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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Herstellung von Kernen, insbesondere Sandkernen für Gießereiformen.
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Hintergrund der Erfindung
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Additive Verfahren werden zur Herstellung von Sandkernen derzeit im Prototypenbau, der Einzelfertigung und in Kleinserien eingesetzt. Die Vorteile von additiven Verfahren sind die Möglichkeit, direkt aus einem Datensatz ohne Fertigung eines Werkzeuges Kerne herzustellen. Darüber hinaus bieten additive Verfahren Gestaltungsfreiheiten, die in konventionellen, werkzeuggebundenen Systemen geometrisch nicht darstellbar sind.
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Die Kernherstellung erfolgt bei einem additiven Verfahren durch schichtweisen Aufbau der Kerne aus einem Formstoff und einem Binder. Üblicherweise erfolgt der Schichtaufbau durch Auftragen einer Formstoffschicht und nachfolgendem Auftrag von flüssigem Binder oder durch Auftragen von einer Schicht bestehend aus einer fertigen Formstoffmischung. Der Schichtaufbau erfolgt in unidirektionaler Fahrweise. Dabei kommen vorzugsweise Kernsandbindemittel zum Einsatz, die durch Dehydration, also durch Trocknung aushärten.
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Additive Verfahren haben im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung durch Kernschießverfahren den Nachteil langer Prozesszeiten. Beim Kernschießen wird ein Werkzeug innerhalb weniger Zehntelsekunden gefüllt und der Kern wird verfahrensabhängig meist im Bereich von 5–120 Sekunden ausgehärtet. Der schichtweise Aufbau bei additiven Fertigungsverfahren mit Schichtdicken im Bereich von 0,05–0,3 Millimetern erfordert bei vergleichbaren Kernvolumina etwa den 50 bis 100fachen Zeitaufwand. Weiterhin ist das Auspacken der Kerne aus dem ungehärteten, umgebenden Sand ebenso wie die nachfolgend notwendige Reinigung der Kerne, eine aufwändige manuelle Tätigkeit.
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Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, diese Nachteile zumindest abzumildern.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß geschaffen ist eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Kernen für Gießereiformen, die Vorrichtung umfassend: eine Zuführeinrichtung zum Bereitstellen einer Formstoffmischung; mindestens eine Druckvorrichtung zum generativen Erzeugen der Kerne aus der Formstoffmischung; ein erstes Transportsystem; und mindestens eine Transportvorrichtung zur Aufnahme der durch die Druckvorrichtung während des Druckvorganges erzeugten Kerne und zum Transport der erzeugten Kerne nach dem Druckvorgang mittels des ersten Transportsystems.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die langen Prozesszeiten von generativ arbeitenden Druckvorrichtungen durch einen hohen Automatisierungsgrad einer Anlage, in denen die Druckvorrichtungen eingesetzt sind, kompensiert werden können. Der Automatisierungsgrad wird dadurch angehoben, dass eine Transportvorrichtung vorgesehen wird, in welcher die Druckerzeugnisse, also die Kerne entlang des gesamten Prozessweges aufgenommen sind. Die Transportvorrichtung wird durch ein erstes Transportsystem entlang des gesamten Prozessweges bewegt. Dadurch müssen die Kerne während des gesamten Herstellungsprozesses weniger hantiert werden. Dadurch wird Prozesszeit eingespart.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Transportvorrichtungen durch Kisten gebildet und die Kisten weisen relativ zueinander bewegliche Wandelemente auf. Die Transportvorrichtung bildet eine Box, welche aus verschiedenen Elementen besteht die entweder relativ zueinander beweglich oder austauschbar sind. Insbesondere können die Wände gegenüber einem Bodenteil verschiebbar sein. Zusätzlich kann die Kiste Einsätze, beispielsweise einen Siebeinsatz aufweisen. Die Wände der Kiste können auch abnehmbar, bzw. von einer entsprechenden Vorrichtung während des Prozesses demontierbar oder bewegbar sein. Dadurch wird erreicht, dass die Transportvorrichtung den verschiedenen Prozessstufen angepasst werden kann. Insbesondere können die Kerne direkt innerhalb der Transportvorrichtung erzeugt werden, oder die Transportvorrichtung kann durch Verschieben von Seitenwänden am Ende des Prozessweges entleert werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein zweites Transportsystem zum Transport der Formstoffmischung aus der mindestens einen Zuführeinrichtung in die mindestens eine Druckvorrichtung. Die Druckvorrichtungen werden mittels des zweiten Transportsystems aus der Zuführeinrichtung gespeist. Dadurch ist der Prozess weiter automatisiert.