DE102017111846A1 - Process for the production of locally modified molded parts - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von lokal modifizierten Gussformteilen (10') in einem Gießverfahren unter Verwendung von expandierbaren Kunststoffen (1), bei dem durch Einbringen von Modifikatoren (2) Verbundwerkstoffe (4) erzeugt werden, umfassend zumindest die folgenden Schritte: Bereitstellung von zumindest einer Schäumform (3) zur Herstellung eines mit Modifikatoren (2) versetzten Schäumlings (1', 5, 5'), Befüllung der Schäumform (3) mit zumindest einem expandierbaren Kunststoff (1) und Modifikatoren (2), Expandieren des Kunststoffs (1) und positionsgenaue Fixierung der Modifikatoren (2) im Schäumling (1', 5, 5') und Einbringen des Schäumlings (1', 5, 5') in eine Gießform (7), Einbringen eines flüssigen Metalls (14') in die Gießform (7) zur Erzeugung des Gussformteils (10'), wobei der expandierte Kunststoff (1) verdampft und die Modifikatoren (2) von dem flüssigen Metall (14') umschlossen werden und Entformen des erzeugten Gussformteils (10'). The invention relates to a method for producing locally modified mold parts (10 ') in a casting method using expandable plastics (1), in which by incorporating modifiers (2) composite materials (4) are produced comprising at least the following steps: providing of at least one foaming mold (3) for producing a foaming agent (1 ', 5, 5') added with modifiers (2), filling the foaming mold (3) with at least one expandable plastic (1) and modifiers (2), expanding the plastic (1) and positionally accurate fixing of the modifiers (2) in the foaming product (1 ', 5, 5') and introduction of the foaming agent (1 ', 5, 5') into a casting mold (7), introduction of a liquid metal (14 ') in the mold (7) for producing the mold part (10 '), whereby the expanded plastic (1) evaporates and the modifiers (2) are enclosed by the liquid metal (14') and demoulding the produced mold part (10 ').
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von lokal modifizierten Gussformteilen.The invention relates to a process for the production of locally modified moldings.
Moderne Gusskomponenten sind durch zunehmend hohe Komplexitäten und stetig steigende Beanspruchungen gekennzeichnet. Um die gestellten Anforderungen erfüllen zu können, werden während der Fertigung oftmals aufwendige Technologien erforderlich.Modern cast components are characterized by increasingly high levels of complexity and ever increasing demands. In order to meet the requirements, elaborate technologies are often required during production.
Durch die Erforschung anforderungsgerechter Werkstoffe konnten hierbei z.B. insbesondere in Form sog. Verbundwerkstoffe durch eingebrachte Karbide oder sonstige Modifikatoren besonders hoch beanspruchbare Materialien entwickelt werden. Nachteil dieser Werkstoffe ist jedoch, dass sie häufig nur sehr schwer zu ver- und bearbeiten sind und dass eine Einbindung der zugegebenen Modifikatoren in die Grundgefügematrix außerordentlich kompliziert ist, da die einzubringenden Partikel häufig nur unter Vakuum benetzt werden können. Weiterhin kann zum gegenwärtigen Stand eine homogene Verteilung dieser Modifikatoren nicht prozesssicher gewährleistet werden.By researching materials that meet the requirements, in particular in the form of so-called composite materials by incorporated carbides or other modifiers particularly high-stress materials are developed. Disadvantage of these materials, however, is that they are often very difficult to process and ver work and that integration of the added modifiers in the basic matrix is extremely complicated, since the particles to be introduced can often be wetted only under vacuum. Furthermore, a homogeneous distribution of these modifiers can not be reliably guaranteed at the current state.
Bekannt aus
Ein weiterer Ansatz zur Funktionserfüllung folgt der Tatsache, dass die an einem Bauteil auftretenden Belastungen nicht homogen, sondern vielmehr lokal differenziert wirken. Fertigungstechnisch sind zur Überwindung dieser Nachteile verschiedene Ansätze bekannt, die den sogenannten heterogenen Werkstoffkonzepten zugeordnet werden. Dabei sollen die differenzierten Beanspruchung bzw. Belastungen, die in einem Bauteil auftreten können, durch einen örtlichen Einsatz der lokal benötigten Werkstoffe aufgenommen werden. Als Beispiele hierfür sind z.B. aus
Sowohl ein Einsatz von Verbundwerkstoffen, als auch eine fertigungstechnische Realisierung von Werkstoffverbundlösungen kann nach bekannten Verfahren nur mit höchsten technologischen und damit einhergehenden ökonomischen Aufwendungen realisiert werden.Both a use of composite materials, as well as a production engineering realization of composite materials solutions can be realized by known methods only with the highest technological and associated economic costs.
