DE102014001947B4 - Druckgussform - Google Patents
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Abstract
Druckgussform (3) zur Herstellung von Prototypen von Strukturgussbauteilen,wobei die Druckgussform (3) aus einem mineralischen Werkstoff (1) besteht und in der Druckgussform (3) in mindestens einem Bereich, der im Zuge der Herstellung eines Strukturbauteils Eigenschaften einer thermischen Barriere aufweist, Fasern (5) in dem mineralischen Werkstoff (1) eingebettet angeordnet sind, wobei die Fasern (5) aus Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen,wobei die Fasern (5) aus einem Metall oder einem Gemisch von Metallen bestehen sowie eine Länge von 1 mm bis 1000 mm und einen Durchmesser von 0,05 mm bis 3 mm aufweisen,wobei durch eine lokale Variation des Gehaltes von Fasern (5) die Wärmeabfuhr innerhalb der Druckgussform (3) gezielt eingestellt ist und die Druckgussform (3) Bereiche (4) aufweist, in denen lokal eine höhere Dichte an Fasern (5) eingebracht ist, um dadurch die Wärmeleitfähigkeit zwischen einer Formoberfläche (O) und einer Formrückseite (R) lokal begrenzt zu steigern, undwobei zusätzlich zur Fixierung der Druckgussform (3) an einer Druckgussvorrichtung von dem mineralischen Werkstoff (1) umschlossene, aus Metall bestehende Segmente (8) im Bereich der Formrückseite (R) platziert sind, die mindestens ein Sackloch (9) aufweisen und die zudem auch noch als Wärmesenken wirken, wozu diese Segmente (8) in einer Verlängerung der Bereiche (4) mit lokal deutlich erhöhter Dichte an Fasern (5) angeordnet sind.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckgussform zur Herstellung von Prototypen von Strukturgussbauteilen.
- Aus dem Stand der Technik sind diverse Druckgussformen und Ansätze zu deren Herstellung bekannt. Aufgrund der zahlreichen Bearbeitungsschritte zur Herstellung konventioneller Druckgussformen aus Warmarbeitsstahl ist es aber mit Blick auf die damit verbundenen hohen Herstellungskosten von Vorteil, eine derartige Form zumindest für eine Verwendung als Prototypen-Werkzeug über andere formgebende Prozesse herzustellen, da bei einem Prototypen-Werkzeug mit nur ca. 100 bis etwa 200 vergleichsweise wenige Bauteile abgegossen werden und die Form dementsprechend geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt ist.
- Die
WO 01/90028 A1 - Zur Herstellung einer thermisch über 2000°C stabilen Schmelzform offenbart die
DE 10 2005 058 034 A1 die Verwendung einer nichtoxidischen Keramik unter Beimischung biomorpher Kohlenstofffasern zur Ausbildung eines Keramikkörpers mit hoher Porosität und hoher Permeabilität, die durch eine kapillare Mikrostruktur der gebrannten Keramik einstellbar sind. Diese hohe Porosität macht eine derartige Form für einen Einsatz als Druckgussform ungeeignet, da hierdurch unter Einwirkung hoher Drück beim Befüllen und insbesondere durch den Nachdruck die Gefahr eines Zusammendrückens der Poren besteht. Dadurch könnte die Geometrie, zumindest aber eine Oberflächengüte eines Druckgussbauteils beeinträchtigt werden, bis dahin, dass ein Gussbauteil nicht mehr entformbar sein könnte. - Die nächstliegende
DE 10 2007 037 701 A1 beschreibt eine Gussform mit mehreren Formteilen zum Herstellen von Gussteilen in einer Gießmaschine (beispielsweise einer Spritzgießmaschine für Kunststoffteile), wobei wenigstens eines der Formteile zumindest teilweise aus einem Hochleistungsbeton hergestellt ist. Vorteilhafterweise wird ein Hochleistungsbeton verwendet, welcher faserverstärkt ist. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn kleine Stahlfasern verwendet werden. Der Hochleistungsbeton kann mit Fasern, insbesondere Stahlfasern, vermischt und anschließend in eine Schalung eingefüllt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Formteil zusammen mit Funktionselementen wie Halterungsnuten, Führungen und Kanälen gegossen ist. Sie können mit entsprechenden Schalungen und Bauteilen bereits vor dem Gießen des Formteiles positioniert werden und sind anschließend in der gewünschten Lage angeordnet. - Der vorliegenden Erfindung liegt aber das Problem zugrunde, dass es in Druckgussformen und insbesondere bei der Herstellung von Strukturbauteilen Bereiche oder Zonen gibt, die aufgrund einer geringen thermischen Leitfähigkeit als thermische Barrieren wirken. Derartige Barrieren können sich negativ auf die Eigenschaften des fertigen Bauteils auswirken und sind daher zu vermeiden.
- Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung hier Abhilfe zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Druckgussform mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Demnach ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Druckgussform aus einem mineralischen Werkstoff besteht und in der Druckgussform in mindestens einem Bereich, der im Zuge der Herstellung eines Strukturbauteils Eigenschaften einer thermischen Barriere aufweist, Fasern in dem mineralischen Werkstoff eingebettet angeordnet sind, wobei die Fasern aus gut wärmeleitendem Material bzw. Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen. Würden dagegen Druckgussformen als Bauteile auf mineralischer Basis in denselben Negativ-Formen mit Faserverstärkung, aber ohne MicroHeatWires hergestellt, könnte nicht gewährleistet werden, dass ein jeweils produziertes Gussteil, u. a. auf Grund variierender Abkühlungsgeschwindigkeiten, innerhalb des herzustellenden Bauteils vergleichbare mechanische Eigenschaften besitzt, wie ein später in einer metallischen, herkömmlichen Form hergestelltes Druckgussteil.
- Nachfolgend werden unter dem Fachbegriff MicroHeatWires metallische Fasern einer Länge zwischen 1 mm und 1.000 mm verstanden, die einen Durchmesser zwischen 0,05 mm und 3 mm aufweisen. MicroHeatWires bestehen aus einem Werkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie z. B. Kupfer, Stahl, Aluminium oder deren Legierungen.
- Ein Verfahren zur Herstellung einer Druckgussform, bei dem eine Gießmasse in eine Negativ-Form gegossen und ausgehärtet wird, zeichnet sich dadurch aus, dass als Gießmasse ein mineralischer Werkstoff verwendet wird, z. B. ein hochfest aushärtender Beton, wobei der Gießmasse in mindestens einem Bereich, der im Zuge der Herstellung eines Strukturbauteils unter Verwendung dieser Druckgussform als thermische Barriere wirkt, Fasern in dem mineralischen Werkstoff eingebettet werden, wobei für die Fasern gut wärmeleitendes Material verwendet wird.
- Demnach weisen die Fasern je nach Ausführungsform eine Länge von ca. 1 mm bis 1000 mm und vorzugsweise Durchmesser von ca. 0,05 mm bis 3 mm auf.
- Gerade bei längeren Fasern ist es vorteilhaft, wenn die Fasern in dem gegen eine thermische Barrierewirkung auszurüstenden Bereich gewunden angeordnet sind. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Fasern als sog. Preform in dem betreffenden Bereich unter Anpassung an die jeweiligen räumlichen Gegebenheiten angeordnet. Damit behält die mindestens eine Faser dieses Paketes eine weitgehend vorgegebene Anordnung auch beim Einbringen des mineralischen Werkstoffs im Wesentlichen bei.
- Die Fasern bestehen aus einem Metall oder einem Gemisch von Metallen. In einem Ausführungsbeispiel werden Fasern aus Kupfer, Aluminium, Eisen oder Stahl verwendet.
