DE102016004954A1 - Method for producing an injection mold for components made of injection-moldable materials of high-performance ceramics, such as silicon nitride - Google Patents

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung einer Spritzgussform zu entwickeln, dass beispielsweise die Formgenauigkeit der Kugelform einer Kugeldichtfläche (3) ohne jegliche Grün- oder Nachbearbeitung nach dem Sinterbrand eines aus Siliciumnitrid hergestellten Gleitschuhes (2), optimal den erhöhten Anforderungen an die Formgenauigkeit zur Gewährleistung der mit der Abdichtung verbundenen Dicht- und Gleitaufgaben gerecht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Spritzgussform für Bauteile aus spritzgießfähigen Materialien der Hochleistungskeramik, wie Siliciumnitrid, zeichnet sich dadurch aus, dass mit dieser gemäß des Standes der Technik hergestellten Basisspritzgussform zunächst mindestens 25 Stück Basisbauteile abgespritzt, entbindert und danach gesintert werden, diese nachfolgend vermessen, die Messergebnisse statistisch ausgewertet und als IST-Kontur (8) digitalisiert, mit der Nominalgeometrie (7) verglichen und lotrecht an der Nominalgeometrie (7) gespiegelt, und auf die dabei entstehenden Korrekturfläche/n (9) der werkstoffspezifische Schwindungsfaktor aufscaliert und die Randbereiche (10) der Korrekturfläche/n (9) mittels Grenzflächen (11) an die Nominalgeometrie (7) ”angepasst”, und die Korrekturfläche/n (9) zusammen mit den Grenzflächen (11) als Modellierfläche/n in die Basisspritzform übertragen werden. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spritzgussform für Bauteile aus spritzgießfähigen Materialien der Hochleistungskeramik, wie Siliciumnitrid, zur Gewährleistung einer, bezogen auf die konstruktiv vorgegebene Nominalgeometrie (7), hohen Formgenauigkeit.The invention has for its object to develop a method for producing an injection mold that, for example, the dimensional accuracy of the spherical shape of a ball sealing surface (3) without any greening or post-processing after the sintering of a sliding block made of silicon nitride (2), optimally meet the increased demands on the Form accuracy to ensure the sealing associated with the sealing and sliding tasks is fair. The inventive method for producing an injection mold for components made of injection-moldable materials of high-performance ceramics, such as silicon nitride, characterized in that first sprayed with this manufactured according to the prior art base injection mold at least 25 pieces basic components, debinded and then sintered, these measured below, the measured results are statistically evaluated and digitized as the actual contour (8), compared with the nominal geometry (7) and mirrored perpendicular to the nominal geometry (7), and the material-specific shrinkage factor is scaled up to the resulting correction surface (s) (9) 10) of the correction surface (s) are "matched" to the nominal geometry (7) by means of interfaces (11) and the correction surface (s) (9) are transferred together with the interfaces (11) as modeling surface (s) to the base injection mold. The invention relates to a method for producing an injection mold for components made of injection-moldable materials of high-performance ceramics, such as silicon nitride, to ensure a high dimensional accuracy, based on the design nominal geometry (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spritzgussform für Bauteile aus spritzgießfähigen Materialien der Hochleistungskeramik, wie Siliciumnitrid, zur Gewährleistung einer, bezogen auf die konstruktiv vorgegebene Nominalgeometrie, hohen Formgenauigkeit.The invention relates to a method for producing an injection mold for components made of injection-moldable materials of high-performance ceramics, such as silicon nitride, to ensure a high dimensional accuracy, based on the design nominal geometry.

In den letzten Jahrzehnten wurden neue keramische Werkstoffe entwickelt, welche auf Grund ihres speziellen Eigenschaftsprofils in der Technik immer weiter verbreitet Anwendung finden. Hauptanwendungsgebiete dieser sogenannten Hochleistungskeramik(en), sind zumeist dort, wo der Einsatz von Metallen oder Kunststoffen Probleme auf Grund des mechanischen oder chemischen Verschleißes und/oder der Warmfestigkeit bereitet.In recent decades, new ceramic materials have been developed which, due to their special property profile, are becoming more and more widely used in technology. Main applications of these so-called high-performance ceramics (ies) are mostly where the use of metals or plastics causes problems due to mechanical or chemical wear and / or heat resistance.

Hochleistungskeramiken sind „hochentwickelte, hochleistungsfähige keramische Werkstoffe”, die aus Pulvern auf oxidischer, nitridischer, karbidischer oder boridischer Basis mit einer definierten Zusammensetzung hergestellt werden.High performance ceramics are "advanced, high performance ceramics" made from powders of oxide, nitride, carbide or boride with a defined composition.

Die Herstellung der Bauteile erfolgt über die Herstellung eines Grünlings aus dem jeweiligen Pulver durch Verdichten und/oder durch die plastischen Verformung des verflüssigten Pulvers, beispielsweise sehr effektiv im Spritzgießverfahren. Aus diesem Grünling entsteht dann mittels Sinterbrand bei Temperaturen von ca. 1.050°C bis 2.200°C die Keramik mit den gewünschten Eigenschaften.The production of the components takes place via the production of a green compact from the respective powder by compacting and / or by the plastic deformation of the liquefied powder, for example very effectively by injection molding. The ceramic with the desired properties is then produced by sintering at temperatures of approx. 1,050 ° C to 2,200 ° C from this green body.

Da beim Sintern eine Verdichtung stattfindet ist dies mit einem werkstoffspezifischen Schwindungsprozess in der Größenordnung von ca. 20% verbunden.As densification takes place during sintering, this is associated with a material-specific shrinkage process in the order of about 20%.