Vor diesem Hintergrund wäre es wünschenswert, ein Verfahren zur Verfügung zu haben, welches die zuvor beschriebenen Nachteile überwindet.Against this background, it would be desirable to have a method which overcomes the disadvantages described above.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und ein Gußformteil nach Anspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.This object is achieved with a method according to
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung von lokal modifizierten Gussformteilen (10') in einem Gießverfahren unter Verwendung von expandierbaren Kunststoffen (1), bei dem durch Einbringen von Modifikatoren (2) Verbundwerkstoffe (4) erzeugt werden, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
- - Bereitstellung von zumindest einer Schäumform (3) zur Herstellung eines mit Modifikatoren (2) versetzten Schäumlings (
1' ,5 ,5' ), - - Befüllung der Schäumform (
3 ) mit zumindest einem expandierbaren Kunststoff (1 ) und Modifikatoren (2 ), - - Expandieren des Kunststoffs (
1 ) und positionsgenaue Fixierung der Modifikatoren (2 ) im Schäumling (1' ,5 ,5' ) und - - Einbringen des Schäumlings (
1' ,5 ,5' ) in eine Gießform (7 ), - - Einbringen eines flüssigen Metalls (
14' ) in die Gießform (7 ) zur Erzeugung des Gussformteils (10' ), wobei der expandierte Kunststoff (1 ) verdampft und die Modifikatoren (2 ) von dem flüssigen Metall (14' ) umschlossen werden und - - Entformen des erzeugten, vorzugsweise lokal modifizierten Gussformteils (
10' ).
- Providing at least one foaming mold (3) for producing a foaming product mixed with modifiers (2) (
1' .5 .5 ' ) - Filling of the foaming mold (
3 ) with at least one expandable plastic (1 ) and modifiers (2 ) - - expanding the plastic (
1 ) and exact positioning of the modifiers (2 ) in the foaming (1' .5 .5 ' ) and - - introducing the foaming product (
1' .5 .5 ' ) into a casting mold (7 ) - - introducing a liquid metal (
14 ' ) in the mold (7 ) for producing the molded part (10 ' ), wherein the expanded plastic (1 ) and the modifiers (2 ) of the liquid metal (14 ' ) and - Demoulding the produced, preferably locally modified casting (
10 ' ).
Unter dem Vergriff Verbundwerkstoffe werden sowohl Compositewerkstoffe als auch Werkstoffverbunde in Form von Compounds verstanden.The term composite materials refers both to composite materials and to material composites in the form of compounds.
Unter einem Schäumling (
Unter Modifikatoren werden Partikel, Fasern, Werkstoffzusätze, Legierungselemente oder sogar Verstärkungselemente und/oder Leiterelemente verstanden Modifiers are understood as meaning particles, fibers, material additives, alloying elements or even reinforcing elements and / or conductor elements
Die Grundidee der Erfindung besteht nun darin, an den hochbelasteten Bauteilbereichen entsprechende Modifikatoren, z.B. Partikel, vorzugsweise Karbide, Fasern, Werkstoffzusätze, Legierungselemente oder sogar Verstärkungselemente und/oder Leiterelemente, die im Folgenden allesamt als „Modifikatoren“ zusammengefasst werden, in einen Schäumling mit einzuschäumen. Die genannten Modifikationen können gefügebeeinflussend sein.The basic idea of the invention consists in modifying corresponding modifiers, e.g. Particles, preferably carbides, fibers, material additives, alloying elements or even reinforcing elements and / or conductor elements, which are all summarized below as "modifiers", foamed into a foaming. The modifications mentioned can be influencing factors.
Der Einsatz dieser Schäumlinge (
Beim Abgießen verdampft der expandierte Kunststoff, vorzugsweise das expandierte Polystyrol, wobei die einzubringenden Modifikatoren von der Schmelze, z.B. einer Aluminiumschmelze, vorzugsweise feinverteilt und positionsgetreu umschlossen werden. Die frei werdenden EPS-Gase wirken als inerte Schutzgase in vorteilhafter Weise auf die Benetzbarkeit der Modifikatoren, bevor sie beispielsweise durch den ungebundenen Quarzsand aus einer Gieß-Form entweichen.Upon pouring, the expanded plastic, preferably expanded polystyrene, evaporates, with the modifiers to be introduced removed from the melt, e.g. an aluminum melt, preferably finely divided and are enclosed positionally true. The released EPS gases act as inert protective gases advantageously on the wettability of the modifiers, before they escape, for example, by the unbound quartz sand from a casting mold.
Die Modifikatoren können in ein expandiertes Schaumstoffelement (
Schaumstoffe in Form vom Partikeln, z.B. Kugeln oder Schaumstoffperlen (
Durch die beschriebene Erfindung können einzubringenden Modifikatoren jedweder Art beliebig lokal differenziert, jedoch stets gezielt, homogen und reproduzierbar in ein Gussbauteil direkt während des Gießprozesses eingebracht werden.By means of the described invention, modifiers of any type to be introduced can be arbitrarily locally differentiated, but always introduced directly, homogeneously and reproducibly into a cast component directly during the casting process.