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Vielzahl von Druckvorrichtungen, wobei die Druckvorrichtungen durch das zweite Transportsystem mit Formstoffmischung beschickbar sind. Die Beschickung von einer Vielzahl von gleichartigen Druckvorrichtungen mit Formstoffmischung erhöht die Auslastung des zweiten Transportsystems. Wenn die Vielzahl von Druckvorrichtungen in einer Reihe angeordnet sind, kann die Beschickung mit Formstoff durch ein einzelnes Transportsystem erfolgen. Mit Vorteil arbeiten die Druckvorrichtungen räumlich und zeitlich parallel. Die Anzahl der durch die Druckvorrichtungen erzeugten Kerne pro Zeitintervall steigt damit. Die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung, also die Fähigkeit eine gewisse Anzahl an Kernen in einem Zeitintervall zu drucken steigt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Druckvorrichtung dazu eingerichtet, die Kerne in uni- oder bidirektionaler Arbeitsweise zu erzeugen. Auf diese Weise wird jeder Fahrweg eines Druckkopfes der Druckvorrichtung zum Druckvorgang genutzt. Leerfahrten werden vermieden. Die Druckzeiten werden gesenkt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Zuführeinrichtung durch eine einzige Zentraleinheit oder mehrere Lokaleinheiten, die von einer Zentraleinheit gespeist sind, gebildet. In einer einzigen Zentraleinheit können Binder und Formgrundstoff getrennt vorgehalten werden und sind daher besser lagerbar. Der Vorteil von mehreren Lokaleinheiten besteht darin, dass auch hier kleinere Pufferreservoirs für Formstoffmischung enthalten sin können, die etwaige Beschickungsengpässe ausgleichen können.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung mindestens eine Trocknungsvorrichtung zum Aushärten der Formstoffmischung in der mindestens einen Transportvorrichtung, insbesondere wobei die Trocknungsvorrichtung ein Mikrowellenofen ist. Die Trocknungsvorrichtung ist mit Vorteil so ausgebildet, dass die Transportvorrichtungen mittels des ersten Transportsystems hindurchgeführt werden können. Dies ist mit einem Mikrowellenofen besonders günstig zu verwirklichen, da kein abgeschlossener Ofenraum erforderlich ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung mindestens eine Ausleervorrichtung zum Abtrennen der in der Transportvorrichtung aufgenommenen Kerne von weiterem Inhalt, insbesondere ungehärteter Formstoffmischung, wobei die Ausleervorrichtung eine Ablaufvorrichtung zum Abführen der ungehärteten Formstoffmischung umfasst. Durch die verschiebbare Transportvorrichtung kann die Ausleervorrichtung einfach die Wände der Transportvorrichtung verschieben und den Kern von restlichem Inhalt abtrennen. Der restliche Inhalt kann durch eine Ablaufvorrichtung automatisch abgeführt werden, so dass auch hier keine manuellen Eingriffe mehr notwendig sind, und der Zeitbedarf weiter gesenkt wird.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung mindestens eine Entnahmevorrichtung, insbesondere einen Industrieroboter, zur Entnahme der Kerne aus der Transportvorrichtung und/oder zum Weitertransport der Kerne und/oder zur weiteren Verarbeitung der Kerne. Eine Entnahmevorrichtung dient zum Automatisieren der vormals manuellen Entnahme der Kerne aus einem Behältnis nach dem Aushärten. Da es sich um einen einfachen Hantierschritt handelt ist ein Industrieroboter besonders vorteilhaft einsetzbar.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung mindestens eine Reinigungsvorrichtung, vorzugsweise einen Industrieroboter, zur Reinigung der Kernoberfläche von anhaftender Restformstoffmischung, insbesondere durch Bürsten, Sauger oder durch Druckluft. Auch diese einfachen Prozessschritte sind gut durch Roboter automatisierbar. Dies spart Arbeitskraft und Prozesszeit.