DE102015101939B3 - Process in the production of a lost model form - Google Patents
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Abstract
Mit dem Verfahren bei der Herstellung einer verlorenen Modellform aus Kunststoff, insbesondere aus Polystyrol-Schaumstoff zur Fertigung von Kleinserien, Einzelstücken oder Prototypen aus Metall im Ausschmelzverfahren, werden im Anschluss an die Formgebung und Aushärtung der Modellform an dieser partielle Korrekturen vorgenommen, die durch thermische Formgebung durchgeführt werden, beispielsweise mittels eines heißen Schneiddrahtes oder eines Prägestempels oder berührungsfrei durch Vergasen oder Verfegten.With the method in the production of a lost model mold made of plastic, in particular polystyrene foam for the production of small series, individual pieces or prototypes made of metal in Ausschmelzverfahren be made following the shaping and curing of the model form of this partial corrections by thermal shaping be carried out, for example by means of a hot cutting wire or a stamping die or non-contact by gasifying or Verfegten.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren bei der Herstellung einer verlorenen Modellform aus Polystyrol-Schaumstoff zur Fertigung von Einzelstücken, Prototypen oder Kleinserien aus Metall im Ausschmelzverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method in the production of a lost model form of polystyrene foam for the production of individual pieces, prototypes or small series of metal in Ausschmelzverfahren according to the preamble of claim 1.
Bei allen Gussverfahren mit verlorener Form werden die Gießformen mit Hilfe von verlorenen Modellen aus EPS (Expanded PolyStyrol) hergestellt und in einer feuerfesten Form, meistens aus Formsand, eingebettet. Beim anschließenden Eingießen des flüssigen Metalls, zumeist Leichtmetall wie Aluminium, wird das Modellmaterial ausgeschmolzen oder verdampft. Nach dem Abkühlen kann das Gussteil entnommen werden.In all casting processes with lost shape, the casting molds are produced by means of lost models made of EPS (Expanded PolyStyrene) and embedded in a refractory form, mostly of foundry sand. In the subsequent pouring of the liquid metal, usually light metal such as aluminum, the model material is melted or evaporated. After cooling, the casting can be removed.
Beispiele hierfür sind in
Nach diesem Verfahren mit verlorener Form, das auch eine filigrane Struktur der erzeugten Gußstücke ermöglicht, können beispielsweise Großserien für Zylinderköpfe von Fahrzeugmotoren, aber auch Prototypen, Kleinserien oder Einzelteile für Flugzeuge oder Kerne von Verbundbauteilen hergestellt werden. Im Entwicklungsprozess dieser Produkte und in anschließenden Versuchen ergibt sich häufig die Notwendigkeit, Änderungen und Anpassungen der Form vorzunehmen, beispielsweise durch partielle Korrekturen an der Modellform. Insbesondere beim Lost Foam Gießverfahren stellen solche Änderungen vor allem für komplexe Formen einen erheblichen zeitlichen und kostenintensiven Aufwand dar. Hierzu wurde beispielsweise versucht, in einer CNC-Maschine ein „überflüssiges” Formteil durch Fräsen abzutragen. Als Nachteil hat sich allerdings herausgestellt, dass bei der Fräsbearbeitung die glatte Oberfläche der Modellform zerstört wird, so dass die Schnittstelle eine unregelmäßige Oberfläche hat, die auf der körnigen Blasenstruktur des Schaumstoffs beruht.According to this method with lost shape, which also allows a filigree structure of the castings produced, for example, large series for cylinder heads of vehicle engines, but also prototypes, small series or items for aircraft or cores can be made of composite components. In the development process of these products and in subsequent trials, there is often the need to make changes and adjustments to the shape, for example, by partial corrections to the model shape. In particular, in the Lost Foam casting process such changes, especially for complex forms a considerable time and costly effort. For this purpose, for example, attempts to ablate in a CNC machine, a "superfluous" molding by milling. As a disadvantage, however, it has been found that during milling, the smooth surface of the model mold is destroyed, so that the interface has an irregular surface, which is based on the granular bubble structure of the foam.
Der Bericht von M. Borchers et al. „Styropor-3D-Drucker” des Praktikums Digitale Systeme SS 2006 der TU Berlin von Juli 2006 zeigt und beschreibt mehrere Möglichkeiten zum Zuschneiden von Objekten aus Styropor mit Hilfe eines straff gespannten Heißdrahtes. Dabei können allerdings keine komplexen, filigranen Strukturen erzeugt werden, insbesondere keine konkaven Formen mit kleinen Radien oder Hinterschneidungen.The report by M. Borchers et al. "Styrofoam 3D Printer" of the Praktikum Digitale Systeme SS 2006 of the TU Berlin from July 2006 shows and describes several possibilities for cutting objects out of styrofoam with the help of a taut hot wire. However, no complex, filigree structures can be produced, in particular no concave shapes with small radii or undercuts.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Modellformen aus Schaumkunststoff so variiert werden können, dass auch komplexe Formen bis hin zu filigranen Strukturen mit konkaven Formen und Hinterschneidungen hergestellt werden können. Dabei sollen nach der Formkorrektur die glatte Oberfläche erhalten bleiben und die Gußstücke auch an den geänderten Stellen durchgehend glatt und regelmäßig sein.The invention has for its object to provide a method by which model molds made of foamed plastic can be varied so that even complex shapes can be made to filigree structures with concave shapes and undercuts. The smooth surface should be retained after the shape correction and the castings should be smooth and regular even at the changed points.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Korrekturen mit einem thermischen Formgebungsverfahren gemäß Anspruch 1 durchgeführt werden. Bei sehr hohen Temperaturen wird im Wesentlichen der Kunststoff (EPS) berührungsfrei lokal vergast.According to the invention, this object is achieved in that the corrections are performed with a thermal shaping method according to claim 1. At very high temperatures, essentially the plastic (EPS) is gasified locally without contact.