Dabei können die entsprechenden Modifikatoren entweder lokal in ein Schaumstoff-Positiv- Modell (
Alternativ können aber auch spezielle, mit den entsprechenden Modifikatoren versetze Schäumlinge (
Das Resultat dieser sehr wirtschaftlichen Fertigung ist ein durch die Modifikatoren gezielt verstärktes Gussbauteil oder Gussformteil (10'), unabhängig von dessen Komplexität, das die wirkenden Lasten durch den lokal erzeugten Verbundwerkstoff (
Die Erzeugung des Verbundwerkstoffs (
Bei der Befüllung der Schäumform (
Bei dem Expandieren des Kunststoffs und der positionsgenauen Fixierung der Modifikatoren im Schäumling können die Modifikatoren homogen verteilt oder partiell angeordnet sein, je nach lokal geforderten Kennwerte im Bauteil oder Werkstoff, insbesondere im Hinblick auf dessen Festigkeit. Das Einbringen der Modifikatoren des Schäumlings (
Während der expandierte Kunststoff verdampft und die Modifikatoren von dem flüssigen Metall umschlossen werden, können die Modifikatoren (
Mit der vorliegenden Erfindung wird in einer Ausführungsform ein lokales Werkstoffengineering bzw. eine lokale Bauteilmodifizierung unter Verwendung des sogenannten Vollformprinzips oder Lost-Foam-Prinzips zur Verfügung gestellt.With the present invention, in one embodiment, a local material engineering or a local component modification using the so-called Vollformprinzips or lost foam principle is provided.
Dabei ermöglichen so genannte verlorene (Positiv-) Modelle (
Erfindungsgemäß gestattet das Verfahren unter Zuhilfenahme der so genannten verlorenen Formen bzw. Schäumlinge (
Lokal differenzierte Gefügebeeinflussungen oder Modifikationen können z.B. durch Verbinden einzelner Teilformen, die auch unterschiedliche Modifikatoren beinhalten können, zum finalen Schäumling (
In den konstruktiv bzw. technologisch hochbeanspruchenden Bereichen des zu erzeugenden Bauteils können die entsprechenden Modifikatoren somit gezielt und positionsgenau eingebracht werden und auf diese Weise Bauteile mit in verschiedenen Bereichen unterschiedlichen mechanischen und technischen Eigenschaften zielgerichtet erzeugt werden.In the structurally or technologically highly demanding areas of the component to be produced, the corresponding modifiers can thus be introduced in a targeted and accurate position and in this way components with different mechanical and technical properties in different areas can be generated in a targeted manner.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann durch Schaumstoffeinleger (
Die Herstellung und Befüllung einer Schäumform kann wie folgt ausgeführt werden:The production and filling of a foaming mold can be carried out as follows:
Je nach Komplexität des zu erzeugenden Gussteils ist eine oder mehrere (Teil-) Form(en) herzustellen, in der/denen ein (Positiv-) Kunststoffmodell bzw. entsprechende Modellteile, i.d.R. Schaumstoffmodelle aus expandierbarem Polystyrol bzw. Styropor oder Polymethylmethacrylat, endkonturnah aufgeschäumt wird/werden. Diese Schäumformen werden je nach zu fertigender Stückzahl meist als metallischen Dauerformen gefertigt. Dies entspricht dem gängigen Ansatz des Lost-Foam-, EPS- oder Vollform-Verfahrens, ein Gießverfahren mit verlorenem geschäumtem Modell.Depending on the complexity of the cast part to be produced, one or more (part) mold (s) is to be produced in which / a (positive) plastic model or corresponding model parts, i.d.R. Foam models made of expandable polystyrene or styrofoam or polymethyl methacrylate, foamed near net shape / are. Depending on the quantity to be produced, these foaming molds are usually manufactured as permanent metal molds. This corresponds to the common approach of the lost-foam, EPS or full-form process, a lost foam model casting process.
Für das Gießen z.B. von Aluminiumwerkstoffen wird als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Modelle meist ein mit dem Treibmittel Pentan (C5H12) versetztes expandierbares Polystyrol (EPS) verwendet. Für die Herstellung von Gusseisen und Stahlbauteilen wird häufig ein Copolymer aus EPS und EPMMA, d.h. ein expandierbares Polymethylmethacrylat eingesetzt. Diese beiden Stoffe liegen in kugeliger Form vor und bestehen zu 6 % aus Polymer und Pentan, die restlichen 94 % bestehen aus Luft.For casting e.g. Of aluminum materials is used as starting material for the production of the models usually with the blowing agent pentane (C5H12) added expandable polystyrene (EPS). For the production of cast iron and steel components, a copolymer of EPS and EPMMA, i. used an expandable polymethylmethacrylate. These two substances are in spherical form and consist of 6% polymer and pentane, the remaining 94% consists of air.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Modifikatoren (
Wie folgt können Schaumstoffe oder Schäumlinge mit Modifikatoren versetzen bzw. verstärkt werden:Foams or foams can be added or reinforced with modifiers as follows:
Bei der Füllung der Modellformen bzw. Schäumformen (
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Modifikatoren (
Eine besonders homogene und spezifische Verteilung der zugegebenen Modifikatoren kann dabei dadurch erreicht werden, indem diese bereits in die noch nicht expandierten Schaumstoffpartikel eingebracht werdenA particularly homogeneous and specific distribution of the added modifiers can thereby be achieved by introducing them into the foam particles which have not yet been expanded
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass vorexpandierte und mit Modifikatoren versetzte Schaumstoffperlen zum Einsatz kommen.A further embodiment of the invention provides that pre-expanded and modifier-added foam beads are used.
