser zu sehen sind.
Vorzugsweise beträgt der Gewichtsanteil des Entlüfters an Komponente A1 Gew.-% bis 2 Gew.-%, insbesondere 1,3 Gew.-% bis 1,7 Gew.-%. Je mehr Entlüfter in dem Reaktionsgemisch vorhanden ist, desto geringer ist vorteilhaft die Blasenbildung während der Verfahrensschritte. Allerdings sind die auf dem Markt erhältlichen Entlüfter zumeist relativ teuer, so dass es wünschenswert ist, vorzugsweise einen möglichst geringen Anteil an Entlüfter in dem Reaktionsgemisch vorzusehen. Zusätzlich vermindert ein zu großer Anteil an Additiven die Vernetzung der Reaktionsgemisch-Ausgangsstoffe. Die beschriebenen Gewichtsanteile sind vorteilhaft für die Vermeidung von Luftblasen sowie hinsichtlich des Kostenaspekts.
Vorzugsweise beträgt der Gewichtsanteil des Pigmentes an Komponente A maximal 2 Gew.-%, insbesondere maximal 1 Gew.-%. So kann vorzugsweise eine starke Pigmentierung des Kunststoffes bei gleichzeitig bevorzugt geringem Anteil des Pigmentes in dem Reaktionsgemisch erreicht werden.
Vorzugsweise werden die Additive der Komponente A zugefügt, da so bevorzugt ein Kontakt des feuchtigkeitsempfindlichen TDI-Präpolymers mit Luftfeuchtigkeit vermieden werden kann.
Weiter vorteilhaft werden die Additive bereits vor Zusammenfügen der Komponenten A und B homogen in der Komponente A dispergiert, damit die Topfzeit des Reaktionsgemisches vorteilhaft vollständig für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung steht.
Das beschriebene Kunststoff-Reaktionsgemisch wird verwendet in einem Verfahren zur Herstellung einer Frontgussbeschichtung für eine Formplatte für Gießereianwendungen, welches die folgenden Schritte aufweist:

a) Bereitstellen eines Hinterbaus;
b) Applizieren des oben beschriebenen Kunststoff-Reaktionsgemisches auf wenigstens einen Oberflächenbereich des Hinterbaus zum Bilden einer Frontgussbeschichtung.

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Formplatte, eines Modells oder eines Kernkastens werden die folgenden Schritte durchgeführt:

– Bereitstellen eines Reaktionsharzformstoffes als Material für die Frontgussbeschichtung
– Bereitstellen eines Modellnegativs oder einer Kernseele, hergestellt aus Holz, Kunststoff oder Metall
– Bereitstellen eines Hinterbaus, hergestellt aus Holz, Kunststoff oder Metall
– Ausgießen des Reaktionsharzformstoffes auf dem Hinterbau.

Die Schichtdicke der Frontgussschicht wird durch den Abstand zwischen Modellnegativ und Hinterbau definiert.
Die Frontgussbeschichtung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Schutzschicht bezeichnet werden.
Dadurch, dass das oben beschriebene Kunststoff-Reaktionsgemisch zur Bildung der Frontgussbeschichtung verwendet wird, ist das Verfahren weitgehend untoxisch und resultiert dennoch in einer qualitativ hochwertigen Frontgussbeschichtung, die eine hohe Wärmeformbeständigkeit und Härte, einen geringen Schrumpf und wenig Einfallstellen aufweist und gleichzeitig durch die lange Topfzeit des Kunststoff-Reaktionsgemisches gleichmäßig auf den Oberflächenbereich des Hinterbaus aufgebracht werden kann.
Beispielsweise wird als Hinterbau eine Basis aus Holzwerkstoffen, Kunstwerkstoffen oder Metallwerkstoffen, insbesondere Aluminium, bereitgestellt.
Solche Werkstoffe sind vorzugsweise einfach durch bekannte Bearbeitungsmethoden zu formen.
Der Kunststoff wird vorzugsweise durch Gießen auf den Oberflächenbereich des Hinterbaus appliziert.
Vorzugsweise wird der Hinterbau vor Schritt b) vorbereitet. Insbesondere wird eine Oxidationsschicht entfernt, insbesondere bei Metallwerkstoffen, um die Anhaftung des Kunststoff-Reaktionsgemisches an dem Hinterbau zu verbessern. Beispielsweise wird die Oxidationsschicht abgebürstet. So kann die zusätzliche Verwendung von Haftvermittlern vorteilhaft vermieden werden.