- Durch die Möglichkeit einer lokalen Variation des Gehaltes von Fasern bzw. MicroHeatWires innerhalb einer Gießmasse aus einem mineralischen Werkstoff kann die Wärmeabfuhr innerhalb der sich ergebenden Druckgussform gezielt eingestellt werden. Zusätzlich wirken die eingebrachten metallischen Fasern im Sinne eines Faserverbundwerkstoffes, vergleichbar mit Faserbetonen, und verbessern die mechanischen Eigenschaften des Mineralgusses.
- Die Fasern können dabei je nach Ausführungsform eines Verfahrens (zur Herstellung der Druckgussform) in geordneter oder ungeordneter Anordnung auch direkt im Gussprozess eingebracht werden. In jedem Fall verbinden die Fasern ein durch eine Wärmebarriere erzeugtes lokales Wärmezentrum an einer Formoberfläche mit dem Bereich der Wärmeabfuhr auf einer Rückseite der Form.
- Bei einer Umsetzung eines Verfahrens (zur Herstellung der Druckgussform) ist weiterhin von Vorteil, dass die Gießmasse in die Negativ-Form unter weitgehender Vermeidung von Blasenbildung zur Erzielung eines Verbundmaterials geringer Porosität gegossen wird. Eine geringe Porosität in der erstellten Matrix trägt maßgeblich dazu bei, dass die Druckgussform auch unter Einwirkung starker Drücke im Produktionsprozess stabil bleibt und insbesondere nicht bereichsweise formändernd zusammengedrückt werden kann. Nur so ist durch eine derartige Form dauerhaft über ca. 200 Zyklen hinweg eine exakte Abbildung der gewünschten Geometrie zu erhalten.
- Eine Fixierung einer erfindungsgemäßen Druckgussform an einer Spannplatte oder sonstigen Aufnahme einer Druckgussmaschine zur thermischen Ankopplung sowie Kraftübertragung bei exakter Positionierung der Druckgussform wird vorteilhafter Weise dadurch wesentlich erleichtert, dass mindestens ein Segment zur speziellen Verankerung in der Druckgussform angeordnet ist, das beim Vergießen von dem mineralischen Werkstoff umschlossen wird. Diese Segmente bestehen aus Metall und stellen zusätzliche Wärmesenken dar, die als Fixierungs- und Verankerungsmittel vorzugsweise mit Innengewinden versehene Sacklöcher aufweisen. So ist eine erfindungsgemäße Druckgussform an einer Spannplatte oder sonstigen Aufnahme einer Druckgussmaschine fixierbar.
- Durch diesen Ansatz können die Herstellungskosten für ein derartiges Werkzeug im Vergleich zu einer aus Warmarbeitsstählen gefertigten Standard-Form um mehr als 75% gesenkt werden, wobei hier auch eine vergleichsweise deutliche verkürzte Herstellungszeit mit eingerechnet worden ist.
- Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
-
1 : eine Schnittdarstellung zum Vorgang des Einbringens von faserförmigen MicroHeatWires in eine mineralische Gießmasse beim Ausgießen einer Negativform einer späteren Druckgussform; -
2 : eine Schnittdarstellung gemäß1 zu einer alternativen Fertigung; und -
3 : ein Schnittbild eines Formeinsatzes mit eingebrachten MicroHeatWires in einer Temperaturfeld-Darstellung. - Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.
- Dauerformen in einem Druckgussprozess werden im Allgemeinen aus Warmarbeitsstählen gefertigt. Die Herstellung derartiger Dauerformen durchläuft mehrere Bearbeitungsschritte vom groben Vorfräsen bis zum Erodieren, dem Einstellen definierter Härten und dem anschließenden Finish durch manuelles Schleifen und Polieren. Die dadurch entstehenden Kosten sind erheblich und daher gerade bei Prototypenformen für wenige hundert herzustellende Abgüsse wirtschaftlich nicht vertretbar. Die Herstellung von Druckgussformen aus Mineralgussmaterialien, wie z. B. Beton, scheitert an der mangelnden Wärmeleitfähigkeit derartiger oder vergleichbarer keramischen Mischungen.