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Kontrolleinrichtung zur Qualitätskontrolle der Kerne, vorzugsweise eine optische Erfassungsvorrichtung. Durch die automatische, optische Erfassung kann eine Vielzahl von fertigen Kernen durch wenige Mitarbeiter computerunterstützt kontrolliert werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein drittes Transportsystem zum Rückführen von ungehärteter Formstoffmischung von der Ablaufvorrichtung in die Zuführeinrichtung. Ungehärteter Formstoff kann automatisch zurückgeführt und wiederverwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur additiven Herstellung von Kernen für Gießereiformen geschaffen, das Verfahren umfassend: Zuführen einer Formstoffmischung zu mindestens einer Druckvorrichtung; Bereitstellen einer Transportvorrichtung zur Aufnahme von Kernen; Erzeugen von Kernen aus der Formstoffmischung, durch die mindestens eine Druckvorrichtung, mittels eines generativen Verfahrens innerhalb der Transportvorrichtung; Weiterführen der erzeugten Kerne zu nachgeordneten Prozessstufen. Insbesondere umfasst das Erzeugen das Erzeugen der Kerne in uni- oder bidirektionaler Arbeitsweise. Ein Verfahren gemäß dieser Ausgestaltung ist besonders effizient und kompensiert die langen Prozesszeiten einzeln und manuell betriebener Druckvorrichtungen.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren: Trocknen der Formstoffmischung, um die Formstoffmischung auszuhärten; und/oder Abtrennen der fertigen Kerne von ungehärteter Formstoffmischung; und/oder Zurückführen der ungehärteten Formstoffmischung in eine Zuführeinrichtung; und/oder Reinigen, insbesondere Bürsten, Absaugen oder Ausblasen der Kerne von anhaftender Restformstoffmischung; und/oder Kontrollieren, vorzugsweise optisches Kontrollieren der Kerne. Dadurch sind alle dem Druckvorgang vor – oder nachgeordneten Prozessstufen automatisiert. Dies senkt die Durchlaufzeit jedes einzelnen Produktes und stellt sicher, dass auch einen Vielzahl von Produkten, die durch eine Vielzahl von Druckvorrichtungen parallel erzeugt werden, hantiert werden können.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend sind anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
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Die 1 eine Seitenansicht einer beispielhaften Vorrichtung gemäß der Erfindung;
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die 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 1;
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die 3 eine schematische Darstellung eines Abschnittes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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die 4 eine schematische Darstellung eines Verfahrensschrittes gemäß der Erfindung.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine Seitenansicht einer beispielhaften Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung 1 ist als Industrieanlage ausgeführt. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Silo 2 zur Aufnahme eines Formgrundstoffes und eines Binders. In einer Zuführeinrichtung 3 werden der Formgrundstoff und der Binder zu einer Formstoffmischung vermischt. Mittels eines zweiten Transportsystems 4 wird das Formstoffgemisch aus der Zuführeinrichtung 3 entnommen und zu Druckvorrichtungen 5 transportiert. Das zweite Transportsystem 4 umfasst einen Deckenkran 5 mit einer Laufkatze 7 und einem Transportbehältnis 8 für die Formstoffmischung. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Druckvorrichtungen 5. Die Druckvorrichtungen 5 werden mit dem zweiten Transportsystem 4 gespeist. Die Zuführeinrichtung 3 ist als zentrale Zuführeinrichtung 3 ausgebildet. Ebenso bildet das Silo 2 eine zentrale Vorratseinheit für den Formstoff und den Binder. In der Bildmitte ist das zweite Transportsystem 4 bei der Beschickung der Druckvorrichtungen 5 dargestellt. Im rechten Bildausschnitt ist das zweite Transportsystem 4 bei der Aufnahme von Formstoffmischung unterhalb der Zuführeinrichtung 3 dargestellt. Die Druckvorrichtungen 5 sind in gleichmäßiger Anzahl in Reihen zu beiden Seiten eines zentralen, ersten Transportsystems 9 angeordnet. Das erste Transportsystem 9 dient zum Transport von Transportvorrichtungen 10 (nicht dargestellt) in welchen durch die Druckvorrichtungen 5 erzeugte Kerne aufgenommen sind, zu weiteren Bearbeitungsstufen.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 1. Die Zuführeinrichtung 3 und das Silo 2 sind an der Stirnseite einer Reihe von Druckvorrichtungen 5 angeordnet. Die Druckvorrichtungen 5 sind dadurch von einen einzigen Transportsystem 4 mit Formstoffmischung beschickbar. Die Druckvorrichtungen 5 sind in zwei Gruppen zu je vier Druckvorrichtungen 5 um ein zentrales, erstes Transportsystem 9 angeordnet. Die Druckvorrichtungen 5 erzeugen die Kerne innerhalb von Transportvorrichtungen 10 (nicht dargestellt). Die Transportvorrichtungen 10 sind durch das erste Transportsystem 9 entlang der Druckvorrichtungen 5 und zu den nachfolgenden Bearbeitungsstufen bewegbar. Die Vorrichtung 1 umfasst als erste, den Druckvorrichtungen 5 nachgeordnete Bearbeitungsstufe Trocknungsvorrichtungen 11. Jeder Gruppe an Druckvorrichtungen 5 ist jeweils eine Trocknungsvorrichtung 11 nachgeordnet. Die Trocknungsvorrichtungen 11 sind durch Mikrowellenöfen gebildet. Die Kerne sind in den Transportvorrichtungen 10 aufgenommen und werden mittels des ersten Transortsystems 9 durch die Trocknungsvorrichtung 11 bewegt. Den Trocknungsvorrichtungen 11 nachgeordnet sind Ausleervorrichtungen 12 zum Abtrennen der in der Transportvorrichtung 10 aufgenommenen Kerne von weiterem Inhalt, insbesondere ungehärteter Formstoffmischung. Um das Ausleeren zu beschleunigen, weist die Transportvorrichtung 10 bewegliche, insbesondere verschiebbare Seitenwände auf. Die abgetrennte Formstoffmischung wird mittels einer Ablaufvorrichtung, z.B. einem Förderband abgeführt. Am Ende der Ablaufvorrichtung 13 befindet sich eine Siebeinheit 14. Zur Entnahme der Kerne aus den Transortvorrichtungen 10 ist in unmittelbarer Nähe der Ausleervorrichtung 12 ein erster Industrieroboter 15 angeordnet. Der Industrieroboter 15 bildet eine Entnahmevorrichtung 15. Der erste Industrieroboter entnimmt die Kerne aus den Transportvorrichtungen 10 und führt sie der weiteren Bearbeitung zu. Die nachfolgenden Bearbeitungsstufen umfassen zwei zweite Industrieroboter 16 zur Reinigung der Kerne und eine optische Erfassungsvorrichtung 17 zur Qualitätskontrolle. Zum Weiterführen fertiger Kerne ist ein Ausschleusband 18 vorgesehen.
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3 zeigt einen Abschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und einen schematisierten Abschnitt des Fertigungsprozesses. Der Fertigungsprozess ist ausgehend von der Druckvorrichtung 5 in Pfeilrichtung von rechts nach links entlang des zweiten Transportsystems 9 verlaufend dargestellt. Die Druckvorrichtung 5 erzeugt mittels eines generativen Verfahrens die Kerne direkt innerhalb der Transportvorrichtung 10. Die Transportvorrichtung 10 ist dazu ausgebildet, mittels des ersten Transportsystems 9 entlang des Prozessweges bewegt zu werden. Die Transportvorrichtung 10 weist verschiebbare Seitenwände und Deckel auf. Die Kerne werden in der Transportvorrichtung 10, mittels des zweiten Transportsystems 9 in die Trocknungsvorrichtung 11 geführt und dort ausgehärtet. Im Anschluss werden die gehärteten Kerne vom restlichen Inhalt der Transportvorrichtungen 10 mittels der Ausleervorrichtung 12 getrennt. Der restliche Formstoff wird über die Ablaufvorrichtung 13 abgeführt. Die Entnahmevorrichtung 15 führt den Kern der weiteren Bearbeitung zu.
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4 zeigt eine schematische Endstufe der Vorrichtung 1. Die Endstufe bildet auch das Ende des Fertigungsprozesses. Der fertige Kern wird in der Transportvorrichtung 10 mittels des zweiten Transportsystems 9 zu der Entnahmevorrichtung 15 verbracht. Die Entnahmevorrichtung 15 ist ein Industrieroboter, der den Kern aus der Transportvorrichtung 10 entnimmt und zweiten Industrierobotern 16 zuführt. Die zweiten Industrieroboter 16 sind mit Reinigungsvorrichtungen wie Bürsten, Saugern, Druckluftdüsen oder dergleichen ausgestattet und entfernen Restformstoff vom Kern. Mittels einer optischen Erfassungsvorrichtung 17 wird der fertige Kern kontrolliert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung/Druckanlage
- 2
- Silo
- 3
- Zuführeinrichtung
- 4
- zweites Transportsystem
- 5
- Druckvorrichtungen
- 6
- Kran
- 7
- Laufkatze
- 8
- Transportbehältnis
- 9
- erstes Transportsystem
- 10
- Transportvorrichtungen
- 11
- Trocknungsvorrichtungen
- 12
- Ausleervorrichtung
- 13
- Ablaufvorrichtung
- 14
- Siebeinheit
- 15
- Entnahmevorrichtung/erster Roboter
- 16
- zweiter Roboter
- 17
- optische Erfassungsvorrichtung
- 18
- Ausschleusband