Weiter vorteilhaft wird der Hinterbau vor Schritt b) erwärmt, insbesondere auf eine Temperatur von 20°C bis 80°C, mehr insbesondere auf eine Temperatur von 30°C bis 60°C, mehr insbesondere auf eine Temperatur von 40°C bis 50°C.
Gleichzeitig ist es vorteilhaft, wenn auch die Komponenten A und B vor Schritt b) getrennt voneinander auf eine Temperatur von 20°C bis 80°C, insbesondere 30°C bis 60°C, mehr insbesondere 40°C bis 50°C, erwärmt werden.
Eine Erwärmung der Komponenten A und B sowie des Hinterbaus resultiert vorteilhaft in einer verringerten Viskosität und somit besseren Fließfähigkeit des Kunststoff-Reaktionsgemischs auf dem zu beschichtenden Oberflächenbereich des Hinterbaus. Die Topfzeit wird so insgesamt vorteilhaft verlängert. Je kälter das Kunststoff-Reaktionsgemisch und der Hinterbau sind, desto höher ist die Viskosität und desto schlechter ist die Verarbeitbarkeit bzw. die Länge der Topfzeit. Bei zu hohen Temperaturen andererseits läuft die Reaktion zwischen den Komponenten A und B zu schnell ab und verringert ebenso die Topfzeit. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Temperaturen in den oben genannten Bereichen liegen.
Vorzugsweise werden die erwärmten Komponenten A und B vor Schritt b) homogen miteinander vermischt. So können sie vorzugsweise bereits bei Kontakt mit dem Hinterbau abreagieren. Das Kunststoff-Reaktionsgemisch geliert auf dem Hinterbau und wird fest.
Vorzugsweise wird das Kunststoff-Reaktionsgemisch im Handverguss oder mit einer Misch- und Dosieranlage auf den Oberflächenbereich appliziert. Handverguss ist langsamer als die Verwendung einer Misch- und Dosieranlage, weshalb die Verwendung von Handverguss bzw. Misch- und Dosieranlage vorzugsweise anhand der zu verarbeitenden Menge entschieden wird. Besonders bevorzugt wird eine Zweikomponenten Misch und Dosieranlage verwendet.
Vorzugsweise wird das Kunststoff-Reaktionsgemisch in einer Menge auf den Oberflächenbereich des Hinterbaus appliziert, dass die Frontgussbeschichtung eine Schichtdicke von 1 mm bis 15 mm, insbesondere 5 mm bis 10 mm, aufweist. Insbesondere wird das Kunststoff-Reaktionsgemisch hierzu in einer Menge von 5 kg bis 100 kg, abhängig von dem zu beschichtenden Oberflächenbereich, auf den Hinterbau aufgebracht.
Vorzugsweise weist das Verfahren einen Schritt c) Nachbehandlung, insbesondere Nachtempern, des beschichteten Hinterbaus auf. Das Nachtempern wird vorzugsweise gestartet, sobald das Kunststoff-Reaktionsgemisch zu gelieren beginnt.
Vorzugsweise werden die Verfahrensschritte unter Atmosphärenbedingungen durchgeführt, so dass aufwändige Apparaturen vorteilhaft vermieden werden können.
Eine Formplatte, oder ein Kernkasten umfasst einen Hinterbau und eine Frontgussbeschichtung, wobei die Frontgussbeschichtung unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens und des beschriebenen Kunststoff-Reaktionsgemischs hergestellt worden ist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Gussstücks oder Werkzeuges weist die folgenden Schritte auf:

a) Bereitstellen eines Gießereiformstoffes;
b) Einpressen der oben beschriebenen Formplatte mit Frontgussbeschichtung in den Gießereiformstoff zum Bilden eines Negativabdruckes der Frontgussbeschichtung in dem Gießereiformstoff;
c) Ausgießen des Negativabdruckes mit einer Gießschmelze.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 die Beschichtung eines Hinterbaus für Gießereianwendungen mit einem Kunststoff-Reaktionsgemisch;
2 eine resultierende Formplatte mit Frontgussbeschichtung;
3 einen beschichteten Kernkasten;
4 einen Gießereiformstoff;
5 das Einpressen der Formplatte aus 2 in den Gießereiformstoff zum Bilden eines Negativabdruckes;
6 das Ausgießen des Negativabdruckes mit einer Gießschmelze; und
7 ein derart hergestelltes Gussstück.