-
1 stellt in einer Schnittdarstellung den Vorgang des Einbringens in einer mineralischen Gießmasse1 beim Ausgießen einer Negativform2 zur Herstellung einer Druckgussform3 dar. In einem Bereich4 , der im Zuge der Herstellung eines Strukturbauteils Eigenschaften einer thermischen Barriere aufweist, werden hier nun metallische Fasern5 einer Länge zwischen 1 mm und 1.000 mm bei einem Durchmesser zwischen 0,05 mm und 3 mm aus einem Werkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit gezielt eingebracht, um die mangelnde Wärmeleitfähigkeit der mineralischen Gießmasse1 lokal zu erhöhen, die ohne diesen Eingriff um ein Vielfaches kleiner als die Wärmeleitfähigkeit von Warmarbeitsstählen ist. Derartige Fasern5 werden auch MicroHeatWires genannt und bestehen hier aus Kupfer, Stahl, Aluminium oder deren Legierungen. Damit wird in der fertigen Druckgussform3 in diesem gestrichelt eingezeichneten Bereich4 ein gerade bei der Herstellung von Strukturbauteilen im Druckgussverfahren durch Wärmebarrieren erzeugtes Wärmezentrum an einer Oberfläche der Druckgussform3 mit einer Wärmeabfuhr auf einer Rückseite der Druckgussform3 verbunden. - Durch eine lokale Variation des Gehaltes von MicroHeatWires 5 kann die Wärmeabfuhr innerhalb der Druckgussform
3 in nicht weiter zeichnerisch dargestellter Weise auch gezielt eingestellt werden. Zusätzlich wirken die eingebrachten metallischen Fasern5 im Sinne eines Faserverbundwerkstoffes, vergleichbar mit Faserbetonen. Damit verbessern die eingebrachten metallischen Fasern5 zusätzlich die mechanischen Eigenschaften der Druckgussform3 . - Zur Herstellung einer Druckgussform
3 aus einem Mineralguss muss also in bekannter Weise zunächst eine dementsprechende Negativform2 hergestellt werden. Hierfür kann ein einfach und günstig zu fertigendes Modell Verwendung finden, z. B. ein Modell aus mechanisch spanend bearbeitetem Polystyrol-Schaum. In dieses Modell wird die Gießmasse1 auf mineralischer Basis, z. B. auf Basis von Aluminium- und Siliziumoxiden, aus einem Vorrat6 eingefüllt. Während der Befüllung werden nun erfindungsgemäß als MicroHeatWires 5 aus metallischen Werkstoffen hoher Wärmeleitfähigkeit bestehende Fasern5 , z. B. aus Kupfer oder Aluminium, aus einem getrennten Speicher7 lokal beigemischt. - Alternativ kann gemäß der Abbildung von
2 die Gießmasse1 die MicroHeatWires 5 bereits beim Befüllen der Negativform2 enthalten. Zur Ausbildung unterschiedlich gut thermisch leitender Bereiche können dabei mehr als eine vorgemischte mineralische Gießmasse verwendet werden. In der Abbildung von2 ist exemplarisch ein Vorrat6' dargestellt, aus dem eine Gießmasse1' in einen anderen Bereich der Negativform2 gegossen wird. - Nicht weiter zeichnerisch dargestellt ist ein alternatives Verfahren, bei dem unter Verwendung sehr langer Fasern
5 von 1.000 mm Länge definierte Bereiche4 dadurch geschaffen werden, dass in einem Vorbereitungsschritt eine sog. Preform aus Fasern5 hergestellt wird. In dieser Preform sind die Fasern in Länge, Form, Verlauf und Orientierung vorgegeben. Dabei ist eine Faserdichte den Eigenschaften einer nachfolgend zum Einsatz kommenden mineralischen Gießmasse1 so angepasst, dass die Preform von der Gießmasse1 optimal durchdrungen und in ihr eingebettet werden kann. Die Preform wird dann quasi passgenau in einem Bereich4 der Negativform2 positioniert. Dann kann die mineralische Gießmasse1 darüber vergossen werden. Dabei wird beim Vergießen und vor dem Aushärten oder Erstarren der Gießmasse1 für eine sehr geringe Porosität der sich ergebenden Matrix durch spezielle Maßnahmen gesorgt, wie z. B. deutlich verminderter Umgebungsdruck bis hin zum Fast-Vakuum im Bereich der Negativform2 , wie sie dem Fachmann bekannt sind. - Nach der Aushärtung des Mineralgusses wird dieser aus dem Modell in bekannter Weise entformt und nach entsprechendem Bedarf bzw. Anforderungen nachbearbeitet. Hierdurch wird neben einer Formgenauigkeit auch eine entsprechende Oberflächengüte der nachfolgend zu produzierenden Prototypen- oder Kleinserie erreicht.