Hingegen findet bei gemäßigten Temperaturen, d. h. bei Werkzeugtemperaturen gleich oder größer als die Schmelztemperatur des Kunststoffes, ein Aufschmelz- oder Schneidschmelzprozess statt, etwa mittels eines heißen Werkzeugs variabler Form. Hierbei können zur Formkorrektur Verrundungen, filigrane Spitzen oder hinterschnittene Flächen erzeugt werden. Im Gegensatz zu den spanabhebenden Fräsverfahren können dabei überschüssige Formteile abgetrennt werden, wobei die Oberfläche eine durchgehend glatte Struktur behält.On the other hand, at moderate temperatures, i. H. at mold temperatures equal to or greater than the melting temperature of the plastic, a reflow or Schneidschmelzprozess held, such as by means of a hot tool of variable shape. In this case, fillets, filigree points or undercut surfaces can be created for shape correction. In contrast to the cutting milling process, excess moldings can be separated, whereby the surface retains a continuous smooth structure.
Eine dritte Möglichkeit zur thermischen Formgebung ist das Heißprägen mittels eines druckbelasteten Werkzeugs, dessen Temperatur unter der Schmelztemperatur des Kunststoffs liegt. Dadurch können in die Modellform Vertiefungen eingeprägt werden, ohne dass überschüssige Formteile abgetrennt werden.A third possibility for thermal shaping is the hot stamping by means of a pressure-loaded tool whose temperature is below the melting temperature of the plastic. As a result, depressions can be impressed into the model mold without excess moldings being cut off.
Die gesamte Oberfläche des Schäumlings oder Modells kann anschließend mit einer Schlichte beschichtet werden, die aus einer wässrigen Lösung besteht und einen Kontakt der Modellform mit dem Formsand der feuerfesten Form verhindert.The entire surface of the foamer or model may then be coated with a size consisting of an aqueous solution which prevents contact of the model mold with the molding sand of the refractory mold.
Wenn die Notwendigkeit besteht, nicht ein überschüssiges Formteil abzutrennen, sondern statt dessen die Modellform partiell zu erweitern oder zu vergrößern, kann anstelle des abgetrennten Formteils ein Alternativformteil eingesetzt und an der Schnittstelle fixiert werden, beispielsweise durch Kleben. Hierzu ist es möglich, bereits bei der Konstruktion durch CAD von vornherein lokal größere Inseln zu planen, die dann bei Bedarf durch Schneidschmelzen abgetrennt werden, um dort variierte Alternativformteile einzukleben.If there is a need not to separate an excess molding, but instead to partially expand or enlarge the model mold, an alternative molding can be used instead of the separated mold and fixed at the interface, for example by gluing. For this purpose, it is possible to plan locally larger islands already in the construction by CAD, which are then separated if necessary by cutting melts, to glue there varied alternative moldings.
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das in einer Schnittansicht schematisch dargestellt ist.The invention is explained below with reference to an embodiment which is shown schematically in a sectional view.
Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine mögliche verlorene Modellform
An einer Stelle ist ein flanschartiger Vorsprung
Im rechten Bereich der Modellform
Eine andere Möglichkeit ist in der Mitte der Figur angedeutet, wo mittels eines heißen Werkzeugs in Form eines Stempels eine Vertiefung
Bei der thermischen Formgebung gemäß der Erfindung werden in einer numerisch gesteuerten Maschine in Abhängigkeit von der gewünschten Oberflächengüte die jeweiligen Parameter der eingesetzten Werkzeuge wie Bahngeschwindigkeit, Temperatur oder Andruckkraft entsprechend variiert.In the thermal shaping according to the invention, the respective parameters of the tools used, such as web speed, temperature or pressure force, are varied correspondingly in a numerically controlled machine depending on the desired surface quality.
Mit der Erfindung steht ein sogenanntes Rapid-Prototyping-Verfahren zur Verfügung, bei dem definierte Formänderungen auch in größeren Bereichen mit oder ohne Werkzeug-Berührung durchgeführt werden können.With the invention, a so-called rapid prototyping method is available, can be performed in the defined deformations in larger areas with or without tool touch.
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