Bei der Herstellung von Gussstücken oder Werkzeugen in Gießereiverfahren werden Formplatten in einen Gießereiformstoff eingedrückt, um so einen Negativabdruck zu erzeugen, der mit einer Gießschmelze ausgegossen werden kann, damit so das Gussstück oder Werkzeug entsteht.
Als Gießereiformstoff wird zumeist Sand, beispielsweise Quarz-, Chromit- oder Zirkonsand verwendet, der mit einem Bindemittel wie Ton, Wasserglas oder chemische Binder wie z. B. Furanharz gebunden wird.
Der Sand bzw. Gießereiformstoff hat abrasive Eigenschaften und beansprucht daher die Oberfläche der Frontgussbeschichtung der Formplatte bzw. des Modells oder des Kernkastens, die den Negativabdruck in dem Sand erzeugen sollen, stark. Es ist wünschenswert, mit ein und derselben Formplatte bzw. demselben Modell oder Kernkasten möglichst viele Abformungen in dem Sand erzeugen zu können, die Anzahl der möglichen Abformungen wird jedoch durch die Beanspruchung der Oberfläche vermindert.
Deshalb werden die Formplatten, Modelle oder Kernkästen mit einer Schutzschicht in Form der Frontgussbeschichtung beschichtet, die die Oberfläche gegen Abrasion durch den Sand schützt. Dadurch kann die Zahl der Abformungen, die mit ein und derselben Formplatte, Modell oder Kernkasten möglich sind, erhöht werden. Beispielsweise bei einer Beschichtung, die auf DDM (Diaminodiphenylmethan) basiert, können so bis zu 50.000 Abformungen erzielt werden, während eine unbeschichtete Formplatte, Modell oder Kernkasten lediglich 25.000 Abformungen ermöglicht.
Die auf DDM basierenden Kunststoffe, die zur Beschichtung der Formplatte, des Modells oder des Kernkastens verwendet wurden, beinhalten neben DDM Isocyanate wie HDI (Hexamethyldiisocyanat) oder MDI (Diphenylmethandiisocyanat).
Die Frontgussbeschichtungen auf Formplatten, Modellen und Kernkästen haben bevorzugt nur einen geringen Schwund und nur wenige Einfallstellen, um eine möglichst saubere Abformung für die Herstellung eines Gussstücks oder Werkzeugs bereitstellen zu können. Weiter haben sie bevorzugt auch nur eine geringe Anhaftungs- und Klebeneigung zum Gießereiformstoff und eine hohe Wärmeformbeständigkeit. Um die Formplatten, Modelle oder Kernkästen gleichmäßig beschichten zu können, ist es weiter von Vorteil, wenn der dazu verwendete flüssige Kunststoff ausreichend flüssig ist, d. h. eine möglichst niedrige Viskosität hat, und gleichzeitig eine ausreichend hohe Verarbeitungszeit (Topfzeit) bereitstellt.
DDM ist jedoch hoch krebserregend und darf nicht mehr in die EU eingeführt werden, so dass DDM-Systeme nicht mehr verfügbar sind.
Daher ist es wünschenswert, eine Alternative zu den DDM-Systemen mit den oben genannten Eigenschaften bereitzustellen.
Denkbar ist hierzu ein Kunststoffsystem auf Basis von 6-Methyl-2,4-bis(methylthio)phenylen-1,3-Diam in, beispielsweise bekannt unter dem Handelsnamen Ethacure^® 300. Ethacure^® 300 ist aus der Polyurethan-Synthese bekannt. Bei Verwendung des Ethacure^® 300 in Mischung mit HDI oder MDI entstehen jedoch Polyharnstoff-Kunststoffe mit starkem Abrieb, die sehr spröde sind und über eine größere Fläche keinen gleichmäßigen Schwund haben. Solche Systeme sind daher nicht geeignet, Formplatten, Modelle oder Kernkästen für Gießereianwendungen zu beschichten.