Denkbar ist aber auch ein Einbringen der Modifikatoren (
Das Expandieren bzw. Schäumen kann wie folgt durchgeführt werden:The expansion or foaming can be carried out as follows:
Nach Schließen der Form werden die, vorzugsweise lokal präparierten bzw. mit den Modifikatoren vermischten Schaumstoffpartikel expandiert und das entsprechende Positivmodell bzw. einzelne, später zu verklebende Schichten oder Elemente desselben erzeugt. In der Regel erfolgt dies unter Temperatureinwirkung im Wasserbad oder durch Wasserdampf (Lost-Foam-Verfahren).After closing the mold, the preferably locally prepared or mixed with the modifiers foam particles are expanded and generates the corresponding positive model or individual, later to be bonded layers or elements thereof. In general, this is done under the action of temperature in a water bath or by steam (lost foam method).
Zum Beispiel Polystyrol ist hierbei durch die Einlagerung von Pentan als Treibmittel expandierfähig (EPS- Material). Durch die Zufuhr von circa 110 °C heißem Wasserdampf wird das EPS- Material in einer Aufschäumkammer zum Expandieren gebracht. Der dadurch entstehende Überdruck im freien Volumen zwischen den Polystyrolmolekülen und die Erweichung der Polymermatrix aufgrund der weiter steigenden Temperatur bewirken eine Vergrößerung der EPS-Perlen auf das gewünschte Volumen, beispielsweise bis zum circa 30-Fachen des ursprünglichen Volumens.For example, polystyrene is expandable by the incorporation of pentane as blowing agent (EPS material). By supplying about 110 ° C hot steam, the EPS material is made to expand in a foaming chamber. The resulting overpressure in the free volume between the polystyrene molecules and the softening of the polymer matrix due to the further increase in temperature cause the EPS beads to increase to the desired volume, for example up to about 30 times the original volume.
Durch dieses Verfahren wird die zur Weiterbearbeitung oder die für das Endmodell benötigte Dichte erreicht.This procedure achieves the density needed for further processing or the final model needed.
Das Einbringen der Werkstoffmodifikatoren bzw. Modifikatoren (
- a) In einer ersten Ausführungsvariante werden die Modifikatoren lose zwischen den Kunststoffperlen (
1 ) bzw. Schaumstoffperlen (1 ) positioniert oder eingeschüttet und während des Aufschäumens positionsgetreu fixiert. - b) In einer weiteren Ausführungsform werden die Werkstoff-Modifikatoren, ggf. als EPS- Perlen mit Modifikatoren infiltriert, direkt in die Schäumform und gegebenenfalls lose eingebracht. Sofern lediglich eine lokale Bauteilverstärkung erwünscht ist, geschieht dies in der Art, dass die Modifikatoren sich nur in den gewünschten Bereichen des Schaummodells (
1' ) und somit des späteren Gussbauteils (10') befinden. - c) Optional ist ein weiterer Zwischenschritt anwendbar, in dem die zuvor lediglich vorgeschäumten EPS-Perlen z.B. mit Druckluft durch einen Injektor in eine Modellform geblasen werden, wo sie zum gewünschten endkonturnahen Positivmodell verschweißt werden. Dies geschieht durch erneutes Bedampfen der Formoberfläche mit ca. 110 °C heißem Wasserdampf, der in den Formhohlraum gelangt oder auf die Form wirkt.
- d.) Durch den erfindungsgemäßen Ansatz, expandierbare Kunststoffe als Trägermedium für die Modifikatoren (
2 ) zu nutzen, ist es möglich, mit oder ohne Vorschäumprozessschritt einzelne, zu verstärkende Bauteilbereich als Verstärkungsschaumelemente bzw. Modellsegmente auszuführen und diese mit dem, die Restgeometrie darstellenden, konventionellen Schaummodell zu verbinden.
- a) In a first embodiment, the modifiers are loosely placed between the plastic beads (
1 ) or foam beads (1 ) or poured and fixed during the foaming positionally accurate. - b) In another embodiment, the material modifiers, optionally infiltrated as EPS beads with modifiers are introduced directly into the foam mold and possibly loose. If only a local component reinforcement is desired, this is done in such a way that the modifiers only in the desired areas of the foam model (
1' ) and thus the later cast component (10 ') are located. - c) Optionally, a further intermediate step is applicable in which the previously prefoamed EPS beads are blown, for example with compressed air through an injector into a model mold, where they are welded to the desired near-net shape positive model. This is done by re-steaming the mold surface with about 110 ° C hot steam that enters the mold cavity or acts on the mold.
- d.) By the inventive approach, expandable plastics as a carrier medium for the modifiers (
2 ), it is possible, with or without Vorschäumprozessschritt perform individual, to be reinforced component area as reinforcing foam elements or model segments and to connect them with the remaining geometry representing, conventional foam model.