Infolge der Verfahrensschritte ”Formgebung” und ”Brennen” sind die keramischen Bauteile nach dem Brand jedoch sehr stark toleranzbehaftet. Bei der Herstellung der Gleitschuhe für die in der DE 10 2008 026 218 B4 , wie auch der in der DE 10 2013 011 209 B3 eingesetzten Axialkolbenpumpen bietet sich, auf Grund der hohen Verschleißfestigkeit, der geringen Wärmeausdehnung, der Korrosionsbeständigkeit/Unempfindlichkeit gegenüber nahezu allen Fördermedien, der hohen Dichte wie auch des geringen Gewichtes, der Einsatz von Hochleistungskeramiken, hier insbesondere Siliziumnitrid an.As a result of the process steps "shaping" and "firing", however, the ceramic components are subject to very high tolerances after firing. In the manufacture of the sliding shoes for in the DE 10 2008 026 218 B4 as well as in the DE 10 2013 011 209 B3 Due to the high wear resistance, the low thermal expansion, the corrosion resistance / insensitivity to almost all pumped media, the high density as well as the low weight, the use of high-performance ceramics, especially silicon nitride, offers itself.

Als effektives Verfahren zur Herstellung der Grünlinge bietet sich das Spritzgussverfahren an.As an effective method for producing the green compacts, the injection molding process offers.

Das in der DE 39 42 686 C2 offenbarte Verfahren zum Spritzgießen von Keramik, bei dem eine Formmasse aus einem keramischen Pulver und einem Bindemittel plastifiziert wird und mit einer Spritzgießmaschine formgespritzt wird, beschreibt eine Lösung zur Vermeidung von Poren oder Schweißstellen im Keramikformkörper.That in the DE 39 42 686 C2 discloses a method for injection molding of ceramics, in which a molding material of a ceramic powder and a binder is plasticized and molded with an injection molding machine, describes a solution for avoiding pores or welds in the ceramic molding.

Doch auch bei Berücksichtigung der in der DE 39 42 686 C2 offenbarten Lehre, treten an den Oberflächen der nach dem Spritzgießen gesinterten Keramikformkörper Formabweichungen von der konstruktiv vorgegebenen Nominalgeometrie auf.But even with the consideration in the DE 39 42 686 C2 revealed doctrine, occur on the surfaces of the sintered after injection molding ceramic molding shape deviations from the design nominal geometry.

Diese Formabweichungen sind, beispielsweise bei der Herstellung der Gleitschuhe für diese Axialkolbenpumpen aus Siliciumnitrid im Spritzgussverfahren, im Bereich der an diesen Gleitschuhen angeordneten Kugeldichtflächen so funktionskritisch, dass derartige Gleitschuhe für Axialkolbenpumpen, ohne jegliche Nachbearbeitung der Kugeldichtflächen, nicht im Spritzgussverfahren aus Siliciumnitrid hergestellt werden können.These shape deviations are, for example in the production of the sliding blocks for axial piston pumps made of silicon nitride by injection molding, in the area of arranged on these sliding ball sealing surfaces so functional critical that such sliding shoes for axial piston pumps, without any reworking of the ball sealing surfaces, can not be produced by injection molding of silicon nitride.

Diese an jedem der Gleitschuhe angeordnete Kugeldichtfläche stellt erhöhte Anforderungen an die Maßgenauigkeit und Oberflächengüte, nur dadurch können die an den Gleitschuhen angeordneten Kugeldichtflächen den mit der Abdichtung der Axialkolbenpumpe verbundenen Dicht- und Gleitaufgaben (entlang dieser Funktionsfläche) der Kugeldichtfläche gerecht werden.This arranged on each of the sliding shoes ball sealing surface places increased demands on the dimensional accuracy and surface quality, only by the arranged on the shoes ball sealing surfaces can be the sealing of the axial piston connected sealing and sliding tasks (along this functional surface) of the ball sealing surface fair.

Daher ist an den, nach dem gegenwärtigen Stand der Technik hergestellten, Kugeldichtflächen eine spanende Nachbearbeitung des hochfesten keramischen Bauteiles zwingend erforderlich.Therefore, on the manufactured according to the current state of the art, ball sealing surfaces a machining post-processing of the high-strength ceramic component is mandatory.

Aufgrund der hohen Härte- und hohen Verschleißfestigkeit und der zur Bearbeitung erforderlichen, zwingend notwendigen teuren Werkzeuge und Hilfsmittel ist eine derartige Nachbearbeitung einer Kugeldichtfläche nach dem Sinterbrand sehr kostenintensiv, da aufgrund der hohen Werkstoffhärte zur Nachbearbeitung der Kugeldichtfläche nur abtragende Verfahren wie Schleifen, Honen, Lappen oder auch Sonderverfahren wie Ultraschall- und Laserbearbeitung in Frage kommen.Due to the high hardness and high wear resistance and necessary for processing, absolutely necessary expensive tools and aids such reworking a ball sealing surface after sintering is very expensive, because due to the high material hardness for finishing the ball sealing surface only erosive methods such as grinding, honing, cloth or special procedures such as ultrasonic and laser processing come into question.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung einer Spritzgussform für Bauteile aus spritzgießfähigen Materialien der Hochleistungskeramik, wie Siliciumnitrid zu entwickeln, die eine hohe Formgenauigkeit für im Spritzgussverfahren mit nachfolgendem Sintern hergestellte Bauteile aus spritzgießfähigen Materialien der Hochleistungskeramik, wie Siliciumnitrid, gewährleistet, so dass beispielsweise die Formgenauigkeit der Kugelform einer (beispielsweise an einem Gleitschuh für Axialkolbenpumpen angeordneten) Kugeldichtfläche ohne jegliche Grünbearbeitung, wie aber auch ohne jegliche spanende Nachbearbeitung der hochfesten keramischen Kugeloberflächenform nach dem Sinterbrand des aus Siliciumnitrid hergestellten Gleitschuhes, optimal den erhöhten Anforderungen an die Formgenauigkeit zur Gewährleistung der mit der Abdichtung verbundenen Dicht- und Gleitaufgaben dieser Funktionsflächen gerecht wird.The invention is therefore based on the object of developing a method for producing an injection mold for components made of injection-moldable materials of high-performance ceramics, such as silicon nitride, which ensures high dimensional accuracy for components produced by injection molding with subsequent sintering from injection-moldable materials of high-performance ceramics, such as silicon nitride that, for example, the dimensional accuracy of the spherical shape of a (for example, arranged on a shoe for axial piston pump) ball sealing surface without any greening, as well as without any post-machining the high-strength ceramic spherical surface shape after the sintering of silicon nitride manufactured shoe optimally meets the increased demands on the dimensional accuracy to ensure the sealing associated with the sealing and sliding tasks of these functional surfaces.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Spritzgussform für Bauteile aus spritzgießfähigen Materialien der Hochleistungskeramik, wie Siliciumnitrid, beispielsweise zur Herstellung eines Bauteils aus Siliciumnitrid mit einer Kugeldichtfläche, nach den Merkmalen des Hauptanspruches der Erfindung gelöst.According to the invention, this object is achieved by a method for producing an injection mold for components made of injection-moldable materials of high-performance ceramics, such as silicon nitride, for example for producing a component from silicon nitride with a ball sealing surface, according to the features of the main claim of the invention.