Überraschenderweise wurde bei Versuchen herausgefunden, dass die Mischung aus Ethacure^® 300 und einem TDI (Toluoldiisocyanat) zu einem Polyharnstoff mit den gewünschten Eigenschaften reagiert. Insbesondere low free TDI, d. h. TDI mit einem geringen Monomer-Gehalt von kleiner als etwa 1%, insbesondere kleiner als etwa 0,5%, bevorzugt kleiner als etwa 0,1%, ist nicht toxisch und daher auch für zukünftige Anwendungen geeignet. TDI, das kein low free TDI ist, ist toxisch und daher nicht interessant für die Bereitstellung einer Alternative zu DDM-Systemen.
Mit einem Ethacure^® 300-TDI-Polyharnstoff als Beschichtung auf der Formplatte, dem Modell oder Kernkasten können beispielsweise bis zu 75.000 Abformungen in dem Gießereiformstoff erreicht werden.
Ein solcher Polyharnstoff hat beispielsweise eine Verarbeitungszeit von etwa 5 bis 15 Minuten bei Raumtemperatur. Es ist daher vorteilhaft, wenn der so erzeugte Polyharnstoff mit der Maschine verarbeitet wird, insbesondere wenn größere Hinterbauten damit beschichtet werden sollen.
Die Viskosität des flüssigen Polyharnstoffes bei Raumtemperatur beträgt beispielsweise 21.000 mPa × s. Die Wärmeformbeständigkeit liegt z. B. zwischen 95°C und 100°C nach ISO 75. Der hergestellte Kunststoff hat beispielsweise eine Dichte von etwa 1,2 g/cm³ und einen Härte-Shore D von 60 bis 65. Bei einem Schleifmedium S42 mit einer Belastung von 500 g auf jeder Seite entsteht z. B. ein Abrieb von 19 mm³/100 Umdrehungen.
Um Blasenbildung zu vermeiden, ist es von Vorteil, in dem Kunststoffsystem einen Entlüfter vorzusehen. Weiter resultiert ein Pigment in einem stark eingefärbten Kunststoff, so dass durch Unregelmäßigkeiten verursachte Kontraste gut zu erkennen sind.
Entlüfter und Pigment werden vorzugsweise dem Ethacure^® 300 beigemischt, da das TDI feuchtigkeitsempfindlich ist und daher vorzugsweise nicht mit Luft in Kontakt kommen sollte, bevor es mit dem Ethacure^® 300 vermischt wird.

Geeignete Mischungsverhältnisse der oben genannten Komponenten, die in Kunststoff-Beschichtungen mit den oben genannten beispielhaften Eigenschaften resultieren, sind in nachfolgender Tabelle 1 dargestellt: Tabelle 1

	I	II	III	IV	III
Komponente A	80 Gew.-Teile	90 Gew.-Teile	100 Gew.-Teile	110 Gew.-Teile	125 Gew.-Teile
Ethacure^® 300 Pigment Entlüfter	97,5% 0,5% 2,0%	97,25% 1,25% 1,5%	97,5% 1,0% 1,5%	97,75% 0,25% 2,0%	98,5% 0,5% 1,0%
	100%	100%	100%	100%	100%
Komponente B	500 Gew.-Teile	500 Gew.-Teile	500 Gew.-Teile	500 Gew.-Teile	500 Gew.-Teile
TDI	100%	100%	100%	100%	100%
	100%	100%	100%	100%	100%

Nachfolgend wird die Verwendung solcher Mischungen bei der Beschichtung eines Hinterbaus für Gießereianwendungen bzw. bei der Herstellung eines Gussstücks beschrieben.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Mischen und Applizieren von reaktiven Kunststoffen. Die Vorrichtung 10 weist zwei Tanks 12 auf, in denen die Komponenten A und B untergebracht sind. Komponente A stellt dabei eine Mischung aus einem Diamin, beispielsweise Ethacure^® 300, mit einem Pigment und einem Entlüfter wie in Tabelle 1 beschrieben dar. Komponente B beinhaltet lediglich ein reines low free TDI-Präpolymer, beispielsweise bekannt unter dem Handelsnamen Imuthane^® PET 70D.
Die Tanks 12 sind an einem ersten Ende 14 verschlossen und weisen an einem zweiten Ende 18 eine Öffnung 20 auf, die die Tanks 12 mit einem Füllkanal 22 verbindet.