Im Zusammenhang mit der hier beschriebenen Erfindung ist es auf diese Weise ebenfalls möglich, zwei Schaumsubstanzen zu erzeugen und gezielt zum Einsatz zu bringen; die homogene Schaumgrundsubstanz sowie eine Verstärkungsschaummasse, in welcher die Modifikatoren bzw. Verstärkungspartikel im Prozessschritt des Vorschäumens mit eingebracht und entsprechend vorgeschäumt wurden.In connection with the invention described herein, it is also possible in this way to produce two foam substances and to bring targeted use; the homogeneous foam base substance as well as a reinforcing foam mass, in which the modifiers or reinforcing particles were introduced in the process step of pre-foaming and prefoamed accordingly.
Durch das gezielte Einbringen der gegebenenfalls zuvor vorgeschäumten Verstärkungsschaummasse in die homogene Schaumgrundsubstanz durch einen solchen Zwischenschritt das Schaummodell anforderungsgerecht in der Art aus Grund- und modifiziertem Schaum aufgebaut werden, dass in den später höher belasteten Bauteilbereichen die im Verstärkungsschaum eingebrachten Modifikatoren eine lokale Materialverstärkung im Sinne eines lokalen Werkstoffengineerings bewirken.By deliberately introducing the optionally previously prefoamed reinforcing foam mass into the homogeneous foam base substance by such an intermediate step, the foam model can be constructed according to requirements in the manner of base and modified foam, that in the later higher loaded component areas introduced in the reinforcing foam modifiers a local material reinforcement in terms of cause local material engineering.
Auch können aus diesen unterschiedlichen Schaumsubstanzen entsprechende Teilbereiche des finalen Schaummodells (
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Modifikatoren (
Als diskrete Bereiche werden die besonders beanspruchten Bereiche eines Gußbauteils (
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gussformteil (
Das Fügen und Montieren der Modellsegmente:The joining and mounting of the model segments:
Nach dem Schäumen und Trocknen der einzelnen Modellsegmente können diese nun zur geplanten komplexen Modellform zusammengesetzt werden. Gemäß Verfahrensschritt d) können auf diese Weise einzelne Modellsegmente, in denen die gewünschten Modifikatoren mit eingeschäumt sind, mit dem restlichen Schaummodell verbunden und so lokale Bauteilverstärkungen auf einfache Art erzeugt werden. Dieses Fügen geschieht in der Regel serienmäßig mit Klebemaschinen zur Verarbeitung von Heißkleber, welche zusätzlich die Fixierung der Modellteile übernehmen. Das Fügen kann auch mittels beliebiger Fügeverfahren erfolgen.After foaming and drying of the individual model segments, they can now be assembled to the planned complex model shape. According to method step d), in this way individual model segments in which the desired modifiers are foamed with are connected to the remaining foam model and so on local component gains are generated in a simple manner. This joining is usually done as standard with gluing machines for processing hot glue, which also take over the fixation of the model parts. The joining can also be done by means of any joining method.
Um den Gesamtprozess effizienter zu gestalten, werden vorteilhafterweise Endmodelle mit einem Einguss-/ Angusssystem verbunden, wodurch eine sogenannte Modelltraube entsteht. An dieser Modelltraube können unterschiedlich viele Modelle angebracht werden.To make the overall process more efficient, end models are advantageously connected to a sprue / gating system, creating a so-called model grape. Different models can be attached to this model grape.
Je nach eingesetztem Werkstoff und gewünschter Gussqualität kann ein zusätzlicher Schlichteauftrag erforderlich werden. Hierzu werden die fertigen Modelltrauben oftmals mit einer wasserbasierten, keramischen und gasdurchlässigen Schlichte überzogen. Der Sinn dieses Vorganges liegt darin, die liquiden und gasförmigen Bestandteile abzuleiten und somit die Formfüllung gezielt zu steuern. Außerdem bildet die Schlichte eine feuerfeste Barriere. Die Modelltrauben werden anschließend getrocknet, um die Restfeuchtigkeit und somit die Gefahr von Porosität im Gussteil zu reduzieren. Dies geschieht in der Regel in einem 50 °C warmen Ofen, wobei auch Mikrowellentrocknung möglich ist.Depending on the material used and the desired casting quality, an additional sizing job may be required. For this purpose, the finished model screws are often coated with a water-based, ceramic and gas-permeable sizing. The purpose of this process is to derive the liquid and gaseous components and thus to control the mold filling targeted. In addition, the sizing forms a refractory barrier. The model grapes are then dried to reduce the residual moisture and thus the risk of porosity in the casting. This is usually done in a 50 ° C oven, with microwave drying is possible.
Als nachfolgender Verfahrensschritt kann ein Einformen ausgeführt werden. Beim Einformen wird die nun getrocknete Modelltraube in einen Gießbehälter eingesetzt und sequenziell mit einem Formstoff berieselt. In der Regel wird Quarzsand als Formstoff verwendet, aber es kann auch Mullit zum Einsatz kommen.