Vorteilhafte Ausführungen, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung in Verbindung mit sieben Darstellungen zur erfindungsgemäßen Lösung.Advantageous embodiments, details and features of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description of the solution according to the invention in conjunction with seven representations of the inventive solution.

Es zeigen die:It show the:

1: eine Axialkolbenpumpe 1 in der Seitenansicht im Schnitt mit einem Gleitschuh 2 und der an diesem angeordneten Kugeldichtfläche 3; 1 : an axial piston pump 1 in side view in section with a sliding shoe 2 and the ball sealing surface disposed thereon 3 ;

2: einen Gleitschuh 2 für Axialkolbenpumpen 1 in der Seitenansicht im Schnitt mit der Kugeldichtfläche 3; 2 : a slide shoe 2 for axial piston pumps 1 in side view in section with the ball sealing surface 3 ;

3: einen im Spritzgussverfahren hergestellten Gleitschuh 2 nach dem Sinterbrand mit Einfallstellen 6; 3 : an injection molded shoe 2 after sintering with sink marks 6 ;

4: den/einen Fließverlauf im Spritzgusswerkzeug bei der Herstellung der Grünlinge der Gleitschuhe 2; 4 : the flow path in the injection molding tool during the production of the green pieces of the sliding shoes 2 ;

5: einen zeichnerisch dargestellten Gleitschuh 2 mit der Nominalgeometrie 7 (Soll-Kontur) der Kugeldichtfläche 3, der IST-Kontur 8 nach dem Sintern und der Darstellung der erfindungsgemäßen Korrekturfläche 9; 5 : a drawing shoe illustrated 2 with the nominal geometry 7 (Nominal contour) of the ball sealing surface 3 , the IS contour 8th after sintering and the representation of the correction surface according to the invention 9 ;

6: die Einzelheit A gemäß 5, mit dem erfindungsgemäß ermittelten Randbereich 10; 6 : the detail A according to 5 , with the edge region determined according to the invention 10 ;

7: die Einzelheit A gemäß 5, nach dem Aufscalieren des Schwindungsfaktors und mit der ermittelten Grenzfläche 11 mit tangentenstetigem Kurvenverlauf im ursprünglichen Randbereich 10. 7 : the detail A according to 5 after scaling up the shrinkage factor and with the determined interface 11 with tangent-continuous curve in the original border area 10 ,

Die 1 zeigt eine Axialkolbenpumpe 1 in der Seitenansicht, im Schnitt mit einem Gleitschuh 2 und der an diesem angeordneten Kugeldichtfläche 3.The 1 shows an axial piston pump 1 in the side view, in section with a sliding shoe 2 and the ball sealing surface disposed thereon 3 ,

Im Stand der Technik werden diese Gleitschuhe für Axialkolbenpumpen aus Stahl mit entsprechender Wärmebehandlung bzw. Beschichtungen (z. B. DLC) hergestellt.In the prior art, these sliding shoes for axial piston pumps made of steel with appropriate heat treatment or coatings (eg DLC) are produced.

Die gegenwärtig zur Herstellung dieser, als Einzelteil in der Seitenansicht im Schnitt in der 2 dargestellten Gleitschuhe 2 erforderlichen Arbeitsprozesse sind aufwendig und energieintensiv. Es handelt sich dabei um das Drehen, das Honen, das Kolsterisieren, das Trovalisieren, sowie das Trocknen und Beschichten.Currently in the production of these, as an item in the side view in section in the 2 illustrated sliding shoes 2 required work processes are complex and energy-intensive. These are turning, honing, colosting, trovalizing, drying and coating.

Trotz dieser hohen Fertigungsaufwendungen sind die Gleitschuhe hinsichtlich der Laufzeit wie auch der Reibleistungsverluste sehr anfällig, da gerade bei Beschichtungen kleinste Abweichungen im Prozess oder in den Betriebsbedingungen große Auswirkung auf das Endprodukt haben.Despite these high production costs, the sliding shoes are very susceptible in terms of running time as well as friction losses, as even the smallest deviations in the process or in the operating conditions have a major impact on the final product, especially in the case of coatings.

Bei der Suche nach alternativen Lösungen war es ein Hauptziel die Prozessschritte und damit den logistischen Aufwand zu reduzieren, da gegenwärtig die vorbeschriebenen, zur Herstellung der Gleitschuhe erforderlichen Prozessschritte von vier Zulieferern an vier unterschiedlichen Standorten durchgeführt werden.In the search for alternative solutions, a main objective was to reduce the process steps and thus the logistical effort, since currently the above-described process steps required for the production of the sliding shoes are carried out by four suppliers at four different locations.

Mit dieser alternativen Lösung sollte aber gleichzeitig auch eine hohe Maßhaltigkeit und eine Unempfindlichkeit gegen alle in Frage kommenden Fördermedien (Fördermedien von sauer bis basisch), wie auch ein homogenes, störunanfälliges Gefüge gewährleistet werden, zudem sollte im Rahmen der erforderlichen Weiterentwicklung des gegenwärtig Einsatz findenden Produktes die Robustheit dieser Gleitschuhe im Bezug auf deren Verschleiß und deren Temperaturbelastbarkeit deutlich gesteigert, und dabei gleichzeitig auch die Leistungsaufnahme der Axialkolbenpumpen durch eine deutliche Reduzierung der Reibleistungsverluste im Betriebszustand gesenkt werden.With this alternative solution but at the same time a high dimensional stability and insensitivity to all eligible pumped media (media from acidic to basic), as well as a homogeneous, störunanfälliges structure should be ensured, also should in the context of the required development of the currently deploying product the robustness of these shoes significantly increased in terms of their wear and their temperature resistance, while also reducing the power consumption of the axial piston pumps by a significant reduction in friction losses during operation.

Als Werkstoff kamen in der in diesem Zusammenhang durchgeführten Studie auch die keramischen Hochleitungswerkstoffe in Frage.The material used in this study was also the ceramic high-conductivity materials.

Bauteile mit derartigen Geometrien für den Einsatz in derartigen tribologischen Systemen können jedoch nach dem gegenwärtigen Stand der Technik nicht aus keramischen Hochleitungswerkstoffen in der benötigten Qualität und mit den vorgegebenen/benötigten Toleranzen wirtschaftlich/kostengünstig in der industriellen Serienfertigung hergestellt werden.Components with such geometries for use in such tribological systems, however, can not be made in the current state of the art of ceramic high-conductivity materials in the required quality and with the predetermined / required tolerances economically / cost-effectively in industrial mass production.

Dies betrifft sowohl die nichtoxidischen Keramiken (wie z. B. SIC, Si3N4) wie auch die oxidischen Keramiken (wie z. B. Al2O3) in Verbindung mit den bei diesen Werkstoffen industriell eingesetzten Herstellungsverfahren, wie das Spritzgussverfahren oder das Pressen.This applies to both the non-oxidic ceramics (such as SIC, Si3N4) as well as the oxide ceramics (such as Al2O3) in connection with the industrial processes used in these materials, such as injection molding or pressing.

Im hier vorliegenden Einsatzfall ist die volle Austauschbarkeit bezogen auf das aus Stahl hergestellte Bauteil ”Gleitschuh” eine zwingende Grundvoraussetzung für den Einsatz eines neuen Werkstoffes, so dass das Bauteil, der Gleitschuh, nicht unter Berücksichtigung des Einsatz findenden Werkstoffes, d. h. werkstoffspezifisch, neu konstruiert werden kann.In the present case, the full interchangeability with respect to the component made of steel "shoe" is a mandatory Basic requirement for the use of a new material, so that the component, the shoe, not in consideration of the material used, ie material-specific, can be redesigned.

Im Zusammenhang mit dem Einsatz von Hochleistungskeramik, bevorzugt Siliciumnitrid, war sowohl die sehr geringe Wandstärke, wie auch die exakte Ausprägung der Kugelform sehr kritisch.In connection with the use of high performance ceramics, preferably silicon nitride, both the very small wall thickness, as well as the exact form of the spherical shape was very critical.

Erste Versuche diese Gleitschuhe 2 aus einer Hochleistungskeramik im Spritzgussverfahren herzustellen zeigten, dass die Qualität der sinterfertigen Oberfläche und die bauteilspezifischen Toleranzen dazu führten, dass sich nach dem Sinterprozess Einfallstellen 6 auf der Kugelform ausbildeten, welche bei Einsatz dieser gesinterten Gleitschuhe 2 zu hohen Leckagen im Bereich der Kugeldichtfläche 3 führten.First try these shoes 2 Producing high-performance ceramics by injection molding showed that the quality of the sinter-finished surface and the component-specific tolerances led to sink marks after the sintering process 6 formed on the spherical shape, which when using these sintered sliding shoes 2 too high leakage in the area of the ball sealing surface 3 led.

Weitere Untersuchungen offenbarten bei den aus Siliciumnitrid hergestellten Gleitschuhen 2, die in der 3 dargestellte Geometrie nach dem Sinterbrand. Charakteristisch sind hierbei Einfallstellen 6 im Bereich der dünnwandigen Kugeldichtfläche 3 nach dem Sinterprozess.Further studies revealed the sliding shoes made of silicon nitride 2 in the 3 illustrated geometry after the sintering fire. Characteristic are sink marks 6 in the area of the thin-walled ball sealing surface 3 after the sintering process.

Es stellte sich heraus, dass diese Einfallstellen 6 auch mit dem Fließverhalten der Hochleistungskeramik im Spritzgusswerkzeug im Zusammenhang stehen. In der 4 ist daher der Fließverlauf 4 im Spritzgusswerkzeug, bei der Herstellung der Grünlinge der Gleitschuhe 2, mit der Lage des Anspritzpunktes 5 dargestellt.It turned out that these sink marks 6 also related to the flow behavior of high performance ceramics in the injection mold. In the 4 is therefore the flow path 4 in the injection mold, in the manufacture of the green compacts of the sliding shoes 2 , with the position of the injection point 5 shown.

Die Maß- und Formtoleranzen von mit dem Spritzgussverfahren standardmäßig hergestellten keramischen Bauteilen liegen nach dem Sinterbrand bei +/–3% bezogen auf die Soll-Geometrie, hier die Nominalgeometrie 7, d. h. bei einer Kugeldichtfläche 3 mit einem Kugeldurchmesser von 10 mm liegen dann die mit dem standardmäßigen Spritzgussverfahren erzielbaren Maßgenauigkeiten im Toleranzbereich von 9,7 mm bis 10,3 mm.The dimensional and form tolerances of ceramic components produced by injection molding as standard are after the sintering firing at +/- 3% relative to the nominal geometry, here the nominal geometry 7 ie a ball sealing surface 3 with a ball diameter of 10 mm then the achievable with the standard injection molding process dimensional accuracies in the tolerance range of 9.7 mm to 10.3 mm.

Nach dem Stand der Technik ist es gegenwärtig möglich diese Fertigungstoleranzen bis auf 1,5% zu senken.According to the state of the art, it is currently possible to reduce these manufacturing tolerances to 1.5%.

Um dies zu realisieren wurde u. a. das Angusssystem geändert, die Angusskanäle beheizt, aber auch ein mehrteiliges Angusssystem erprobt.To realize this, u. a. changed the sprue system, heated the sprues, but also tested a multi-part sprue system.

Zudem wurden Sinterhilfsmittel eingesetzt um die Kugelform der Kugeldichtfläche 3 beim Sintern zu stützen u. a. m..In addition, sintering aids were used around the spherical shape of the ball sealing surface 3 to support in sintering and so on.

Dabei bestätigte sich jedoch nur, dass es mit den gegenwärtig im Stand der Technik üblichen Präzisionsverfahren bei daraus resultierenden deutlich erhöhten Fertigungskosten nur möglich ist die Fertigungstoleranzen von im Spritzgussverfahren hergestellten Bauteilen, d. h. konkret den Gleitschuhen 2, nach dem Sinterbrand höchstens auf bis zu 1,5% zu senken.However, it was confirmed only that it is only possible with the currently customary in the prior art precision method resulting in significantly increased production costs, the manufacturing tolerances of injection molded components, ie concretely the shoes 2 to reduce to a maximum of 1.5% after sintering.

So waren die mit deutlich erhöhten Aufwendungen erzielbaren Maßgenauigkeiten bei dem vorgegebenen Kugeldurchmesser von 10 mm nach dem Sintern immer noch zu hoch, und lagen in dem Toleranzbereich von 9,85 mm bis 10,15 mm.Thus, the dimensional accuracies that can be achieved with significantly increased expenditures were still too high for the given ball diameter of 10 mm after sintering, and were within the tolerance range of 9.85 mm to 10.15 mm.

Eine gewünschte Austauschbarkeit bezogen auf das aus Stahl hergestellte Bauteil, hier der Gleitschuh 2, wäre jedoch nur zu gewährleisten wenn die Flächenformabweichungen im Bereich von maximal 0,04 mm liegen.A desired interchangeability with respect to the component made of steel, here the sliding shoe 2 , but would only be guaranteed if the surface form deviations are within a maximum of 0.04 mm.

Diese (Präzisions-)Bauteile sollten aus einer Hochleistungskeramik möglichst kostengünstig, und wenn möglich im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Dabei sollte ein Werkstoff der Hochleistungskeramik, bevorzugt Siliciumnitrid, eingesetzt werden, und die Kugeldichtfläche 3 am Gleitschuh 2 sollte nach dem Sintern ohne eine individuelle Nachbearbeitung der Kugeldichtfläche 3 den erhöhten Anforderungen an die Formgenauigkeit gerecht werden um den mit der Abdichtung der Gleitflächen verbundenen Dicht- und Gleitaufgaben gerecht zu werden.These (precision) components should be produced from a high-performance ceramic as inexpensively as possible and, if possible, by injection molding. In this case, a material of high-performance ceramics, preferably silicon nitride, should be used, and the ball sealing surface 3 on the slide shoe 2 should after sintering without an individual post-processing of the ball sealing surface 3 meet the increased demands on the dimensional accuracy to meet the sealing and sliding tasks associated with the sealing of the sliding surfaces.

Nachfolgend wird daher an Hand eines Ausführungsbeispieles das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Spritzgussform für Bauteile aus spritzgießfähigen Materialien der Hochleistungskeramik, speziell am Beispiel zur Herstellung eines Gleitschuhes 2 für die in der 1 dargestellte Axialkolbenpumpe 1, vorgestellt.The method according to the invention for producing an injection mold for components made of injection-moldable materials of high-performance ceramics, using the exemplary embodiment for producing a sliding shoe, will be described below 2 for those in the 1 illustrated axial piston pump 1 , presented.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Spritzgussform für Bauteile aus spritzgießfähigen Materialien der Hochleistungskeramik ist es gelungen die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, d. h. konkret Gleitschuhe 2 für Axialkolbenpumpen 1 im Spritzgussverfahren aus Siliciumnitrid herzustellen, deren Flächenformabweichungen nach dem Sinterbrand im Toleranzbereich von 0,04 mm liegen, so dass die mittels der erfindungsgemäßen Lösung hergestellten Kugeldichtflächen 3 ohne individuelle Nachbearbeitung den erhöhten Anforderungen an die Formgenauigkeit zur Gewährleistung der mit der Abdichtung verbundenen Dicht- und Gleitaufgaben gerecht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend an Hand der Darstellungen in den 5, 6 und 7 näher erläutert werden.With the inventive method for producing an injection mold for components made of injection-moldable materials of high-performance ceramics, it has been possible to eliminate the disadvantages of the prior art, ie concretely sliding shoes 2 for axial piston pumps 1 produced by injection molding of silicon nitride whose surface shape deviations after sintering in the tolerance range of 0.04 mm, so that the sealing surfaces produced by means of the inventive solution 3 without individual post-processing to meet the increased demands on the dimensional accuracy to ensure the sealing and sliding tasks associated with the seal. The inventive method will be described below with reference to the representations in the 5 . 6 and 7 be explained in more detail.

Erfindungsgemäß wurde hierzu ein standardgemäßen Basisspritzgusswerkzeugs mit einer in diesem Basisspritzgusswerkzeug angeordneten Basisspritzgussform verwendet, die auf der in den Konstruktionsunterlagen des jeweils zu fertigenden Bauteiles, hier des Gleitschuhes 2 vorgegebenen, in der 5 dargestellten Nominalgeometrie 7 basiert, und die unter Beachtung des werkstoffspezifischen Schwindungsfaktors, wie auch unter Beachtung der im Stand der Technik für derartige Verfahren und Werkstoffe üblichen Werkzeugparameter, ausgebildet wurde.According to the invention, a standard basic injection molding tool with a base injection mold arranged in this basic injection molding tool was used for this purpose Construction documents of each to be manufactured component, here the shoe 2 predetermined, in the 5 illustrated nominal geometry 7 based on the material-specific shrinkage factor, as well as the usual in the art for such methods and materials tool parameters, was formed.

Erfindungswesentlich ist, dass in Verbindung mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel,

  • A: mit der Basisspritzgussform 80 Stück Basisbauteile abgespritzt, entbindert und danach gesintert werden, und
  • B: dass danach diese gesinterten 80 Stück Basisbauteile unter Berücksichtigung Ihrer ursprünglichen Lage in der Basisspritzgussform mittels eines optischen Messverfahrens vollständig vermessen, und diese Messwerte statistisch ausgewertet und zu 100% digitalisiert werden, und
  • C: dass danach durch einen Vergleich dieser Messwerte mit der konstruktiv vorgegebenen SOLL-Kontur, der Nominalgeometrie 7, der Kugeldichtfläche 3 die funktionskritischen Formabweichungen ermittelt werden, und
  • D: dass nachfolgend die Messwerte der digitalisierten funktionskritischen Formabweichungen, beispielsweise mittels eines Computerprogrammes, wie eines herkömmlichen CAD-Programms, weiterverarbeitet werden, und
  • E: dass danach die digitalisierten Formabweichungen, z. B. mittels des CAD-Programms, mit jeweils einer Punktewolke überzogen, und so die in der 5 dargestellte IST-Kontur 8 abgebildet wird, und
  • F: dass danach alle erzeugten Punkte der IST-Kontur 8, lotrecht zur, d. h. normal an der konstruktiv vorgegebenen Nominalgeometrie 7 der Kugeldichtfläche 3 (als Spiegeloberfläche) gespiegelt werden, so dass außerhalb der konstruktiv vorgegebenen Nominalgeometrie 7 der Kugeldichtfläche 3 jeweils eine neue Punktewolke entsteht, und
  • G: dass danach diese neue Punktewolke/n, z. B. mittels des CAD-Programmes, zu jeweils einer in der 5 dargestellten Korrekturfläche 9 verbunden wird, und
  • H: dass danach auf diese Korrekturfläche/n 9 der werkstoffspezifische Schwindungsfaktor aufscaliert wird, und z. B. mittels des CAD-Programmes die Randbereiche 10 der Korrekturfläche/n 9 mittels Grenzfläche/n 11 mit tangentenstetigem Kurvenverlauf an die ”nicht eingefallene Oberfläche” mit der Nominalgeometrie ”angepasst” werden, wodurch so in der Gesamtheit, d. h. aus der jeweiligen Korrekturfläche 9 und der zugeordneten Grenzfläche 11, die Modellierfläche/n entsteht/entstehen, und
  • I: dass nachfolgend unter Berücksichtigung Ihrer ”ursprünglichen” Lage diese, wie erläutert ermittelten Modellierfläche/n nun in die Basisspritzform übertragen werden, d. h. dort eingearbeitet werden, wodurch so aus der Basisspritzform eine Revisionsspritzform entsteht, und
  • K: dass danach, analog zu Punkt A, anschließend mit der Revisionsspritzform Revisionsbauteile abgespritzt, entbindert und danach gesintert, und diese wie unter Punkt B beschrieben nachfolgend vermessen und ausgewertet werden, und
  • L: dass falls dabei erneut funktionskritische Formabweichungen ermittelt werden, d. h. Formabweichungen an Funktionsflächen die noch nicht im Bereich der Oberflächenrauheit des jeweils zu verarbeiteten Werkstoffes nach dem Sinterprozess liegen, werden die Prozessschritte (analog der beschriebenen Abfolge A bis einschließlich K) so lange wiederholt bis die Formabweichungen am Bauteil im Bereich der Oberflächenrauheit des jeweils zu verarbeiteten Werkstoffes nach dem Sinterprozess liegen.
It is essential to the invention that, in connection with the present exemplary embodiment,
  • A: with the basic injection mold 80 pieces base components hosed, debinded and then sintered, and
  • B: that after that completely measure these sintered 80 piece base components taking into account their original position in the basic injection mold by means of an optical measuring method, and these measured values are statistically evaluated and digitized to 100%, and
  • C: that afterwards by a comparison of these measured values with the constructively specified nominal contour, the nominal geometry 7 , the ball sealing surface 3 the functionally critical form deviations are determined, and
  • D: that subsequently the measured values of the digitized function-critical form deviations, for example by means of a computer program, such as a conventional CAD program, further processed, and
  • E: that then the digitized form deviations, z. B. by means of the CAD program, each covered with a cloud point, and so in the 5 illustrated actual contour 8th is pictured, and
  • F: that after that all generated points of the actual contour 8th , perpendicular to, ie normal to the design nominal geometry 7 the ball sealing surface 3 (as a mirror surface) are mirrored, so that outside the constructive nominal geometry 7 the ball sealing surface 3 in each case a new point cloud arises, and
  • G: that after this new point cloud / n, z. B. by means of the CAD program, each one in the 5 illustrated correction surface 9 is connected, and
  • H: that after this correction area / n 9 the material-specific shrinkage factor is scaled up, and z. B. by means of the CAD program, the edge regions 10 the correction area / n 9 by means of interface / n 11 with tangent-continuous curve to the "non-sunken surface" with the nominal geometry "adjusted", whereby so in the entirety, ie from the respective correction surface 9 and the associated interface 11 , the modeling surface (s) arise / arise, and
  • I: that subsequently, taking into account your "original" position, these modeling surface (s) as explained will now be transferred to the basic injection mold, ie incorporated therein, thus producing a revision injection mold from the basic injection mold, and
  • K: that then, analogously to point A, then sprayed with the Revisionsspritzform revision components, debinded and then sintered, and these as described under point B subsequently measured and evaluated, and
  • L: that if again functionally critical form deviations are determined, ie form deviations on functional surfaces that are not yet in the range of the surface roughness of the respective material to be processed after the sintering process, the process steps (analogous to the described sequence A to K) are repeated until the Shape deviations on the component in the area of the surface roughness of the respective material to be processed after the sintering process are.

Zur Reduzierung der Oberflächenrauheit der gesinterten Bauteile, werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Gleitschuhe 2 aus Siliciumnitrid nach dem Sintern trowalisiert.To reduce the surface roughness of the sintered components, in the present embodiment, the sliding blocks 2 made of silicon nitride after sintering.

Dabei wird die Oberflächenrauheit der sinterrauhen Oberflächen des Gleitschuhes von 0,04 mm auf 0,02 mm reduziert.The surface roughness of the sinter rough surfaces of the sliding shoe is reduced from 0.04 mm to 0.02 mm.

Nach dem Sintern und dem Trowalisieren wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel die in den 1 und 2 dargestellte, ebene Pumpenarbeitsfläche 12 der Gleitschuhe 2, zur Gewährleistung einer optimalen Abdichtung bei gleichzeitiger Reibleistungsminimierung der Axialkolbenpumpe im Betriebszustand, noch plangeschliffen. Dabei wird die Oberflächenrauheit der trowalisiereten Pumpenarbeitsfläche 12 des im Ausführungsbeispiel beschriebenen Gleitschuhes 2 nochmals deutlich auf unter 0,006 mm reduziert. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Spritzgussform ist es gelungen, eine hohe Formgenauigkeit für im Spritzgussverfahren mit nachfolgendem Sintern hergestellte Bauteile aus spritzgießfähigen Materialien der Hochleistungskeramik, wie Siliciumnitrid, zu erzielen, so dass beispielsweise wie im Ausführungsbeispiel erläutert die Formgenauigkeit der Kugelform einer (beispielsweise an einem Gleitschuh für Axialkolbenpumpen angeordneten) Kugeldichtfläche ohne jegliche Grünbearbeitung, wie aber auch ohne jegliche spanende Nachbearbeitung der hochfesten keramischen Kugeloberflächenform nach dem Sinterbrand des aus Siliciumnitrid hergestellten Gleitschuhes, optimal den erhöhten Anforderungen an die Formgenauigkeit zur Gewährleistung der mit der Abdichtung verbundenen Dicht- und Gleitaufgaben dieser Funktionsflächen gerecht wird.After sintering and Trowalisieren is in the present embodiment in the 1 and 2 illustrated, planar pump work surface 12 the sliding shoes 2 , to ensure optimum sealing while minimizing friction losses of the axial piston pump in operating condition, still ground flat. At the same time, the surface roughness of the trowalized pump work surface becomes 12 of the sliding shoe described in the embodiment 2 again significantly reduced to less than 0.006 mm. By means of the method according to the invention for producing an injection mold, it has been possible to achieve a high dimensional accuracy for components produced by injection molding with subsequent sintering from injection-moldable materials of high-performance ceramics, such as silicon nitride, so that, for example, as explained in the exemplary embodiment, the dimensional accuracy of the spherical shape of a (for example a Gleitschuh arranged for axial piston pump) ball sealing surface without any greening, but also without any post-processing of the high-strength ceramic ball surface shape after the sintering of the shoe made of silicon nitride, optimally the increased demands on the dimensional accuracy to ensure the sealing associated with the sealing and sliding tasks this Functional surfaces is fair.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Axialkolbenpumpeaxial piston pump
22
Gleitschuhshoe
33
KugeldichtflächeBall sealing surface
44
Fließverhaltenflow behavior
55
Anspritzpunktinjection point
66
Einfallstellesink mark
77
Nominalgeometrienominal geometry
88th
IST-KonturIS-contour
99
Korrekturflächecorrection area
1010
Randbereichborder area
1111
Grenzflächeinterface
1212
PumpenarbeitsflächePump working space

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008026218 B4 [0006] DE 102008026218 B4 [0006]
  • DE 102013011209 B3 [0006] DE 102013011209 B3 [0006]
  • DE 3942686 C2 [0008, 0009] DE 3942686 C2 [0008, 0009]

Claims (3)

Verfahren zur Herstellung einer Spritzgussform für Bauteile aus spritzgießfähigen Materialien der Hochleistungskeramik, wie Siliciumnitrid, auf Grundlage eines Basisspritzgusswerkzeugs mit einer in diesem Basisspritzgusswerkzeug angeordneten Basisspritzgussform, die auf der in den Konstruktionsunterlagen des jeweils zu fertigenden Bauteiles vorgegebenen Nominalgeometrie (7) basiert, und die unter Beachtung des werkstoffspezifischen Schwindungsfaktors, wie auch unter Beachtung der im Stand der Technik für derartige Verfahren und Werkstoffe üblichen Werkzeugparameter gestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, A: dass mit dieser Basisspritzgussform zunächst mindestens 25 Stück Basisbauteile abgespritzt, entbindert und danach gesintert werden, und B: dass danach diese gesinterten, mindestens 25 Basisbauteile unter Berücksichtigung ihrer ursprünglichen Lage in der Basisspritzgussform mittels eines optischen Messverfahrens vollständig vermessen, und diese Messwerte statistisch ausgewertet und zu 100% digitalisiert werden, und C: dass danach durch einen Vergleich dieser ermittelten Messwerte mit der konstruktiv vorgegebenen SOLL-Kontur, der Nominalgeometrie (7), die funktionskritischen Formabweichungen ermittelt werden, und D: dass nachfolgend die Messwerte der digitalisierten funktionskritischen Formabweichungen, beispielsweise mittels eines Computerprogrammes, wie eines herkömmlichen CAD-Programms, weiterverarbeitet werden, und E: dass danach die digitalisierten Formabweichung/en, z. B. mittels des CAD-Programms, mit einer/mehreren Punktewolke/n überzogen und, als IST- Kontur (8) abgebildet werden, und F: dass danach alle erzeugten Punkte der IST-Kontur (8), lotrecht zur, d. h. normal an der konstruktiv vorgegebenen Nominalgeometrie (7), der Soll-Kontur, (als Spiegeloberfläche) gespiegelt werden, so dass außerhalb der konstruktiv vorgegebenen Nominalgeometrie (7) jeweils eine neue Punktewolke entsteht, und G: dass danach diese neue/n Punktewolke/n, z. B. mittels des CAD-Programms, zu jeweils einer Korrekturfläche (9) verbunden wird/werden, und H: dass danach auf diese Korrekturfläche/n (9) der werkstoffspezifische Schwindungsfaktor aufscaliert wird, und die Randbereiche (10) der Korrekturfläche/n (9) mittels Grenzflächen (11) mit tangentenstetigem Kurvenverlauf an die ”nicht eingefallene Oberfläche” mit der Nominalgeometrie (7), z. B. mittels des CAD-Programms, ”angepasst” werden, wodurch so in der Gesamtheit, d. h. aus der jeweiligen Korrekturfläche (9) und der zugeordneten Grenzfläche (11), die Modellierfläche/n entsteht/entstehen, und I: dass nachfolgend unter Berücksichtigung Ihrer ”ursprünglichen” Lage in der Basisspritzgussform diese, wie erläutert ermittelten Modellierfläche/n nun in die Basisspritzform übertragen werden, d. h. dort eingearbeitet werden, wodurch so aus der Basisspritzform eine Revisionsspritzform entsteht, und K: dass danach, analog zu Punkt A, anschließend mit der Revisionsspritzform nun jedoch die ”Revisionsbauteile” abgespritzt, entbindert, danach gesintert und nachfolgend wie unter Punkt B beschrieben vermessen und ausgewertet werden, und L: dass falls dabei erneut funktionskritische Formabweichungen ermittelt werden, d. h. Formabweichungen an Funktionsflächen die noch nicht im Bereich der Oberflächenrauheit des jeweils zu verarbeiteten Werkstoffes nach dem Sinterprozess liegen, werden die Prozessschritte (analog der beschriebenen Abfolge A bis einschließlich K) so lange wiederholt bis die Formabweichungen am Bauteil im Bereich der Oberflächenrauheit des jeweils zu verarbeiteten Werkstoffes nach dem Sinterprozess liegen.Method for producing an injection mold for components made of injection-moldable materials of high-performance ceramics, such as silicon nitride, based on a basic injection molding tool with a base injection mold arranged in this base injection mold, which is based on the nominal geometry specified in the design documents of the respective component to be manufactured ( 7 ), and which is designed taking into account the material-specific shrinkage factor, as well as the usual in the art for such methods and materials tool parameters, characterized in that : first sprayed with this basic injection mold at least 25 pieces of base components, debindered and then sintered and then B: that thereafter fully measure these sintered, at least 25 base components, taking into account their original position in the base injection mold, by means of an optical measurement method, and statistically evaluating and digitizing these measured values to 100%, and C: thereafter by comparing these Measured values with the constructively specified nominal contour, the nominal geometry ( 7 ), the functionally critical form deviations are determined, and D: that subsequently the measured values of the digitized function-critical form deviations are further processed, for example by means of a computer program such as a conventional CAD program, and E: that after that the digitized form deviations / s, e.g. B. by means of the CAD program, with one / more points cloud / n covered and, as the actual contour ( 8th ), and F: that after that all generated points of the actual contour ( 8th ), perpendicular to, ie normal to the design nominal geometry ( 7 ), the target contour, (as a mirror surface) are mirrored, so that outside of the design nominal geometry ( 7 ) each time a new point cloud is created, and G: that after this new / n point cloud / n, z. B. by means of the CAD program, each having a correction surface ( 9 ), and H: that after this correction area / n ( 9 ) the material-specific shrinkage factor is scaled up, and the edge regions ( 10 ) of the correction area / n ( 9 ) by means of interfaces ( 11 ) with a tangent-continuous curve to the "non-sunken surface" with the nominal geometry ( 7 ), z. B. by means of the CAD program, "adjusted", whereby so in the entirety, ie from the respective correction surface ( 9 ) and the associated interface ( 11 ), the modeling surface (s) is / are formed, and I: that subsequently considering their "original" position in the base injection mold, these modeling surface (s) as explained will now be transferred to the base injection mold, ie incorporated therein, thus resulting in the basic spray form a revision injection mold is formed, and K: then, analogously to point A, but then sprayed with the Revisionsspritzform the "revision components" debinded, then sintered and subsequently measured and evaluated as described in point B, and L: that if again Functional deviations in shape are determined, ie form deviations on functional surfaces which are not yet in the range of the surface roughness of the respective material to be processed after the sintering process, the process steps (analogous to the described sequence A to K) are repeated until the deviations in shape on the component in the Surface roughness of the respective material to be processed after the sintering process are. Verfahren zur Herstellung einer Spritzgussform für Bauteile aus spritzgießfähigen Materialien der Hochleistungskeramik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung der Oberflächenrauheit der gesinterten Bauteile, diese nach dem Sintern trowalisiert werden.A method for producing an injection mold for components made of injection-moldable materials of high performance ceramics according to claim 1, characterized in that to reduce the surface roughness of the sintered components, they are tumbled after sintering. Verfahren zur Herstellung einer Spritzgussform für Bauteile aus spritzgießfähigen Materialien der Hochleistungskeramik nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Reduzierung der Oberflächenrauheit spezieller ebener Funktionsflächen nach dem Sintern, beispielsweise zur Gewährleitung einer damit verbundenen Reibleistungsminimierung, diese ebenen Funktionsflächen plangeschliffen werden.A method for producing an injection mold for components made of injection-moldable materials of high-performance ceramics according to claim 1 or claim 2, characterized in that to further reduce the surface roughness of special planar functional surfaces after sintering, for example, to ensure a friction loss associated therewith, these planar functional surfaces are ground flat.
DE102016004954.5A 2016-04-23 2016-04-23 Method for producing an injection mold for components made of injection-moldable materials of high-performance ceramics, such as silicon nitride Withdrawn DE102016004954A1 (en)

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Cited By (2)

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DE102018114705B3 (en) 2018-06-19 2019-06-27 Nidec Gpm Gmbh Adjustable coolant pump with filter disc, filter disc and production thereof
DE102018133583B3 (en) 2018-12-24 2020-01-23 Nidec Gpm Gmbh Adjustable coolant pump with improved sealing surface

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DE102013011209B3 (en) 2013-07-04 2014-01-23 Geräte- und Pumpenbau GmbH Dr. Eugen Schmidt Controllable coolant pump for internal combustion engine mounted in e.g. truck, has piston rod that is connected with permanent magnet, and linearly moved with respect to solenoid coil

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