Die Tanks 12 sind über an ihren Wänden 24 angebrachte Heizeinrichtungen 26 beheizbar und weisen Rührwerke 28 auf, so dass die Komponenten A und B permanent in den Tanks 12 durchgemischt werden, um so auch im Innenbereich 30 des Tanks die gleiche Temperatur zu haben wie in der Nähe der Wände 24.
Die Komponenten A und B werden über Dosierpumpen 32 aus den Tanks 12 gefördert.
Die Beheizung der Tanks 12 trägt dazu bei, dass die Komponenten A und B eine geringere Viskosität haben als bei Raumtemperatur und somit die resultierende Mischung leichter über eine Oberfläche verteilbar ist.
An einem den Öffnungen 20 entgegengesetzten Ende 34 der Füllkanäle 22 sind Stellventile 36 angebracht, über die eine gewünschte Menge an Komponente A und B in jeweils eine beheizte Zuleitung, nämlich einen Dosierkanal 38 eingeleitet werden kann. Von den Stellventilen 36 erstrecken sich Rezirkulationsleitungen 39 zurück zu den Tanks 12. Die Dosierpumpen 32 fördern die gewünschte Menge an Komponenten A und B in die beheizte Zuleitung zu einem Mischkopf 40. Die beheizten Dosierkanäle 38 enden an Materialventilen 39a des Mischkopfes 40, in dem die Komponenten A und B zur Reaktion miteinander vermischt werden. Die Dosierkanäle 38 sind ebenfalls beheizt.
Über die Materialventile 39a am Mischkopf 40 fließen die Komponenten A und B, d. h. der resultierende flüssige Polyharnstoff, in einen statisch-dynamischen Mischer 41, in dem die Komponenten A und B zur Reaktion miteinander vermischt werden.
Die Vorrichtung 10 wird über ein Mischrohr 46 an eine Gießform 48 angeschlossen, in der sich mit einem Abstand a zu den Wänden 50 der Gießform 48 ein zu beschichtender Hinterbau 52 befindet. Durch den Abstand a wird die Schichtdicke einer resultierenden Frontgussbeschichtung 54, gezeigt in 2, auf dem Hinterbau 52 zum Bilden einer Formplatte 56 bestimmt.
Im Folgenden wird kurz beschrieben, wie die Frontgussbeschichtung 54 auf der Formplatte 56 erzeugt wird.
In einen der Tanks 12 wird ein alkylthiosubstituiertes Toluoldiamin 58, beispielsweise Ethacure^® 300, vermischt mit einem Entlüfter 60 und einem Pigment 62, beispielsweise Pigmentpaste orange, als Komponente A eingefüllt. In den anderen Tank 12 wird reines Toluoldiisocyanat-Präpolymer 64, insbesondere ein low free Toluoldiisocyanat-Präpolymer, beispielsweise Imuthane^® PET 70D, als Komponente B eingefüllt.
Die Tanks 12 werden durch die Heizeinrichtung 26 auf eine Temperatur von etwa 40°C erhitzt und dabei die Komponenten A und B durch das Rührwerk 28 bewegt, so dass eine gleichmäßige Temperatur in den Komponenten A und B vorliegt.
Durch die Dosierpumpen 32 werden die Komponenten A und B in die Füllkanäle 22 gefördert. Durch Einstellen der Dosierpumpen 32 wird das gewünschte Mischungsverhältnis der Komponenten A und B zueinander eingestellt, beispielsweise ein Mischungsverhältnis von 100 Gew.-Teilen A zu 500 Gew.-Teilen B.
Die Komponenten A und B fließen durch die beheizte Zuleitung in den Mischkopf 40 und in den statisch-dynamischen Mischer 41 und bilden dort ein Reaktionsgemisch 66, das zu einem Kunststoff 68, insbesondere einem Polyharnstoff 70, abreagiert.
Der so erzeugte Kunststoff 68 fließt über das Mischrohr 46 in einen Zwischenraum 72 zwischen den Gießformwänden 50 und dem Hinterbau 52 und füllt diesen Zwischenraum 72 aus.