Um das Modell oder die Modelle detailgetreu auszuformen, wird die Modelltraube Vibrationen ausgesetzt, wodurch der Formstoff in alle Hohlräume fließen kann.As a subsequent method step, a molding can be performed. When molding, the now dried model grape is placed in a casting container and sprinkled sequentially with a molding material. As a rule, quartz sand is used as molding material, but mullite can also be used.
To model the model or models in detail, the model grape is subjected to vibration, allowing the molding material to flow into all the cavities.
Der Verfahrensschritt Gießen kann wie folgt ausgeführt werden:The casting step can be carried out as follows:
Durch einen Gießlauf und ein Anschnittsystem wird die Metallschmelze in das Schaumstoffmodell geleitet, wo die thermische Energie die Modelltraube zersetzt bzw. verdampft. Die Schmelze füllt nun den freigewordenen Hohlraum vollständig aus, wodurch nach dem Erstarren des Metalls die exakte endkonturnahe Teilekontur gebildet wird.Through a runner and a gating system, the molten metal is passed into the foam model, where the thermal energy decomposes or vaporizes the model grape. The melt now completely fills the vacant cavity, whereby after the solidification of the metal, the exact near-net shape part contour is formed.
Erfindungsgemäß werden dabei die zuvor eingebrachten Modifikatoren von der Schmelze umschlossen.According to the invention, the previously introduced modifiers are enclosed by the melt.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung können die beim Verdampfen des Kunststoffmodells freiwerdenden Gase als inerte Schutzgase wirken, bevor sie durch den ungebundenen Formstoff bzw. den gasdurchlässigen Schlichteüberzug aus der Form entweichen. Eine solche inerte Schutzgasatmosphäre kann sich in vorteilhafter Weise auf die Benetzbarkeit der eingebrachten Modifikatoren auswirken und so zu einer guten Einbettung der werkstoffverstärkenden Modifikatoren beitragen.In the context of the present invention, the gases released upon evaporation of the plastic model may act as inert shielding gases before they escape from the mold through the unbonded molding material or gas-permeable sizing coating. Such an inert protective gas atmosphere can have an advantageous effect on the wettability of the introduced modifiers and thus contribute to a good embedding of the material-enhancing modifiers.
Oftmals erfolgt das Gießen der EPS-Modelltrauben auch unter einer Vakuumumgebung, um die entstehenden Gase aus der Form zu ziehen. In einem solchen Anwendungsfall ist eine besonders gute Benetzung und Einbettung der Modifikatoren zu erwarten.Often, casting the EPS model screws also occurs under a vacuum environment to pull the resulting gases out of the mold. In such an application, a particularly good wetting and embedding of the modifiers is to be expected.
Aus z.B.
Ein weiterer Verfahrensschritt ist das Entleeren des Gießbehälters bzw. der Gießform (
Das Entleeren erfolgt beispielsweise durch ein Kippen des Gießbehälters (
Im Ergebnis einer fertigungstechnischen Anwendung dieser Erfindung können selbst komplexeste Gussteile mit anforderungsgerechten, lokal differenzierten Werkstoffeigenschaften in wirtschaftlich vorteilhafter Weise hergestellt werden, wie auch in
Erfindungsgemäß kann mittels dieses Verfahrens das Gussformteil (
Darüber hinaus ist die Erfindung auch unter Verwendung anderer Gießverfahren denkbar. In diesem Sinne könnten die mit den gewünschten Modifikatoren versetzten Schäumlinge auch als Einleger in konventionellen Gießverfahren zum Einsatz kommen, wie auch in
Auf diese Art und Weise können einzelne zu verstärkende Bauteilbereiche ebenfalls gezielt mit Hilfe der eingebrachten Modifikatoren optimiert werden. Ggf. wären in einem solchen Anwendungsfall zusätzliche Entgasungslösungen oder gezielte Absaugungen erforderlich, um ein Gasen in das Bauteil und somit die Gefahr von Porositäten zu reduzieren, da die Gießform in diesem Falle ja nicht aus losem, sondern vielmehr aus gebundenem Formstoff oder aus metallischen Dauerformen gebildet wird, wie auch in
Als Anwendungsbeispiel hierfür könnten durch den Einsatz von mit Modifikatoren versetzten geometrisch definierten, vorzugsweise zylindrischen Schäumlingen, Verbindungselemente und/oder Verstärkungselemente und/oder Leiterelemente in bestimmte Bauteilbereiche eingebracht werden. Des Weiteren könnten diese mit Modifikatoren versetzten Schäumlinge auch Laufflächen von Kolben jedweder Art triologisch und mechanisch in vorteilhafter Art abbilden, wodurch beispielsweise aufwendige Beschichtungsverfahren komplett substituiert werden können, wie auch in
Vorgeschlagen wird ein lokal modifiziertes Gussformteil (
Derartige Bauteile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können und Anwendungsbereiche hierfür werden wie folgt gesehen:Such components which can be produced by the process according to the invention and fields of application for this are regarded as follows:
Mit dem Vollformverfahren oder Lost-Foam-Verfahren sind heute komplexe Bauteile herstellbar, wie sie in keinem anderen Gießverfahren herstellbar sind. Die Vorteile des Verfahrens erlauben es, komplizierte Geometrien einfach umzusetzen. Beispiele finden sich in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Medizintechnik, der Automobilindustrie, aber auch in vielen anderen Bereichen, in denen die klassischen Gießverfahren, wie das Druck- oder Kokillengießen, an ihre Grenzen stoßen.With the full-forming process or lost-foam process, complex components can be produced today, as they can not be produced in any other casting process. The advantages of the method make it possible to easily implement complicated geometries. Examples can be found in aerospace engineering, medical technology, the automotive industry, but also in many other areas where classical casting processes, such as die casting or die casting, are reaching their limits.
