DE102016122053A1

DE102016122053A1 - Herstellung von Speisereinsätzen im 3D-Druck

Info

Publication number: DE102016122053A1
Application number: DE102016122053.1A
Authority: DE
Inventors: Jörg Schäfer; Thomas Schäfer; Franz-Josef Ortlauf
Original assignee: GTP Schaefer Giesstechnishe Produkte GmbH
Current assignee: GTP Schaefer Giesstechnishe Produkte GmbH
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2018-05-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einen inneren Hohlraum als Speiservolumen ausbildenden Speiserkorpus aufweisenden und aus einem exothermen und/oder isolierenden Material bestehenden Speisereinsatzes zum Einsetzen in eine beim Gießen von Metallen verwendete Gießform, wobei der Speisereinsatz mittels eines schichtweisen Auftrags des exothermen und/oder isolierenden Materials mit oder ohne den Einsatz eines zusätzlichen Bindersystems mittels eines datengesteuerten 3D-Druckers hergestellt wird und wobei das dem 3D-Drucker zuzuführende, aus unterschiedlichen Rohstoffen zusammengemischte exotherme und/oder isolierenden Material durch Prillen in ein feinkörniges Schüttgut mit einer gleichmäßigen, für den Betrieb eines 3D-Druckers geeigneten Körnung mit enger Bandbreite überführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einen inneren Hohlraum als Speiservolumen ausbildenden Speiserkorpus aufweisenden und aus einem exothermen und/oder isolierenden Material bestehenden Speisereinsatzes zum Einsetzen in eine beim Gießen von Metallen verwendete Gießform.
Soweit bekannte Speisereinsätze aus einem exothermen und/oder isolierenden Material hergestellt sind, werden derzeit derartige Speisereinsätze in sogenannten Kernschießmaschinen geschossen, indem das entsprechende Rohmaterial einschließlich eines zugesetzten Binders in einem die Form des Speisereinsatzes abbildenden Formkasten eingeschossen und anschließend der geschossene Speisereinsatz durch Begasung mit einem geeigneten Gas oder durch Wärmebehandlung zu seiner Aushärtung gebracht wird. Darüber hinaus können derartige Speiser auch im sogenannten Saugverfahren hergestellt werden, bei welchem ein in einer Suspension vorliegendes Fasermaterial durch ansaugendes Aufnehmen aus der Suspension in die Form des Speisereinsatzes gebracht wird.
Mit den bekannten Herstellungsverfahren ist der Nachteil verbunden, dass jeweils für die Herstellung der von der Gießereiindustrie in unterschiedlichen Formen und Abmessungen nachgefragten Speisereinsätze einzelne Formen hergestellt und vorgehalten werden müssen, wodurch die Produktion von Speisereinsätzen in jeweils größtmöglichen Stückzahlen bedingt ist. Dem gegenüber ist ein immer stärkeres Bedürfnis der Gießereiindustrie zu erkennen, für komplizierte Gussteilgeometrien auch zunehmend Sonderbauformen von Speisereinsätzen einsetzen zu können, die nicht in einer ausreichend großen Stückzahl benötigt werden, um dafür auch entsprechende Formen herstellen und vorhalten zu können. Es kommt hinzu, dass sich manche der von der Gießereiindustrie gewünschten Bauformen von Speisereinsätzen auf den herkömmlichen Schieß- oder Sauganlagen aufgrund der geometrischen Gestaltung des Speiserkorpus, beispielsweise bei erforderlichen Hinterschneidungen, nicht herstellen lassen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Speisereinsätzen anzugeben, welches bereits für geringe Stückzahlen wirtschaftlich einsetzbar und flexibel bezüglich der geometrishen Gestalt der nachgefragten Speisereinsätze ist.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser Beschreibung nachgestellt sind.
Die Erfindung sieht im Einzelnen ein Verfahren vor, bei welchem der Speisereinsatz mittels eines schichtweisen Auftrags des exothermen und/oder isolierenden Materials mit oder ohne den Einsatz eines zusätzlichen Bindersystems mittels eines datengesteuerten 3D-Druckers hergestellt wird und wobei das dem 3D-Drucker zuzuführende, aus unterschiedlichen Rohstoffen zusammengemischte exotherme und/oder isolierende Material durch Prillen in ein feinkörniges Schüttgut mit einer gleichmäßigen, für den Betrieb eines 3D-Druckers geeigneten Körnung mit enger Bandbreite überführt wird. Soweit Binder zum Einsatz kommen, sind als Bindersysteme unter anderem, flüssige, unter Wärmeeinwirkung oder auch gasförmig aushärtende Binder bekannt. Die im Einzelfall erforderliche Einwirkung von Wärme und/oder eines entsprechenden Gases kann während oder im Anschluss an den Druckvorgang erfolgen.
Die Fertigungstechnik der Herstellung von Gegenständen mittels eines 3D-Druckers ist an sich bekannt. Hierbei werden die Gegenstände in einem 3D-Drucker schichtweise aufgebaut. Dieser Aufbau erfolgt datengesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen, wobei bei dem Aufbau physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse stattfinden. Soweit als typische Werkstoffe für die Anwendung dieses generativen Fertigungsverfahrens Kunststoffe, Sand, Kunstharze, Keramiken und Metalle genannt werden, schlägt die Erfindung nunmehr auch den Einsatz von exothermen und/oder isolierenden Materialien einschließlich eines geeigneten Bindersystems vor, sodass mit diesem Material auf den an sich bekannten 3D-Druckern Speisereinsätze hergestellt werden können. Mit diesem Fertigungsverfahren ist der Vorteil verbunden, dass auch Kleinserien von Speisereinsätzen wirtschaftlich hergestellt werden können und dass auch die Fertigung von komplexen Bauformen von Speisereinsätzen ermöglich ist.
Wesentliche Voraussetzungen für den Einsatz von Materialien in einem 3D-Drucker sind eine gleichmäßige und definierte Körnung des eingesetzten Materials sowie dessen Staubfreiheit. Soweit ein exothermes Material jeweils aus unterschiedlichen Rohstoffen zusammengesetzt ist, erfüllt jedoch ein derartiges Material nach der Zusammenmischung seiner Rohstoffe diese Anforderungen nicht. Dies gilt in einem gewissen Umfang auch für isolierende Materialien, jedenfalls insbesondere dann, wenn das eingesetzte isolierende Material aus unterschiedlichen isolierenden Rohstoffen besteht, die jeweils auch in unterschiedlichen Körnungen vorliegen können. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das aus unterschiedlichen Rohstoffen zusammengemischte Material durch Prillen in ein feinkörniges Schüttgut mit einer gleichmäßigen, für den Betrieb eines 3D-Druckers geeigneten Körnung mit enger Bandbreite überführt wird.
Der Vorgang des Prillens beziehungsweise der damit bezeichneten Sprühkristallisation ist grundsätzlich aus Anwendungen bei der Herstellung von beispielsweise Düngemitteln oder Arzneimitteln bekannt und ist dadurch gekennzeichnet, dass die betreffenden Rohmaterialien in Lösungen und/oder Suspensionen überführt werden, die in einem geeigneten Reaktionsraum in darin aufsteigende heiße Luft eingeblasen werden. Die gewünschten festen Stoffe fallen in einer entsprechenden gleichmäßigen Körnung am Fuße des Reaktionsraumes als Granulat an.
Mit einer solchen Vorgehensweise kann auch eine ein exothermes und/oder isolierendes Material ausbildende und zunächst in ihren Anteilen eben unterschiedliche Körnungen aufweisende Rohstoffmischung in eine für den Einsatz in einem 3D-Drucker geeignete, staubfreie Körnung mit enger Bandbreite überführt werden.
Insbesondere soweit der Zusatz eines Bindemittels in der zu verarbeitenden Rohstoffmischung vorgesehen ist, sieht die Erfindung in einer Ausführungsform vor, dass die Rohstoffe für das exotherme und/oder isolierende Material so ausgewählt und/oder in ihren Anteilen zusammengemischt werden, dass ein gleichmäßiger pH-Wert eingestellt ist, da sich unterschiedliche pH-Werte innerhalb der Mischung negativ auf die Bindewirkung der einzelnen Körner im Rahmen des Druckvorganges auswirken könnten.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass das bei der Herstellung des Speisereinsatzes eingesetzte Bindersystem so geschaffen ist, dass einerseits eine ausreichende Festigkeit des damit hergestellten Speisereinsatzes gegeben ist und/oder dass andererseits der Speisereinsatz im Hinblick auf die Trennung des den Speiserkorpus bildenden Materials vom nach Abschluss des Gießvorganges in den Speiserhohlraum verbleibenden metallischen Speiserrest günstige Zerfallseigenschaften aufweist.
Im Einzelnen kann vorgesehen sein, dass im Anschluss an das Drucken des Speisereinsatzes ein finales Aushärten des eingesetzten Bindersystems in einem dafür eingerichteten Prozessraum, beispielsweise in einem Trockenofen oder in einer Mikrowelle, erfolgt.
Weiterhin ist vorgeschlagen, dass beim Einsatz eines exothermen Materials die Prozesstemperatur beim 3D-Druckvorgang und/oder bei einer Nachbehandlung des gedruckten Speisereinsatzes unterhalb der Entzündungstemperatur des exothermen Materials gehalten wird.
Soweit auch bei einem exothermen Speisereinsatz zumindest im Bereich seiner Außenhaut eine Isolierwirkung wünschenswert sein kann, ist es bekannt, um eine aus exothermem Material bestehende Innenschale am Speiserkorpus noch eine aus einem isolierenden Material bestehende Außenschale anzuordnen. Auch eine solche Außenschale aus isolierendem Material kann erfindungsgemäß mittels eines 3D-Druckers in einem zweiten Druckvorgang oder bei entsprechendem Materialwechsel auch in einem einheitlichen Druckvorgang mittels 3D-Druck hergestellt beziehungsweise aufgetragen werden.
Das erfindungsgemäße Druckverfahren zur Herstellung eines Speisereinsatzes bietet weiterhin die Möglichkeit, in die den inneren Hohlraum umschließende Wandung des Speiserkorpus Hohlräume der verschiedensten Ausbildung mit dem Druckvorgang einzubringen. Die Hohlräume erhöhen die Isolierwirkung des Speisereinsatzes. Alternativ kann vorgesehen sein, dass bei lediglich aus exothermem Material bestehenden Speisereinsätzen zur Erzeugung einer anfänglichen Isolierwirkung in einem äußeren Bereich der den inneren Hohlraum umschließenden Wandung des Speiserkorpus Hohlräume eingebracht werden, wobei die Hohlräume eine anfängliche Isolierwirkung des Speisereinsatzes bewirken. Bei einem diesbezüglich ausgebildeten Verfahren muss bei der geometrischen Gestaltung des Speisereinsatzes darauf geachtet werden, dass das in einem mittels des Druckvorganges hergestellten Hohlraum verbleibende lose Stoffgemisch aus diesem Hohlraum entfernt, vorzugsweise herausgeschüttelt werden kann, so dass der Hohlraum anschließend mit Luft gefüllt und somit die Isolierwirkung maximiert ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zusammenfassung offenbarten Merkmale des Gegenstandes dieser Unterlagen können einzeln als auch in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines einen inneren Hohlraum als Speiservolumen ausbildenden Speiserkorpus aufweisenden und aus einem exothermen und/oder isolierenden Material bestehenden Speisereinsatzes zum Einsetzen in eine beim Gießen von Metallen verwendete Gießform, wobei der Speisereinsatz mittels eines schichtweisen Auftrags des exothermen und/oder isolierenden Materials mit oder ohne den Einsatz eines zusätzlichen Bindersystems mittels eines datengesteuerten 3D-Druckers hergestellt wird und wobei das dem 3D-Drucker zuzuführende, aus unterschiedlichen Rohstoffen zusammengemischte exotherme und/oder isolierenden Material durch Prillen in ein feinkörniges Schüttgut mit einer gleichmäßigen, für den Betrieb eines 3D-Druckers geeigneten Körnung mit enger Bandbreite überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Rohstoffe für das exotherme und/oder isolierende Material so ausgewählt und/oder in ihren Anteilen zusammengemischt werden, dass ein gleichmäßiger pH-Wert eingestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das bei der Herstellung des Speisereinsatzes eingesetzte Bindersystem so beschaffen ist, dass einerseits eine ausreichende Festigkeit des damit hergestellten Speisereinsatzes gegeben ist und/oder dass andererseits der Speisereinsatz im Hinblick auf die Trennung des den Speiserkorpus bildenden Materials vom nach Abschluss des Gießvorganges in den Speiserhohlraum verbleibenden metallischen Speiserrest günstige Zerfallseigenschaften aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem im Anschluss an das Drucken des Speisereinsatzes ein finales Aushärten des Bindersystems in einem dafür eingerichteten Prozessraum erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem beim Einsatz eines exothermen Materials die Prozesstemperatur beim 3D-Druckvorgang und/oder bei einer Nachbehandlung des gedruckten Speisereinsatzes unterhalb der Entzündungstemperatur des exothermen Materials gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem in einem äußeren Bereich der den inneren Hohlraum umschließenden Wandung des Speiserkorpus Hohlräume eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem auf die aus exothermem Material gedruckte Wandung des Speiserkorpus eine aus isolierendem Material bestehende Außenschale mittels 3D-Drucker aufgebracht wird.