Der Hinterbau 52 wurde zuvor ebenfalls auf eine Temperatur von etwa 40°C erhitzt. Weiter wurde ein Oberflächenbereich 74 des Hinterbaus 52 zur Beschichtung mit dem Kunststoff 68 vorbereitet, beispielsweise der Oberflächenbereich 74 abgebürstet, wenn der Hinterbau 52 aus Aluminium 76 gebildet ist, um so eine Oxidationsschicht auf dem Aluminium 76 zu entfernen.
Der Kunststoff 68 beginnt zu gelieren. An diesem Punkt wird der Kunststoff 68 nachbehandelt, indem er beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 40°C über einen Zeitraum von etwa 12 Stunden nachgetempert wird. Es sind jedoch auch höhere Temperaturen bis etwa 80°C möglich, dies ermöglicht kürzere Nachtemper-Zeitspannen. Nach der Temperung wird die Gießform 48 entfernt.
Durch das Auftragen, Gelieren und Nachtempern des Kunststoffs 68 ist eine Frontgussbeschichtung 54 auf dem Oberflächenbereich 74 des Hinterbaus 52 entstanden, wie in 2 gezeigt ist. Die Frontgussbeschichtung 54 hat eine Schichtdicke von vorzugsweise zwischen 2 mm bis 10 mm. Alternativ kann auch ein Kernkasten 79 beschichtet werden, wie in 3 gezeigt.
Die in 2 gezeigte Formplatte 56 kann nun in einem Verfahren zur Herstellung eines Gussstücks 77 oder Werkzeugs 78 verwendet werden.
Es wird zunächst ein Gießereiformstoff 80 bereitgestellt, beispielsweise gebundener Sand, wie in 4 gezeigt.
In 5 ist gezeigt, wie die Formplatte 56 in den Gießereiformstoff 80 eingepresst wird, um einen Negativabdruck 82, in 6 gezeigt, zu bilden.
In diesen Negativabdruck 82 wird sodann eine Gießschmelze 84 eingefüllt, die abgekühlt wird und dabei aushärtet und dann die Kontur des Negativabdruckes 82 als Positiv 88 bzw. Gussstück 77, in 7 gezeigt, annimmt.
Durch die Beschichtung des Hinterbaus 52 mit dem Kunststoff 68 auf Basis eines low free TDI-Präpolymers 64 mit einem alkylthiosubstituierten Toluoldiamin 58 wird der Hinterbau 52 vor Abrasion durch den Gießereiformstoff 80 geschützt.
Die Frontgussbeschichtung 54 hat eine hohe Wärmeformbeständigkeit und neigt nur wenig dazu, an dem Gießereiformstoff 80 anzukleben.
Gleichzeitig hat der so erzeugte Kunststoff 68 nur einen geringen Schwund und nur wenige Einfallsstellen, so dass die so erzeugte Formplatte 56 besonders gut zur Herstellung von Negativabdrücken 82 in Gießereiformstoffen 80 geeignet ist.
Kunststoff 68 wird in der Gießereibranche als Frontgussbeschichtung für Modelle, Formplatten 56 und Kernkästen 79 angewandt, um eine möglichst hohe Standzeit und Abformungszahl zu erreichen. Die Frontschicht aus besagtem Kunststoff 68 ist vorzugsweise zwischen 2 mm bis 10 mm stark. Der Hinterbau 52 kann aus Holz, Kunststoff oder auch metallischen Werkstoffen, wie beispielsweise Aluminium 76, sein.
Generell wird der Kunststoff 68 zum Formen von Gießereiformsoff 80 eingesetzt. Der Gießereiformstoff 80 kann aus Quarz-, Chromit-, Zirkon- und anderen Sandarten in Verbindung mit einem Bindemittel wie Ton, Wasserglas oder chemische Binder wie z. B. Furanharz hergestellt werden.
Bisher wurden für diese Anwendungen Polyharnstoff-Systeme mit DDM verwendet. Das enthaltene DDM machte diese Systeme problemlos verarbeitbar und brachte die hohe Standzeit der Formplatten 56, Modelle und Kernkästen 79. Da DDM nicht mehr in die EU eingeführt werden darf, sind diese Systeme nicht mehr verfügbar. Alle bisher erstellten Versuchssysteme als Nachfolgersystem hatten jedoch ein nicht tolerierbares Schwindungsverhalten, Einfallstellen an der Formfläche, eine nur geringe Abrasionsbeständigkeit und neigt zu Formanhaftungen bzw. Formanbackungen.