- Die Abbildung von
3 zeigt ein Schnittbild einer Druckgussform3 als Temperaturfeld-Darstellung durch einen Formeinsatz mit eingebrachten MicroHeatWires 5. An dem oberen Rand der Skizze befindet sich eine FormoberflächeO , an dem unteren Rand dementsprechend eine FormrückseiteR . Die beiden Pfeile weisen in gestrichelt eingefasste Bereiche4 , in den lokal eine höhere Dichte an MicroHeatWires 5 in die mineralische Gießmasse1 eingebracht wurde, um dadurch die Wärmeleitfähigkeit zwischen der FormoberflächeO und der FormrückseiteR lokal begrenzt zu steigern. Zusätzlich sind hier zwei Segmente8 in zwei Ausführungsbeispielen in der Druckgussform3 vorgesehen. Die Segmente8 dienen zur Fixierung der Druckgussform3 an einer nicht weiter dargestellten Spannplatte oder einer sonstigen dem Fachmann bekannten Aufnahme einer Druckgussvorrichtung. Hierdurch wird neben einer guten thermischen Ankopplung auch eine Kraftübertragung bei exakter Positionierung der Druckgussform3 erreicht. Jedes der hier dargestellten Segmente8 ist in der Druckgussform3 dadurch verankert, dass es schon beim Vergießen von dem mineralischen Werkstoff1 umschlossen wurde. Die in Zugrichtung hinterschnittene Form, die hier auch die Form eines Pilzkopfes annehmen kann, erhöht eine maximale Zugkraft. Die Zugkraft wird in dem einen Ausführungsbeispiel eines Segments8 durch ein in einer Ausnehmung9 bzw. einem Sackloch vorgesehenes Innengewinde10 übertragen. In eine Ausnehmung9 des anderen in3 exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispiels eines Segments8 kann eine andere Art von Fixierung an einer Spannplatte oder sonstige Aufnahme bekannter Druckgussmaschinen-Aufnahmen eingesetzt werden, beispielsweise ein Spreizstift oder ähnliches. - Da diese Segmente
8 aus Metall bestehen sind sie in den Temperaturbereichen, wie sie in diesen Regionen der Druckgussform3 herrschen, dauerhaft stabil. Zudem wirken die Segmente8 auch noch als Wärmesenken, so dass sie im vorliegenden Ausführungsbeispiel ungefähr in einer Verlängerung der gestrichelt eingefassten Bereiche4 mit lokal deutlich erhöhter Dichte an MicroHeatWires 5, die der Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit dient, vorgesehen sind. In der weiterhin thermisch wie mechanisch hoch belastbaren Druckgussform3 unterstützen die Bereiche4 und die Segmente8 damit beide den Wärmeabtransport. - Für die Auswahl der Materialien gelten folgende Randbedingungen, wobei als Grundwerkstoffe jede Art von mineralischen Werkstoffen einsetzbar sind, wie hochfester Beton oder Keramiken, die über ein urformendes Verfahren hergestellt werden können. Zusätzlich muss die Matrix folgenden, Druckguss-spezifischen Anforderungen standhalten:
- chemisch: keine chemische Reaktion oder Anhaftungen mit flüssigem oder erstarrtem Metall, insbesondere Aluminium / Magnesium; - thermisch: thermische Belastungen des Werkstoffes durch die flüssige Schmelze von über 750 °C; - mechanisch: ausreichende Thermoschockbeständigkeit, um ein durch thermische Spannungen beim Sprühprozess hervorgerufenes Versagen des Matrixwerkstoffes auch bei Temperaturdifferenzen von über 100°C zu verhindern. Grundsätzlich müssen hohe mechanische Druck- wie auch Zugspannungen während des Gießprozesses aufgenommen werden können. Ausreichend hohe Druckfestigkeit um speziell im Druckgussprozess auftretende hohe Zuhalte- und Nachdruckkräfte aufzunehmen; - physikalisch: sehr geringe Porosität in der Matrix, um eine exakte Abbildung der gewünschten Geometrie zu erhalten. - Für die Fasern
5 sind vorstehend nur Metalle genannt worden, wobei beim Aushärten der hier primär betrachteten mineralischen Gießmassen im Wesentlichen keine chemischen Reaktionen mit dem Material der Fasern5 ablaufen. Auch sind die MicroHeatWires 5 nachfolgend in der Druckgussform3 gegen den Einfluss von Chemikalien und der Außenatmosphäre gut geschützt. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gießmasse
- 1'
- weitere Gießmasse
- 2
- Negativform eines herzustellenden Druckgusswerkzeugs
- 3
- Druckgussform
- 4
- Bereich
- 5
- Faser / MicroHeatWire
- 6
- Vorrat
- 6'
- weiterer Vorrat
- 7
- Speicher
- 8
- Segment
- 9
- Ausnehmung / Sackloch
- 10
- Innengewinde
- O
- Formoberfläche
- R
- Formrückseite
Claims (3)
- Druckgussform (3) zur Herstellung von Prototypen von Strukturgussbauteilen, wobei die Druckgussform (3) aus einem mineralischen Werkstoff (1) besteht und in der Druckgussform (3) in mindestens einem Bereich, der im Zuge der Herstellung eines Strukturbauteils Eigenschaften einer thermischen Barriere aufweist, Fasern (5) in dem mineralischen Werkstoff (1) eingebettet angeordnet sind, wobei die Fasern (5) aus Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen, wobei die Fasern (5) aus einem Metall oder einem Gemisch von Metallen bestehen sowie eine Länge von 1 mm bis 1000 mm und einen Durchmesser von 0,05 mm bis 3 mm aufweisen, wobei durch eine lokale Variation des Gehaltes von Fasern (5) die Wärmeabfuhr innerhalb der Druckgussform (3) gezielt eingestellt ist und die Druckgussform (3) Bereiche (4) aufweist, in denen lokal eine höhere Dichte an Fasern (5) eingebracht ist, um dadurch die Wärmeleitfähigkeit zwischen einer Formoberfläche (O) und einer Formrückseite (R) lokal begrenzt zu steigern, und wobei zusätzlich zur Fixierung der Druckgussform (3) an einer Druckgussvorrichtung von dem mineralischen Werkstoff (1) umschlossene, aus Metall bestehende Segmente (8) im Bereich der Formrückseite (R) platziert sind, die mindestens ein Sackloch (9) aufweisen und die zudem auch noch als Wärmesenken wirken, wozu diese Segmente (8) in einer Verlängerung der Bereiche (4) mit lokal deutlich erhöhter Dichte an Fasern (5) angeordnet sind.
- Druckgussform (3) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (5) in den Bereichen (4) gewunden angeordnet sind. - Druckgussform (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (5) in weitgehend vorgegebener und auch beim Einbringen des mineralischen Werkstoffs (1) im Wesentlichen beibehaltbarer Anordnung als Preform in den Bereichen (4) angeordnet sind.
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