Durch die beschriebene Erfindung können unter Verwendung dieses Verfahrens Werkstoffverbunde aber auch Verbundwerkstoffe in Form von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen (metal matrix composites - MMCs) wirtschaftlich und prozesssicher hergestellt werden. Diese Verbundwerkstoffe können in einem Bauteil entsprechend seines Anforderungsprofils auch lokal angeordnet sein.By means of the described invention, material composites but also composite materials in the form of metal matrix composites (MMCs) can be produced economically and reliably using this method. These composite materials can also be arranged locally in a component according to its requirement profile.
Zudem können erfindungsgemäß entsprechend mit den gewünschten Modifikatoren versetzten Schäumlinge auch als Einleger in konventionellen Gießverfahren zum Einsatz kommen.In addition, according to the invention, foams mixed with the desired modifiers can also be used as depositors in conventional casting processes.
Durch ein oberflächennahes Einbringen der Modifikatoren in ein Modell bzw. Gussteil können zudem auch aufwendige Oberflächenbeschichtungen komplett substituiert werden.By introducing the modifiers close to the surface into a model or casting, complex surface coatings can also be completely substituted.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bzgl. seiner Einsetzbarkeit vielgefächert. Beispielsweise wäre ein Einsatz des Verfahrens im Bereich Automobilbau, speziell für Verbrennungsmotoren, Bremsscheiben, Elektromotoren denkbar.The method according to the invention is diversified in respect of its applicability. For example, a use of the method in the field of automotive engineering, especially for internal combustion engines, brake discs, electric motors conceivable.
Dem Ansatz folgend könnten aufwendige Beschichtungen, z.B. thermische Beschichtung, mit z.B. verschleißresistenten oder tribologisch vorteilhafter Beschichtungswerkstoffen komplett ersetzt werden, indem die eigenschaftsbegünstigenden Elemente (Partikel o.ä.) in Form der hier beschriebenen eingeschäumten Modifikatoren oberflächennah direkt in das Kunststoffmodell eingebracht werden. Als Anwendungsbeispiel hierfür könnten mit Modifikatoren versetzte zylindrische Schäumlinge Bauteilbereiche, in denen Verbindungselemente einzubringen sind, verstärken.Following the approach, expensive coatings, e.g. thermal coating, with e.g. wear-resistant or tribologically advantageous coating materials are completely replaced by the property-promoting elements (particles or the like) in the form of foamed modifiers described here are introduced near the surface directly into the plastic model. As an example of application, modifier-added cylindrical foams could reinforce component regions in which fasteners are to be introduced.
Zudem könnten diese mit Modifikatoren versetzten Schäumlinge auch Laufflächen von Kolben jedweder Art triologisch und mechanisch in vorteilhafter Art abbilden, wodurch beispielsweise aufwendige Beschichtungsverfahren komplett substituiert werden können.In addition, these foaming agents added with modifiers could also image treads of pistons of any type in a triological and mechanical manner in an advantageous manner, as a result of which, for example, costly coating processes can be completely substituted.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist:
- Es zeigen:
-
1 : schematisch eine mit Schaumstoffperlen (1 ) und Modifikatoren (2 ) versehene Schäumform (3 ) zur Herstellung von lokal modifizierten Gussformteilen (10' ), -
2 und3 : schematisch weitere Schäumformen (3 ), die mit Schaumstoffperlen (1 ) und Modifikatoren (2 ) versehen sind, -
4 : schematisch ein (Positiv-) Schaumstoffmodell (1' ) mit eingebrachtem Verstärkungsschaumstoffelement (5 ), -
5 : ein Gussbauteil (10' ) das in dem durch ein Belastungselement (6 ) hochbeanspruchten Bauteilbereich durch eine lokale Werkstoffoptimierung/Verbundwerkstoff (4 ) verstärkt wird, -
6 : schematisch eine Gießform (7 ) mit eingelegtem Schäumling (5' ), -
7 : schematisch ein Gussformteil (10' ) mit lokal durch Modifikatoren erzeugtem Verbundwerkstoff (4 ) und -
8 : schematisch ein zu einer Gießtraube gefügtes (Positiv-) Schaummodell (1 '), das in verschiedenen Bereichen durch unterschiedliche eingebrachte Modifikatoren (11 ,12 ,13 ) präpariert ist, so dass im zu erzeugenden Gussbauteilteil anforderungsgerecht unterschiedliche Gussgefüge bzw. Verbundwerkstoffe entstehen