Deshalb wird nun ein System vorgeschlagen, das die besagten Probleme nicht hat und gleichzeitig noch eine höhere Standzeit bietet als die bisherigen DDM-haltigen Systeme.
Bei dem System handelt es sich vorzugsweise um eine Mischung eines 2-Komponenten-Polyharnstoff-Systems auf Basis von 6-Methyl-2,4-bis(methyltio)phenylen-1,3-Diamin, das unter dem Handelsnamen Ethacure^® 300 bekannt ist, und einem low free TDI-Präpolymer 64 mit einem NCO-Gehalt von 8,4%, das unter dem Handelsnamen Imuthane^® PET 70D bekannt ist. Es können jedoch auch andere TDI-Präpolymere 64 verwendet werden, um einen Kunststoff 68 mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
Beispielsweise wird das Gemisch folgendermaßen formuliert:
Eine Komponente A enthält 97,5 Gew.-% Ethacure^® 300, 1,0 Gew.-% Pigmentpaste orange und 1,5 Gew.-% Entlüfter. Eine Komponente B enthält 100 Gew.-% Imuthane^® PET 70D.
Beispielsweise werden bei einer Kennzahl von 100% die beiden Komponenten A und B in einem Mischungsverhältnis von 100 Gew.-Teilen A zu 500 Gew.-Teilen B gemischt.
Ein daraus resultierender Kunststoff 68 hat beispielsweise eine Verarbeitungszeit bei Raumtemperatur von etwa 15 Minuten. Die Mischviskosität der beiden Komponenten A und B bei Raumtemperatur beträgt etwa 21.000 mPa × s. Der resultierende Kunststoff 68 besitzt z. B. eine Dichte von 1,2 g/cm³ und eine Härte Shore D von 60 bis 65. Der Abrieb des Kunststoffes 68 bei einem Schleifmedium S42 mit einer Belastung von 500 g auf jeder Seite beträgt etwa 19 mm³/100 Umdrehungen, die Wärmeformbeständigkeit nach ISO 75 beträgt etwa 95°C bis 100°C.
Der Kunststoff 68 kann in kleineren Mengen bis etwa 2 kg im Handverguss angewendet werden. Bei größeren Mengen bzw. größeren Hinterbauten 52 wird vorteilhaft eine 2-Komponenten-Misch- und Dosieranlage angewendet. Da die Viskosität der Komponente B recht hoch ist, werden die Komponenten A und B zum Verarbeiten auf etwa 40°C erwärmt, um die Viskosität zu senken und somit das System für die Anwendung gießfähiger zu machen. Es ist von Vorteil, wenn auch die verwendeten Hinterbauten 52 auf eine Prozesstemperatur von etwa 30°C bis 40°C gebracht werden. Ein Nachtempern der entstehenden Formplatte 56, des Modells oder des Kernkastens 79 bei etwa 30°C bis 40°C über 12 Stunden ist von Vorteil, um die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffes 68 zu erreichen.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Tank
14: erstes Ende
18: zweites Ende
20: Öffnung
22: Füllkanal
24: Wand (Tank)
26: Heizeinrichtung
28: Rührwerk
30: Innenbereich
32: Dosierpumpe
34: entgegengesetztes Ende (Füllkanal)
36: Stellventil
38: Dosierkanal/beheizte Zuleitung
39: Rezirkulationsleitung
39a: Materialventil
40: Mischkopf
41: statisch-dynamischer Mischer
46: Mischrohr
48: Gießform
50: Wand (Gießform)
52: Hinterbau
54: Frontgussbeschichtung
56: Formplatte
58: alkylthiosubstituiertes Toluoldiamin
60: Entlüfter
62: Pigment
64: Toluoldiisocyanat-Präpolymer (TDI)
66: Reaktionsgemisch
68: Kunststoff
70: Polyharnstoff
72: Zwischenraum
74: Oberflächenbereich
76: Aluminium
77: Gussstück
78: Werkzeug
79: Kernkasten
80: Gießereiformstoff
82: Negativabdruck
84: Gießschmelze
88: Positiv
A: Komponente
B: Komponente
a: Abstand

Claims

Verwendung eines Kunststoff-Reaktionsgemischs (66), das ein alkylthiosubstituiertes Toluoldiam in (58) und ein Toluoldiisocyanat-Präpolymer (64) umfasst, in einem Verfahren zur Herstellung einer Frontgussbeschichtung für eine Formplatte (56) oder einen Kernkasten (79) für Gießereianwendungen, mit den Schritten a) Bereitstellen eines Hinterbaus (52); b) Applizieren des Kunststoff-Reaktionsgemischs (66) auf wenigstens einem Oberflächenbereich (74) des Hinterbaus (52) zum Bilden einer Frontgussbeschichtung (54).
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Toluoldiisocyanat-Präpolymer (64) ein low free Toluoldiisocyanat-Präpolymer (64) mit einem geringen Monomer-Gehalt ist.
Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Monomer-Gehalt des Toluoldiisocyanat-Präpolymers (64) kleiner als etwa 1%, insbesondere kleiner als etwa 0,5%, mehr insbesondere kleiner als etwa 0,1%, ist.
Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch (66) eine Komponente A auf Basis des alkylthiosubstituierten Toluoldiamin (58) und eine Komponente B auf Basis des Toluoldiisocyanat-Präpolymers (64) umfasst, wobei die Komponenten A und B bei einer Kennzahl von 100% in einem Mischungsverhältnis von 125 Gewichtsteile A zu 500 Gewichtsteile B bis 80 Gewichtsteile A zu 500 Gewichtsteile B vorliegen.
Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Komponente A Additive umfasst, insbesondere wenigstens einen Entlüfter (60) und/oder wenigstens ein Pigment (62).
Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil des Entlüfters (60) an Komponente A1 Gew.-% bis 2 Gew.-%, insbesondere 1,3 Gew.-% bis 1,7 Gew.-%, beträgt und/oder dass der Gewichtsanteil des Pigmentes (62) an Komponente A maximal 2 Gew.-%, insbesondere maximal 1 Gew.-%, beträgt.
Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterbau (52) auf Basis von Holzwerkstoffen, Kunstwerkstoffen oder Metallwerkstoffen, insbesondere Aluminium (76), bereitgestellt wird.
Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterbau (52) vor Schritt b) vorbereitet wird, insbesondere indem eine Oxidationsschicht entfernt wird und/oder dass der Hinterbau (52) vor Schritt b) erwärmt wird, insbesondere auf eine Temperatur von 20°C bis 80°C, mehr insbesondere auf eine Temperatur von 40°C bis 50°C.
Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten A und B vor Schritt b) getrennt voneinander auf eine Temperatur von 20°C bis 80°C, insbesondere 40°C bis 50°C, erwärmt werden und/oder dass die erwärmten Komponenten A und B vor Schritt b) homogen miteinander vermischt werden.
Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Reaktionsgemisch (66) im Handverguss oder mit einer Misch- und Dosieranlage auf den Oberflächenbereich (74) appliziert wird und/oder dass das Kunststoff-Reaktionsgemisch (66) in einer Menge auf den Oberflächenbereich (74) des Hinterbaus (52) appliziert wird, dass die Frontgussbeschichtung (54) eine Schichtdicke von 1 mm bis 15 mm, insbesondere 5 mm bis 10 mm, aufweist, insbesondere in einer Menge von 5 kg bis 100 kg.
Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt c) Nachbehandlung, insbesondere Nachtempern des beschichteten Hinterbaus (52).
Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte unter Atmosphärenbedingungen durchgeführt werden.
Formplatte (56) oder Kernkasten (79) mit einem Hinterbau und einer Frontgussbeschichtung, hergestellt unter Verwendung eines Kunststoff-Reaktionsgemischs (66), das ein alkylthiosubstituiertes Toluoldiamin (58) und ein Toluoldiisocyanat-Präpolymer (64) umfasst, in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zur Herstellung eines Gussstücks (77) oder Werkzeugs (78) mit den Schritten a) Bereitstellen eines Gießereiformstoffs (80); b) Einpressen einer Formplatte (56) nach Anspruch 13 in den Gießereiformstoff (80) zum Bilden eines Negativabdruckes (82) der Formplatte (56) in dem Gießereiformstoff (80); c) Ausgießen des Negativabdruckes (82) mit einer Gießschmelze (84).