-
- Show it:
-
1 : schematically one with foam beads (1 ) and modifiers (2 ) provided foaming mold (3 ) for the production of locally modified molded parts (10 ' ) -
2 and3 : schematically further foam forms (3 ) with foam beads (1 ) and modifiers (2 ), -
4 : schematically a (positive) foam model (1' ) with incorporated reinforcing foam element (5 ) -
5 : a cast component (10 ' ) in which by a loading element (6 ) highly stressed component area by a local material optimization / composite material (4 ), -
6 FIG. 1 schematically shows a casting mold (FIG.7 ) with foamed egg (5 ' ) -
7 FIG. 2: schematically a casting (10 ' ) with locally produced by modifiers composite material (4 ) and -
8th FIG. 1: schematically a (positive) foam model joined to a casting grape (1 '), which has been introduced in different areas by different modifiers (11 .12 .13 ), so that different cast structures or composite materials are produced in the casting component part to be produced in accordance with requirements
-
In
Das Verfahren zur Herstellung dieser lokal modifizierten Gussformteile (
- - Bereitstellung von zumindest einer Schäumform (
3 ) zur Herstellung eines mit Modifikatoren (2 ) versetzten Schäumlings (1' ,5 ,5' ), - - Befüllung der Schäumform (
3 ) mit zumindest einem expandierbaren Kunststoff (1 ) und Modifikatoren (2 ), - - Expandieren des Kunststoffs (
1 ) und positionsgenaue Fixierung der Modifikatoren (2 ) im Schäumling (1' ,5 ,5' ) und - - Einbringen des Schäumlings (
1' ,5 ,5' ) in eine Gießform (7 ), - - Einbringen eines flüssigen Metalls (
14' ) in die Gießform (7 ) zur Erzeugung des Gussformteils (10' ), wobei der expandierte Kunststoff (1 ) verdampft und die Modifikatoren (2 ) von dem flüssigen Metall (14' ) umschlossen werden und - - Entformen des erzeugten Gussformteils (
10' ).
- - providing at least one foaming mold (
3 ) for producing a with modifiers (2 ) offset foaming (1' .5 .5 ' ) - Filling of the foaming mold (
3 ) with at least one expandable plastic (1 ) and modifiers (2 ) - - expanding the plastic (
1 ) and exact positioning of the modifiers (2 ) in the foaming (1' .5 .5 ' ) and - - introducing the foaming product (
1' .5 .5 ' ) into a casting mold (7 ) - - introducing a liquid metal (
14 ' ) in the mold (7 ) for producing the molded part (10 ' ), wherein the expanded plastic (1 ) and the modifiers (2 ) of the liquid metal (14 ' ) and - Demoulding the produced casting (
10 ' ).
Die Modifikatoren (
Aus
In
Verfahrensgemäß erfolgt die Herstellung des Gussformteils (
Aus
Anforderungsgerecht können in verschiedenen Bereichen dieses Schaumstoffmodell auch Modifikatoren unterschiedlicher Art, z.B. Typ A (
Somit können nach der erfindungsgemäßen Vorgehensweise unter Verwendung von expandierbaren Kunststoffen (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- (1')(1')
- Positiv-Schaummodell bzw. SchaummodellPositive foam model or foam model
- (1)(1)
- Schaumstoffperle (expandierfähig)Foam bead (expandable)
- (2)(2)
- Modifikatormodifier
- (3)(3)
- Schäumformfoaming
- (4)(4)
- modifizierten Werkstoff bzw. Verbundwerkstoffmodified material or composite material
- (5)(5)
- VerstärkungsschaumelementReinforcing material element
- (5')(5 ')
- Trägerschaum bzw. SchaumstoffeinlegerCarrier foam or foam insert
- (6)(6)
- Belastungselementloading element
- (7)(7)
- Gießformmold
- (7')(7 ')
- Formsandmolding sand
- (8)(8th)
- Gießlauf und AnschnittsystemCasting and gating system
- (8')(8th')
- Eingußsprue
- (9)(9)
- Absaugung/EntgasungExhaust / degassing
- (10')(10 ')
- GussformteilMold part
- (10)(10)
- hoch belasteter Bereich im Gussformteil (10')Highly loaded area in the casting (10 ')
- (11)(11)
- lokal eingebrachte Modifikatoren (z.B. Typ A)locally introduced modifiers (e.g., type A)
- (12)(12)
- lokal eingebrachte Modifikatoren (z.B. Typ B)locally introduced modifiers (e.g., type B)
- (13)(13)
- lokal eingebrachte Modifikatoren (z.B. Typ C)locally introduced modifiers (e.g., type C)
- (14)(14)
- GusswerkstoffCast material
- (14')(14 ')
- Metallschmelze/flüssiger GusswerkstoffMolten metal / liquid casting material
- (15)(15)
- Kavitätcavity
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- WO 2013/186124 A1 [0063]WO 2013/186124 A1 [0063]
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R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |