DE102018121847A1 - Process for metal die casting with lost core - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Herstellen metallischer Werkstücke (12) im Druckgussverfahren, mit den folgenden Verfahrensschritten:
• ein Kern (18), der wenigstens ein mindestens 5% Kunststoff enthaltendes Kernelement (8) aufweist, wird in eine Druckgussform (101) eingebracht und in einer vorbestimmten Position in der Druckgussform gehalten,
• ein Werkstück (12) wird erzeugt, indem Metall im Druckgussverfahren in die Druckgussform eingebracht, der Kern dabei umgossen, und das Metall abgekühlt wird,
• der Kern wird aus dem Werkstück (12) entfernt und dabei zerstört, schlägt die Erfindung vor,
• dass das Kernelement eine Geometrie aufweist, derart, dass in dem Werkstück (12) so genannte filigrane Strukturen (14) geschaffen werden,
wobei metallische Elemente geschaffen werden, die mit einer Dicke oder Durchmesser von höchstens 5 mm in eine durch das Kernelement geschaffene Kavität (108) ragen,
oder die Länge der Kavität (108) mehr als 7-fach größer ist als ihre kleinste Querschnittsabmessung,
• und dass das Kernelement (8) entformungsfrei aus dem Werkstück (12) entfernt wird.
In a method for producing metallic workpieces (12) using the die casting method, with the following method steps:
A core (18) which has at least one core element (8) containing at least 5% plastic is introduced into a die casting mold (101) and held in a predetermined position in the die casting die,
A workpiece (12) is produced by introducing metal into the die-casting mold in the die-casting process, casting around the core and cooling the metal,
The core is removed from the workpiece (12) and destroyed in the process, the invention proposes,
• that the core element has a geometry such that so-called filigree structures (14) are created in the workpiece (12),
wherein metallic elements are created which protrude with a thickness or diameter of at most 5 mm into a cavity (108) created by the core element,
or the length of the cavity (108) is more than 7 times larger than its smallest cross-sectional dimension,
• and that the core element (8) is removed from the workpiece (12) without demolding.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of
Aus der
Bei dem gattungsgemäßen Verfahren wird der Kern in einem Stück aus dem Werkstück herausgezogen. Dabei wird der Kern zum Zwecke der Entformung verformt und insofern zerstört, als er für eine zweite, nochmalige Verwendung nicht mehr geeignet ist. Durch den Vorgang des Ziehens ist zudem die Ausgestaltung des Kernhohlraums auf Geometrien beschränkt, die das Ziehen des Kerns nicht behindern, z. B. muss die Geometrie frei sein von größeren Hinterschneidungen oder von in den Kern hineinragenden metallischen Strukturen, die im Werkstück geschaffen sind. Das Ziehen des Kerns kann nach einer Abkühlung des Werkstücks erfolgen, sobald das Werkstück eine ausreichende Formbeständigkeit aufweist. Insbesondere wird mit dem Ziehen des Kerns aber nicht gewartet, bis das Werkstück vollständig abgekühlt ist und beispielsweise Raumtemperatur erreicht hat, da dann auch der Kern eine Festigkeit zurückgewonnen hätte, die das Ziehen des Kerns unmöglich macht.In the generic method, the core is pulled out of the workpiece in one piece. The core is deformed for the purpose of demolding and destroyed in that it is no longer suitable for a second, repeated use. The process of drawing also limits the design of the core cavity to geometries that do not impede the drawing of the core, e.g. B. The geometry must be free of larger undercuts or of metallic structures protruding into the core, which are created in the workpiece. The core can be pulled after the workpiece has cooled as soon as the workpiece has sufficient dimensional stability. In particular, the pulling of the core is not waited until the workpiece has completely cooled and has reached room temperature, for example, since then the core would also have regained strength that makes it impossible to pull the core.
Weiterhin sind aus der Praxis Kerne bekannt, die auf der Basis von Salzen wie z. B. Natriumchlorid oder Natriumcarbonat gebildet sind und als Salzkerne bezeichnet werden. Sie weisen eine höhere Temperaturstabilität auf als die gattungsgemäßen Kerne aus Kunststoff, und sie lassen sich problemlos aus dem Werkstück entfernen, indem sie aufgelöst oder aufgebrochen werden. Aufgrund der starken Schwindung bei ihrer Herstellung, ihrer Porosität sowie ihrer Sprödigkeit, bzw. ihres keramischen Verhaltens, und dementsprechenden Bruchempfindlichkeit, lassen Salzkerne allerdings nur eingeschränkte Formgebungen zu. Insbesondere gilt für beispielsweise stabförmige Salzkerne, die geradlinig oder gebogen verlaufen können, einen runden oder mehreckigen Querschnitt aufweisen können, und die dazu dienen können, in einem Werkstück eine Bohrung oder einen Fluidkanal zu schaffen, dass ihre Länge das 7-fache ihres Durchmessers bzw. einer vergleichbaren Querschnittsabmessung nicht überschreiten sollte. Dieses Längen- zu Querschnittsverhältnis von 7 : 1 hat sich in der Praxis als Grenzwert herausgestellt, bis zu welchem eine Verwendung des Salzkerns im Druckgießverfahren möglich ist, ohne durch die impulsartige Belastung beim Gießvorgang eine Beschädigung des Salzkerns zu verursachen. Furthermore, cores are known from practice, which are based on salts such as. B. sodium chloride or sodium carbonate are formed and are referred to as salt cores. They have a higher temperature stability than the generic plastic cores, and they can be easily removed from the workpiece by opening or breaking them up. Due to the strong shrinkage in their manufacture, their porosity and their brittleness, or their ceramic behavior, and the corresponding sensitivity to breakage, salt cores only allow limited shapes. In particular, for rod-shaped salt cores, for example, which can run in a straight line or curved, have a round or polygonal cross section, and which can serve to create a bore or a fluid channel in a workpiece, that their length is 7 times their diameter or should not exceed a comparable cross-sectional dimension. In practice, this length to cross-section ratio of 7: 1 has been found to be the limit up to which the salt core can be used in the die casting process without causing damage to the salt core due to the pulse-like loading during the casting process.
Dementsprechend lassen sich mit den Salzkernen keine komplexeren Geometrien oder besonders feine Strukturen verwirklichen, da zumindest bereichsweise das erwähnte Verhältnis von 7 : 1 überschritten würde und daher die erforderliche Stabilität des Kerns nicht gewährleistet wäre. Aufgrund ihrer Sprödigkeit ist eine spanabhebende Nachbearbeitung der Salzkerne - beispielsweise um definierte, feine Strukturen oder glatte Oberflächen zu schaffen - in der Praxis mit den an eine Serienfertigung zu stellenden Ansprüchen nicht möglich. Die Salzkerne werden daher üblicherweise in einem Gießverfahren hergestellt. Dazu sind spezielle Gießmaschinen bzw. spezielle Gießverfahren erforderlich, die von standardisierten Maschinen und Verfahren abweichen, wie sie z. B. für die eingangs erwähnten, im Spritzguss herstellbaren Kunststoffkerne verwendet werden können.Accordingly, no more complex geometries or particularly fine structures can be achieved with the salt cores, since the mentioned ratio of 7: 1 would be exceeded at least in some areas and therefore the required stability of the core would not be guaranteed. Because of their brittleness, machining of the salt cores - for example to create defined, fine structures or smooth surfaces - is not possible in practice with the demands placed on series production. The salt cores are therefore usually produced in a casting process. This requires special casting machines or special casting processes that deviate from standardized machines and processes, such as those used for. B. can be used for the injection molding plastic cores mentioned above.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend zu verbessern, dass Werkstücke mit einem hoch komplexen inneren Aufbau möglichst preisgünstig hergestellt werden können.The invention has for its object to improve a generic method in such a way that workpieces with a highly complex internal structure can be manufactured as inexpensively as possible.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil beschreibt Anspruch 16.This object is achieved by a method according to
Der erfindungsgemäße Vorschlag sieht vor, dass ein Kernelement verwendet wird, welches wenigstens 5 Gew-% Kunststoff enthält. Somit kann die Herstellung des Kernelements im Unterschied zu Salzkernen mit wirtschaftlich vorteilhafteren Verfahren erfolgen, also mit einer maschinellen Einrichtung und Verfahrensweise, wie sie in vielen Betrieben vorhanden bzw. bekannt ist. Mögliche Herstellverfahren sind Gussverfahren, Sinterverfahren, 3D-Druck, Extrusion von Strang- oder Plattenprofilen, wie auch die Verarbeitung von Halbzeugen, also z.B. spanend bearbeitete oder unter Wärmeeinwirkung gebogene oder verformte Rohre, Stangen oder Platten.The proposal according to the invention provides that a core element is used which contains at least 5% by weight of plastic. Thus, in contrast to salt cores, the production of the core element can be carried out using economically more advantageous methods, that is to say with a mechanical device and method such as is available or known in many companies. Possible manufacturing processes are casting processes, sintering processes, 3D printing, extrusion of extruded or plate profiles, as well as the processing of semi-finished products, e.g. Machined pipes or tubes or rods or plates that are bent or deformed under the influence of heat.
Besonders bevorzugt wird das Kernelement im Spritzguss hergestellt, da sich damit in wirtschaftlicher Art und Weise auch komplexe Strukturen herstellen lassen. Insbesondere ab einem Kunststoffgehalt von 5 Gew-% wird eine für den Spritzguss erforderliche Fließfähigkeit des Kernmaterials erreicht. Hierdurch kann beim Spritzguss aufgrund der homogenen Druckverteilung insbesondere im dreidimensionalen Raum eine komplexe Form des Kernelements hergestellt werden. Es ist kein anderes Kernherstellungsverfahren bekannt, welches den Kern mit dem beschriebenen Material in der Art und Weise vorteilhaft für den Prozess und frei von der Formgebung im dreidimensionalen Raum erzeugen könnte.The core element is particularly preferably produced by injection molding, since it can also be used to produce complex structures in an economical manner. From a plastic content of 5% by weight in particular, the flowability of the core material required for injection molding is achieved. As a result, a complex shape of the core element can be produced in injection molding due to the homogeneous pressure distribution, particularly in three-dimensional space. No other core manufacturing process is known which could produce the core with the material described in a manner which is advantageous for the process and free of shaping in three-dimensional space.
Kernherstellungsverfahren, welche den Kern aus rieselfähigem Material herstellen, sind hier von der Formgebung aufgrund der Kraftverteilung limitiert. Bei anderen Kernherstellungsverfahren, wie beispielsweise dem Warmkammer Druckgussverfahren, welche Kerne aus der flüssigen Schmelze des Kernmaterials herstellen, wie dem Fachmann aus dem Bereich der Salzkerne bekannt, oder bei bekannten Sinterverfahren, ist der entstehende Kern spröde und oder weißt eine hohe Schwindung auf und/oder kann durch Teile der Schmelze infiltriert werden, so dass diese Kerne teilweise einen weiteren Bearbeitungsschritt, wie eine Ummantelung mit einem weiteren Material, benötigen.Core manufacturing processes that produce the core from free-flowing material are limited here by the shape due to the force distribution. In other core production processes, such as the hot chamber die casting process, which produce cores from the liquid melt of the core material, as is known to the person skilled in the field of salt cores, or in known sintering processes, the resulting core is brittle and or has a high shrinkage and / or can be infiltrated through parts of the melt, so that these cores sometimes require a further processing step, such as a sheathing with another material.
Weiterhin ist vorschlagsgemäß vorgesehen, dass ein Kernelement eine solche Geometrie mit Vorsprüngen und Einbuchtungen aufweist, dass es nicht aus dem Werkstück herausgezogen werden kann. Dies gibt bei der Konstruktion des Werkstücks erhebliche konstruktive Freiheiten für die Lage und Ausgestaltung der Kernhohlräume, so dass hoch komplexe Geometrien z. B. von Strömungskanälen innerhalb eines Werkstücks verwirklicht werden können. Insbesondere können Strömungskanäle auf die Ansprüche des jeweiligen Bauteils optimiert werden, so dass Strömungen z.B. druckverlustarm geführt werden können, Turbulenzen vermieden werden können, das Zusammenführen und Aufteilen von Strömungen verbessert werden kann, und der Strömungskanal keine Entformungsschrägen und damit unnötige die Strömung behindernde Querschnittsänderungen aufweisen muss. Genauso ist es aber auch möglich für Werkstücke wie Filter, Mischer, Katalysatoren oder andere, dem Fachmann ersichtliche Anwendungen, eine Optimierung, z.B. durch eine Oberflächenstruktur auszuführen, die möglichst viele Turbulenzen erzeugt. Da die Entfernung des Kernelements bei dem vorschlagsgemäßen Verfahren nicht von der Geometrie des Kerns in der Weise abhängt, dass er herausgezogen werden kann, können Hinterschnitte, Querschnittsänderungen eines Strömungskanals z.B. für eine optimierte Anströmung von Funktionsbauteilen wie Wärmetauscher, aber auch kleine Geometrien zur Optimierung der Strömung, wie dies bei einer „Golfballoberfläche“ der Fall ist oder für andere dem Fachmann ersichtliche Vorteile genutzt werden.Furthermore, it is proposed according to the proposal that a core element has such a geometry with projections and indentations that it cannot be pulled out of the workpiece. This gives the design of the workpiece considerable design freedom for the location and design of the core cavities, so that highly complex geometries such. B. can be realized by flow channels within a workpiece. In particular, flow channels can be optimized to the requirements of the respective component, so that flows e.g. can be guided with low pressure loss, turbulence can be avoided, the merging and splitting of flows can be improved, and the flow channel does not have to have any draft angles and thus unnecessary cross-sectional changes obstructing the flow. In the same way, it is also possible for workpieces such as filters, mixers, catalysts or other applications that are obvious to the person skilled in the art, e.g. with a surface structure that creates as much turbulence as possible. Since the removal of the core element in the proposed method does not depend on the geometry of the core in such a way that it can be pulled out, undercuts, cross-sectional changes in a flow channel, e.g. for an optimized inflow of functional components such as heat exchangers, but also small geometries for optimizing the flow, as is the case with a "golf ball surface" or for other advantages that are apparent to the expert.
Das erwähnte Kernelement kann einen Abschnitt eines aus zwei oder mehr Elementen zusammengesetzten Kerns bilden. Diese zwei oder mehr Elemente können aus dem gleichen oder auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Dabei muss es sich nicht bei jedem Kernelement um ein erfindungsgemäßes Kernelement handeln, es genügt, wenn im Kern ein erfindungsgemäßes vorhanden ist. So kann beispielsweise nur ein Teil des Kerns, für den eine filigrane Struktur vorgesehen ist, durch ein erfindungsgemäßes Kernelement gebildet sein, und der Rest des Kernes in herkömmlicher, aus dem Stand der Technik bekannter Art gebildet sein. Ein Kernelement kann jedoch auch einteilig den gesamten Kern bilden. Nachfolgend wird häufig der Begriff Kern stellvertretend gebraucht, wobei die dazu gemachten Aussagen auch für ein Kernelement gelten, welches lediglich einen Abschnitt eines Kerns bildet, sofern aus dem Zusammenhang nichts Anderes hervorgeht.The core element mentioned can form a section of a core composed of two or more elements. These two or more elements can consist of the same or different materials. It is not necessary for every core element to be a core element according to the invention, it is sufficient if there is a core element according to the invention. For example, only a part of the core for which a filigree structure is provided can be formed by a core element according to the invention, and the rest of the core can be formed in a conventional manner known from the prior art. However, a core element can also form the entire core in one piece. In the following, the term core is often used as a representative, whereby the statements made also apply to a core element, which only forms a section of a core, unless the context indicates otherwise.
Der Kern kann auch selbst noch Elemente aus einem zweiten Werkstoff enthalten, welche z.B. auch im Kernelement eingebettet sein können. So ist es bspw. denkbar, dass in einem oder mehreren Kernelementen metallische Stifte als Montagehilfe zum Zusammensetzen eines Kernes vorgesehen sind, oder Elemente, welche als Kernmarke dienen. Die Elemente können bei einer späteren Entfernung des Kerns ebenfalls entfernt werden, oder auch im Werkstück verbleiben. So ist es auch möglich, dass der Kern erzeugt wird, indem ein beliebig geformtes erstes Halbzeug mit der erfindungsgemäßen Kernmasse bereichsweise angespritzt oder umspritzt wird, d.h. indem das erfindungsgemäße Kernelement daran ausgebildet wird. Das Halbzeug verbleibt nach der Entkernung im Werkstück. Im Sinne der Anmeldung wird als erfindungsgemäßes Kernelement nur die erfindungsgemäße Kernmasse verstanden, unabhängig ob daran oder darin weitere nicht erfindungsgemäße (Kern-)Elemente vorgesehen sind.The core can also itself contain elements made of a second material, which can also be embedded in the core element, for example. It is conceivable, for example, that metallic pins are provided in one or more core elements as assembly aids for assembling a core, or elements that serve as a core brand. The elements can also be removed when the core is removed later, or can remain in the workpiece. It is thus also possible for the core to be produced by injection molding or extrusion-coating an arbitrarily shaped first semifinished product with the core composition according to the invention, ie by forming the core element according to the invention thereon. After the coring, the semi-finished product remains in the workpiece. In the sense of the registration is as inventive The core element understood only the core mass according to the invention, irrespective of whether further (core) elements not according to the invention are provided thereon or therein.
Es ist weiter denkbar, dass der Kern im Wesentlichen hohl gestaltet ist oder bereichsweise über Hohlräume verfügt. So können zudem auch Kanäle im Kern gebildet sein, welche z.B. während eines Gießvorgangs mit einem Kühlmittel durchströmbar sind. Bei einem löslichen Kern muss ein Kühlmittel gewählt werden, in welchem der Kern unlöslich ist, also z.B. bei einem Wasserlöslichen Kern ein Öl.It is also conceivable that the core is essentially hollow or has cavities in some areas. Channels can also be formed in the core, which e.g. can be flowed through by a coolant during a casting process. In the case of a soluble core, a coolant must be selected in which the core is insoluble, e.g. an oil for a water-soluble core.
Der Kern kann darüber hinaus insgesamt oder bereichsweise auch mit einer funktionalen Schicht versehen sein, welche am Werkstück verbleiben kann oder während des Gießens in den Gusswerkstoff diffundiert und/oder eine intermetallische Phase an der Werkstückwandung bilden kann um z.B. einen Korrosionsschutz zu realisieren.Furthermore, the core as a whole or in some areas can also be provided with a functional layer which can remain on the workpiece or diffuse into the casting material during casting and / or can form an intermetallic phase on the workpiece wall in order, for example, to to implement corrosion protection.
Weiterhin ist vorschlagsgemäß vorgesehen, im Kernhohlraum des Werkstücks, auch Kavität genannt, eine Geometrie zu verwirklichen, die im Rahmen des vorliegenden Vorschlags als so genannte „filigrane Struktur“ bezeichnet wird. Dabei steht insbesondere die Struktur des zu schaffenden metallischen Werkstücks im Vordergrund, so dass es sich um eine Struktur handeln kann, die vom metallischen Material des Werkstücks gebildet ist, oder die als Kavität bzw. Hohlraum von dem metallischen Material des Werkstücks umgeben ist. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen Kern und Werkstück bedeutet dies, dass eine filigrane Struktur einer im Werkstück vorhandenen, vom Metall umgebenen Kavität einen dementsprechend geformten Kern voraussetzt.It is also proposed, according to the proposal, to implement a geometry in the core cavity of the workpiece, also called the cavity, which is referred to in the context of the present proposal as a so-called “filigree structure”. The structure of the metal workpiece to be created is particularly important, so that it can be a structure which is formed by the metal material of the workpiece or which is surrounded as a cavity or cavity by the metal material of the workpiece. Due to the interaction between the core and the workpiece, this means that a filigree structure of a cavity in the workpiece, surrounded by the metal, requires a correspondingly shaped core.
Der Begriff der filigranen Struktur wird im Rahmen des vorliegenden Vorschlags als eine Ausgestaltung des Werkstücks verstanden, bei welcher entweder metallische Bereiche des Werkstücks mit einer Dicke oder einem Durchmesser von höchstens 5 mm in die Kavität ragen, beispielsweise Rippen, Verbindungsstege, Noppen o. dgl., oder bei welcher die Kavität zumindest abschnittsweise ein Verhältnis von kleinster Querschnittsabmessung zu Länge aufweist, welches kleiner ist als 1 : 7, so dass also die Länge der Kavität zumindest abschnittsweise mehr als das Siebenfache größer ist als seine kleinste Querschnittsabmessung, z. B. bei rundem Querschnitt sein Durchmesser oder z.B. bei rechteckigem Querschnitt die kürzere Seitenlänge oder z.B. bei vieleckigem Querschnitt das kleinste Maß aus Höhe, Diagonale oder Seitenlänge. Somit lassen sich mit dem vorschlagsgemäßen Verfahren Bauteilgeometrien im Werkstück verwirklichen, die mit einem Salzkern aufgrund der Problematik mechanischer Stabilität nicht möglich sind. Auch die Kunststoffkerne, die aus dem gattungsgemäßen Verfahren bekannt sind, lassen typischerweise keine filigranen Strukturen zu, da bei Unterschreitung eines Verhältnisses von kleinster Querschnittsabmessung zu Länge von 1 : 7 der Auszugswiderstand beim Ziehen des Kerns so groß ist, dass ein Bruch des Kerns nicht auszuschließen ist und eine vollständige Entfernung des Kerns nicht prozesssicher in einer Serienfertigung gewährleistet werden kann. Im Ergebnis gilt daher bislang in der Fachwelt ein Verhältnis von kleinster Querschnittsabmessung zu Länge von 1 : 7 als Grenze für die Geometrie von Kernen, die in der Serienfertigung - und im Bereich der Automobilherstellung insbesondere auch in der Großserienfertigung - hergestellt werden sollen.The term filigree structure is understood in the context of the present proposal as an embodiment of the workpiece in which either metallic areas of the workpiece with a thickness or a diameter of at most 5 mm protrude into the cavity, for example ribs, connecting webs, knobs or the like. , or in which the cavity at least in sections has a ratio of the smallest cross-sectional dimension to length which is less than 1: 7, so that the length of the cavity is at least in sections more than seven times greater than its smallest cross-sectional dimension, e.g. B. with a round cross-section its diameter or e.g. with a rectangular cross-section the shorter side length or e.g. in the case of a polygonal cross-section, the smallest dimension from height, diagonal or side length. Thus, with the proposed method, component geometries can be realized in the workpiece that are not possible with a salt core due to the problem of mechanical stability. Even the plastic cores, which are known from the generic method, typically do not allow filigree structures, since if the ratio of the smallest cross-sectional dimension to length is 1: 7, the pull-out resistance when pulling the core is so great that a breakage of the core cannot be ruled out and complete removal of the core cannot be guaranteed in a series production process. As a result, a ratio of the smallest cross-sectional dimension to length of 1: 7 has been the limit for the geometry of cores that are to be produced in series production - and in the area of automobile production, especially in large series production - so far.
Bei einem Strömungskanal mit rundem Kanalquerschnitt bezeichnet beispielsweise der Durchmesser des Strömungskanals die Querschnittsabmessung des Kernhohlraums, d.h. der Kavität. Bei rechteckigen oder ansonsten vom Kreisrund abweichenden Querschnitten des Kernhohlraums, bei denen beispielsweise eine Höhe und eine Breite festgestellt werden kann, bestimmt jeweils das kleinere Maß dieser Querschnittsabmessungen das relevante Maß, welches mit der Länge des Kernhohlraums in Relation gesetzt wird, um anhand des Verhältnisses von 1 : 7 eine Ausgestaltung als filigrane Struktur zu definieren. Wie dem Fachmann leicht ersichtlich ist, muss sich das Verhältnis nicht auf den vollständigen Kernhohlraum (Einhüllende) und dementsprechend nicht auf den gesamten Kern beziehen; es wird im Rahmen des vorliegenden Vorschlags auch als filigrane Struktur erachtet, wenn der Kernhohlraum mindestens einen Teilabschnitt mit dem genannten Verhältnis kleiner 1 : 7 aufweist und der Kern dementsprechend ein Kernelement mit dieser Geometrie aufweist.In the case of a flow channel with a round channel cross-section, for example, the diameter of the flow channel denotes the cross-sectional dimension of the core cavity, i.e. the cavity. In the case of rectangular or otherwise deviating cross-sections of the core cavity, in which, for example, a height and a width can be determined, the smaller dimension of these cross-sectional dimensions determines the relevant dimension, which is related to the length of the core cavity in order to use the ratio of 1: 7 to define a design as a filigree structure. As is readily apparent to those skilled in the art, the ratio does not have to relate to the complete core cavity (envelope) and, accordingly, not to the entire core; Within the scope of the present proposal, it is also considered to be a filigree structure if the core cavity has at least one partial section with the ratio mentioned less than 1: 7 and the core accordingly has a core element with this geometry.
Mit dem vorschlagsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, andere, nicht filigrane, Geometrien herzustellen, beispielsweise auch Geometrien mit einem Verhältnis von Querschnitt zu Länge im Bereich von 1. Diese Geometrien sind aufgrund der Schwindung vor allem bei größer dimensionierten Kernen schwer herzustellen, was mit dem vorschlagsgemäßen Verfahren in dem Maße nicht der Fall ist, sodass das erfindungsgemäße Verfahren auch dafür in besonderer Weise geeignet ist.With the proposed method, it is also possible to produce other, not filigree, geometries, for example also geometries with a ratio of cross-section to length in the range of 1. These geometries are difficult to produce due to the shrinkage, especially with larger-sized cores, what with the The method according to the proposal is not the case to the extent that the method according to the invention is also particularly suitable for this.
Schließlich ist vorschlagsgemäß vorgesehen, dass der Kern entformungsfrei aus dem Werkstück entfernt wird. Als Entformung wird dabei im Rahmen des vorliegenden Vorschlags bezeichnet, dass der Kern in einem Stück mit bestimmter Geometrie aus dem Kernhohlraum entfernt wird, beispielsweise indem entsprechende Elemente der Gießform in Art eines Schiebers o. dgl. bewegt werden, oder indem der Kern aus einem Kernhohlraum des Werkstücks herausgezogen werden kann.Finally, it is proposed that the core be removed from the workpiece without demolding. In the context of the present proposal, demolding means that the core is removed from the core cavity in one piece with a certain geometry, for example by moving corresponding elements of the casting mold in the manner of a slide or the like, or by removing the core from a core cavity of the workpiece can be pulled out.
Vielmehr ist vorschlagsgemäß vorgesehen, dass eine solche Entformung nicht stattfindet, sondern vielmehr der Kern unter Überführung zumindest des Kunststoffanteils in einen ungebundenen Zustand aus dem Kernhohlraum entfernt wird. Als ungebundener Zustand wird verstanden, dass der Kunststoff zumindest vorwiegend in einen anderen Aggregatzustand übergeht, d.h. der ursprünglich feste Kunststoff, oder dessen Komponenten liegen im ungebundenen Zustand vorwiegend flüssig oder gasförmig vor. So kann beispielsweise der Kunststoff selbst den Aggregatzustand durch einen temperaturinduzierten Phasenübergang aus der festen Phase, in welcher der Kern zunächst vorliegt, in eine andere, insbesondere flüssige oder gasförmige Phase ändern. Dabei wird im Sinne der Erfindung auch der Zerfall des Kunststoffs in ein flüssiges oder gasförmiges Stoffgemisch, d.h. z.B. in Rauch, als eine Änderung des Aggregatzustandes verstanden. Dabei kann vorgesehen sein, allein den Kern in den ungebundenen Zustand zu überführen und aus der Kavität zu entfernen. Es kann aber auch vorgesehen sein, den Kern durch eine Zusammenführung mit anderen Stoffen in den ungebundenen Zustand zu überführen, beispielsweise durch die Lösung des Kunststoffanteils in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, und dann das Materials des Kerns sowie das Material des anderen Stoffes gemeinsam aus dem Kernhohlraum zu entfernen. Rather, it is proposed that such demolding does not take place, but rather that the core is removed from the core cavity by converting at least the plastic portion into an unbound state. An unbound state is understood to mean that the plastic at least predominantly changes into another state of matter, ie the originally solid plastic, or its components are predominantly liquid or gaseous in the unbound state. For example, the plastic itself can change the state of matter through a temperature-induced phase transition from the solid phase in which the core is initially present to another, in particular liquid or gaseous phase. For the purposes of the invention, the disintegration of the plastic into a liquid or gaseous mixture of substances, ie for example in smoke, is also understood as a change in the state of matter. It can be provided that the core alone is transferred to the unbound state and removed from the cavity. However, it can also be provided to bring the core into the unbound state by combining it with other substances, for example by dissolving the plastic portion in a liquid or gaseous medium, and then the material of the core and the material of the other substance together from the Remove core cavity.
Das teilweise An- oder vollständige Auflösen des Kerns kann mittels eines chemisch oder physikalisch wirkenden Lösungsmittels erreicht werden. Dabei wird im Sinne der Erfindung auch als Lösung verstanden, wenn zwischen Kunststoff und Lösungsmittel chemische Reaktionen auftreten, sodass die Reaktionsprodukte mit dem restlichen Lösungsmittel ein Gemisch bilden, welches vorwiegend im ungebundenen Zustand vorliegt, d.h. beispielsweise eine Lösung oder eine Emulsion, oder aber auch eine Suspension oder ein Aerosol.Partial or complete dissolution of the core can be achieved by means of a chemical or physical solvent. In the context of the invention, it is also understood as a solution if chemical reactions occur between the plastic and the solvent, so that the reaction products form a mixture with the remaining solvent, which is predominantly in the unbound state, i.e. for example a solution or an emulsion, or else a suspension or an aerosol.
Ein ungebundener Zustand des Kunststoffs liegt somit vor, wenn der Kunststoff selbst in einem flüssigen oder gasförmigen Zustand oder seine Komponenten in einem vorwiegend flüssigen oder gasförmigen Stoffgemisch vorliegen.The plastic is thus in an unbound state if the plastic itself is in a liquid or gaseous state or its components are in a predominantly liquid or gaseous mixture.
Der Kern wird folglich in eine Vielzahl kleiner Bestandteile - gegebenenfalls bis in die molekulare Ebene - aufgebrochen, um ihn aus dem Kernhohlraum zu entfernen. Es kann sich dabei beispielsweise um ein mechanisches Aufbrechen handeln, beispielsweise wenn der Kern einer bestimmten Bestrahlung, ggf. in Verbindung mit Vibrationen, ausgesetzt wird. Insbesondere hat sich in ersten Versuchen herausgestellt, dass je nach verwendetem Werkstoff der Kern vorteilhaft pyrolytisch, d.h. durch thermische Zersetzung, entfernt werden kann, wodurch eine zuverlässige, rückstandsfreie Entfernung des Kerns gewährleistet werden kann. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der Kern durch Aufschmelzen aus dem Werkstück entfernt wird. Das Aufschmelzen kann beispielsweise genutzt werden, um bewusst einen Rückstand des Kernwerkstoffs an der Oberfläche des Kernhohlraums zu belassen, so dass eine Oberflächenbeschichtung des Kernhohlraums bewirkt werden kann, um beispielsweise den verwendeten metallischen Werkstoff vor dem Einfluss aggressiver Fluide zu schützen, die durch den Kernhohlraum beim späteren Einsatz des Werkstücks strömen werden.The core is consequently broken up into a multitude of small components - possibly down to the molecular level - in order to remove it from the core cavity. This can be, for example, a mechanical breakup, for example if the core is exposed to a certain radiation, possibly in connection with vibrations. In particular, it has been found in initial tests that, depending on the material used, the core is advantageously pyrolytic, i.e. can be removed by thermal decomposition, which ensures reliable, residue-free removal of the core. Alternatively, it can be provided that the core is removed from the workpiece by melting. The melting can be used, for example, to deliberately leave a residue of the core material on the surface of the core cavity, so that a surface coating of the core cavity can be effected, for example in order to protect the metal material used from the influence of aggressive fluids which are caused by the core cavity during flow later use of the workpiece.
Weiterhin haben erste Versuche gezeigt, dass der Kern auch vorteilhaft mittels eines chemisch oder physikalisch wirkenden Lösungsmittels rückstandsfrei aus dem Werkstück entfernt werden kann oder ausgespült werden kann. Dabei muss nicht notwendigerweise das komplette Kernelement gelöst werden, denn es kann ausreichen, zumindest einen ungebundenen Zustand des Kunststoffs zu bewirken. Die thermische Belastung des Werkstücks, die bei einer pyrolytischen oder Schmelz-Entfernung des Kerns auf das Werkstück einwirkt, kann durch das Auflösen oder Ausspülen des Kerns vermieden werden.Furthermore, initial tests have shown that the core can also advantageously be removed from the workpiece without residue or can be rinsed out using a chemical or physical solvent. The complete core element does not necessarily have to be loosened here, because it can be sufficient to at least bring about an unbound state of the plastic. The thermal stress on the workpiece, which acts on the workpiece in the event of pyrolytic or enamel removal of the core, can be avoided by dissolving or rinsing out the core.
Eine Kombination von unterschiedlichen Verfahren zur Entfernung des Kerns ist möglich, wie anhand von drei Beispielen erläutert wird:
- Beispielsweise kann erstens vorgesehen sein, dass zuerst der Kunststoffanteil des Kerns pyrolysiert wird und anschließend ein Salzanteil des Kerns in Wasser aufgelöst wird.
- For example, it can first be provided that the plastic portion of the core is pyrolyzed first and then a salt portion of the core is dissolved in water.
Oder eine Kombination unterschiedlicher Verfahren kann zweitens dadurch erfolgen, dass zunächst nur der Kunststoff „zerstört“ wird, z. B. durch einen Übergang in einen flüssigen oder gasförmigen Zustand, und anschließend wird ein Füllstoff des Kerns wie z. B. das erwähnte Salz oder auch Talkum aus dem Kernhohlraum ausgespült. Der Füllstoff selbst muss dabei nicht lösbar sein, sondern kann auch mit dem Spülmedium ein beliebiges Gemisch bilden.Or secondly, a combination of different processes can take place in that initially only the plastic is “destroyed”, eg. B. by a transition to a liquid or gaseous state, and then a filler of the core such. B. rinsed the salt or talc from the core cavity. The filler itself does not have to be soluble, but can also form any mixture with the flushing medium.
Oder eine Kombination unterschiedlicher Verfahren kann drittens dadurch erfolgen, dass der Kern eine äußere Hüllschicht als Kernelement aufweist, welches eine die Hinterschneidungen bewirkende Geometrie aufweist und welches wie vorbeschrieben in kleine Bestandteile aufgebrochen und aus dem Kernhohlraum entfernt wird. Das vorschlagsgemäße Verfahren wird daher nur auf dieses äußere Kernelement angewendet. Nach Entfernung dieser äußeren Hüllschicht liegt ein Rest des Kerns vor, der nun an einem Stück entfernt werden kann, z. B. gezogen werden kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Durch diese Kombination kann möglicherweise die erforderliche Zeit reduziert werden, die ansonsten für das vollständige Aufbrechen des gesamten Kerns in kleine Bestandteile erforderlich wäre.Or thirdly, a combination of different methods can take place in that the core has an outer cladding layer as the core element, which has a geometry causing the undercuts and which, as described above, is broken up into small components and removed from the core cavity. The proposed method is therefore only applied to this outer core element. After removal of this outer covering layer, there is a rest of the core, which can now be removed in one piece, e.g. B. can be pulled, as known from the prior art. This combination may reduce the time required that would otherwise be required for the complete breakdown of the entire core into small components.
Im Rahmen des vorliegenden Vorschlags ist vorgesehen, dass durch das Spritzgussverfahren ein Element geschaffen wird, welches als „Kernelement“ bezeichnet ist. Die Verwendung des Spritzgusses ist besonders vorteilhaft, da so bei der Fertigung des Kernelements eine deutlich geringere Schwindung auftritt, als sie bei Salzkerngießverfahren aus der Schmelze bekannt ist. Es kann sich dabei um den vollständigen Kern handeln, der in die Druckgussform eingesetzt werden soll. Es kann sich jedoch auch um lediglich eines von zwei oder mehreren Elementen handeln, die zunächst miteinander verbunden werden, um so den Kern mit seiner endgültigen Geometrie zu schaffen. Dabei müssen nicht alle Teile des Kerns entformungsfrei entfernbar im Sinne der Erfindung sein, es genügt, wenn wenigstens ein Kernelement so beschaffen ist.In the context of the present proposal, it is provided that an element is created by the injection molding process, which is referred to as the “core element”. The use of injection molding is particularly advantageous because the core element is produced with a significantly lower shrinkage than is known from the melt in the case of salt core casting processes. It can be the complete core to be inserted into the die. However, it can also be just one of two or more elements that are initially connected to one another in order to create the core with its final geometry. It is not necessary for all parts of the core to be removable in accordance with the invention without demolding; it is sufficient if at least one core element is of such a nature.
So kann beispielsweise durch eine Verklebung mehrerer Kernelemente eine komplexe Geometrie des Kerns bewirkt werden, ohne den Kern spanabhebend in einem unerwünscht großen Ausmaß nachbearbeiten zu müssen, abgesehen von dem für Spritzguss typischen eventuellen Nachbearbeitungen wie dem Entfernen von Angüssen, Graten o. dgl. Bei der Verklebung mehrerer Kernelemente können Kernelemente verwendet werden, die hinsichtlich ihrer Geometrie und / oder ihrer Werkstoffe gleich oder unterschiedlich sein können. Idealerweise ist der Kleber selbst entformungsfrei entfernbar, damit eine rückstandslose Entfernung in einfacher Weise möglich ist. Bei geeignetem Kunstsoff im Werkstoff der Kernelemente können diese auch unter Erwärmung der Kontaktflächen ohne Zusatz eines gesonderten Klebstoffs miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Die Kernelemente müssen auch nicht zwingend verklebt werden, es ist grundsätzlich auch jede Art von kraft-, form- oder stoffschlüssiger Verbindung geeignet.For example, by gluing several core elements, a complex geometry of the core can be achieved without having to machine the core to an undesirably large extent, apart from the possible finishing operations typical of injection molding, such as the removal of sprues, burrs or the like Gluing several core elements can use core elements that can be the same or different with regard to their geometry and / or their materials. Ideally, the adhesive itself can be removed without demolding so that residue-free removal is possible in a simple manner. With a suitable plastic in the material of the core elements, these can also be bonded to one another by heating the contact surfaces without the addition of a separate adhesive. The core elements also do not necessarily have to be glued, in principle any type of non-positive, positive or material connection is also suitable.
Es kann jedoch vorgesehen sein, das Kernelement, welches zunächst im Spritzgussverfahren hergestellt ist, anschließend nachzubearbeiten, insbesondere Span abhebend nachzubearbeiten, um die endgültig gewünschte Geometrie dieses Kernelements zu erhalten. Insbesondere wenn lediglich ein einziges Kernelement später den Kern bilden soll, kann eine derartige Nachbearbeitung des Kerns wirtschaftlich vorteilhaft sein im Vergleich zur Herstellung eines Kerns aus mehreren einzelnen, miteinander zu verbindenden Kernelementen. Eine Nachbearbeitung kann insbesondere im Kontaktbereich zum zu bildenden Werkstück erfolgen, d.h. es lassen sich z.B. durch die Nachbearbeitung Strukturen im Kernelement erzeugen, welche später im Werkstück abgebildet werden.However, it can be provided that the core element, which is initially produced by the injection molding process, is subsequently reworked, in particular post-machined, in order to obtain the finally desired geometry of this core element. In particular, if only a single core element is to form the core later, such a reworking of the core can be economically advantageous compared to the production of a core from a plurality of individual core elements to be connected to one another. Post-processing can take place in particular in the contact area with the workpiece to be formed, i.e. e.g. create structures in the core element through post-processing, which are later mapped in the workpiece.
Die Kernelemente, welche im Spritzguss hergestellt werden können, können teilweise oder insbesondere auch vollständig aus einem Kunststoff bestehen wie z.B. Bakelit, Epoxiden oder Duroplasten, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff wie einem Polyamid, einem Acrylat, Styrol, Lactide, Ethylen, Propylen, Acetat oder einem Alkohol, insbesondere einem Polyvinylalkohol oder einer Mischung dieser Kunststoffe. Abgesehen von der guten Verarbeitbarkeit dieser Kunststoffe weisen diese auch Vorteile auf hinsichtlich ihrer späteren Entfernbarkeit aus dem Kernhohlraum, und beispielsweise die Thermoplaste können unter bestimmten Bedingungen auch wiederverwenet werden. Polyvinylalkohol ist zudem hinsichtlich der Umweltbelastung problemlos und insofern vorteilhaft, als er in das Abwasser abgegeben werden darf.The core elements, which can be produced by injection molding, can consist partially or in particular entirely of a plastic, such as Bakelite, epoxies or thermosets, in particular made of a thermoplastic such as a polyamide, an acrylate, styrene, lactide, ethylene, propylene, acetate or an alcohol, in particular a polyvinyl alcohol or a mixture of these plastics. In addition to the good processability of these plastics, they also have advantages with regard to their later removability from the core cavity, and for example the thermoplastics can also be reused under certain conditions. Polyvinyl alcohol is also problem-free in terms of environmental pollution and advantageous in that it can be released into the waste water.
Das vorschlagsgemäße Verfahren kann vorteilhaft angewendet werden, wenn das Werkstück im in einem Kaltkammer- oder Warmkammerdruckgussverfahren, und insbesondere in einem Hochdruckgussverfahren erzeugt wird. Hierbei wird unter Hochdruckgussverfahren ein Druckgussverfahren verstanden, bei dem die Drücke größer 30 bar, insbesondere größer 100 bar, angewendet werden. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass das Verfahren aber auch im Niederdruckguss bei Drücken kleiner 30 bar angewendet werden kann.The proposed method can advantageously be used if the workpiece is produced in a cold chamber or hot chamber die casting process, and in particular in a high pressure casting process. High-pressure casting is understood to mean a pressure casting process in which the pressures greater than 30 bar, in particular greater than 100 bar, are used. The person skilled in the art can see that the method can also be used in low-pressure casting at pressures below 30 bar.
Vorteilhaft ist das Verfahren besonders im Hochdruckguss bei einem Gießdruck von mehr als 100 bar, da dort typischerweise eine hohe Biegebeanspruchung des Kernes vorliegt und das vorgeschlagene Kernelement eine besonders gute Biegefestigkeit aufweist ggü. einem Kernelement mit einem geringeren Kunststoffanteil, bzw. einer höheren Sprödigkeit. Da bei einem hohen Gießdruck das Kernelement sehr schnell innerhalb weniger Millisekunden umgossen wird, kann der Kunststoff in dieser Zeit noch nicht erweichen oder an Festigkeit verlieren wie dies ggf. bei einer geringeren Gießgeschwindigkeit der Fall sein könnte; so ist besonders bei einer hohen Gießgeschwindigkeit, bzw. einem hohen Gießdruck, eine gute Formbeständigkeit des Kernelements gegeben.The method is particularly advantageous in high-pressure casting at a casting pressure of more than 100 bar, since there is typically a high bending stress on the core and the proposed core element has a particularly good bending strength compared to. a core element with a lower plastic content or a higher brittleness. Since the core element is cast very quickly within a few milliseconds at a high casting pressure, the plastic cannot soften or lose strength during this time, as could possibly be the case at a lower casting speed; This ensures good dimensional stability of the core element, especially at a high casting speed or a high casting pressure.
Ganz besonders vorteilhaft eignet sich das Verfahren wenn das Werkstück im Aluminium-Hochdruckgießverfahren erzeugt wird, also eine schmelzflüssigen Aluminiumlegierung mit einem Druck von 250 bar oder mehr in die Form eingebracht wird. Dabei kann der Gießdruck bevorzugt bei 500 bar oder höher, besonders bevorzugt bei 700 bar oder höher liegen. Durch den hohen Druck kann sichergestellt werden, dass das Metall in sämtliche Bereiche des Formhohlraums vollständig einströmt, so dass die erwähnten filigranen Strukturen zuverlässig auch bei einer Serienfertigung mit möglichst kurzen Taktzeiten erzeugt werden können. Der hohe Druck bewirkt weiterhin, dass die Druckgussform innerhalb von einigen Millisekunden, also innerhalb von Sekundenbruchteilen und typisch innerhalb von weniger als 1/10 Sekunde, vollständig gefüllt werden kann, so dass die Temperaturbeaufschlagung des grundsätzlich temperaturempfindlichen Kerns, der ja Kunststoff enthält, auf eine sehr kurze Zeit begrenzt werden kann, bis das Metall an den äußeren Oberflächen des Werkstücks, bzw. an der Grenzfläche von Werkstück und Kern, zu erstarren beginnt und eine ausreichende Formstabilität aufweist. Wenn der Kern anschließend erweicht und keine Formbeständigkeit mehr garantieren kann, hat das metallische Werkstück eine ausreichende Formstabilität erreicht, um unerwünschte Verformungen des Werkstücks auszuschließen.The method is particularly advantageous when the workpiece is produced using the aluminum high-pressure casting method, that is to say a molten aluminum alloy is introduced into the mold at a pressure of 250 bar or more. The casting pressure can preferably be 500 bar or higher, particularly preferably 700 bar or higher. The high pressure can ensure that the metal flows completely into all areas of the mold cavity, so that the filigree structures mentioned can be reliably produced even in series production with the shortest possible cycle times. The high pressure causes furthermore, that the die-casting mold can be filled completely within a few milliseconds, i.e. within fractions of a second and typically within less than 1/10 second, so that the temperature exposure to the basically temperature-sensitive core, which contains plastic, is limited to a very short time can be until the metal on the outer surfaces of the workpiece, or at the interface of the workpiece and core, begins to solidify and has sufficient dimensional stability. If the core then softens and can no longer guarantee dimensional stability, the metallic workpiece has achieved sufficient dimensional stability to prevent undesired deformation of the workpiece.
Das Metall, welches jedes, dem Fachmann bekannte, gießfähige Metall oder Legierung sein kann, insbesondere nicht Eisen-Metall wie Kupfer, Zink, Messing, Magnesium oder Aluminium, welches vorteilhaft mit einer Temperatur von mehr als 380° C in die Druckgussform eingebracht wird. Insbesondere wenn als Material eine Aluminiumlegierung verwendet wird und die Verarbeitung des Metalls im Aluminium-Hochdruckguss mit Drücken von mehr als 250 bar erfolgt, wird durch eine Temperatur von mehr als 500° C ein Fließverhalten der Aluminiumschmelze gewährleistet, welches die Erzeugung der gewünschten filigranen Strukturen ermöglicht.The metal, which can be any castable metal or alloy known to the person skilled in the art, in particular not iron metal such as copper, zinc, brass, magnesium or aluminum, which is advantageously introduced into the die-casting mold at a temperature of more than 380 ° C. In particular if an aluminum alloy is used as the material and the metal is processed in high-pressure aluminum casting with pressures of more than 250 bar, a flow behavior of the aluminum melt is ensured by a temperature of more than 500 ° C., which enables the desired filigree structures to be produced .
Insbesondere hat sich in ersten Versuchen herausgestellt, dass angesichts von Drücken in Höhe von mehr als 500 bar und angesichts von Temperaturen, die im Bereich von 550 bis 650° C liegen, wenn die Aluminiumlegierung in die Druckgussform einströmt der Kern eine ausreichende mechanische und thermische Stabilität aufweist, um den Gießvorgang unbeschadet zu überstehen und so die gewünschte spätere Geometrie des Werkstücks nicht aufgrund von Defekten des Kerns zu gefährden. In particular, it has been found in initial tests that, given pressures of more than 500 bar and temperatures ranging from 550 to 650 ° C, when the aluminum alloy flows into the die casting mold, the core has sufficient mechanical and thermal stability has to survive the casting process undamaged and thus not endanger the desired later geometry of the workpiece due to defects in the core.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass das Kernelement neben dem Kunststoff thermisch stabile aber lösliche Füllstoffe enthält. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Salz handeln. Hierdurch wird einerseits die Temperaturbeständigkeit des Kerns verbessert, und andererseits kann das Salz oder ein vergleichbar geeigneter Füllstoff die Zerstörung des Kerns, nämlich das Aufbrechen in eine Vielzahl kleiner Bestandteile unterstützen. Wenn es sich beispielsweise um ein wasserlösliches Salz wie Natriumchlorid handelt (NaCI) kann das Salz durch Wasser gelöst werden.It can advantageously be provided that the core element contains thermally stable but soluble fillers in addition to the plastic. This can be a salt, for example. On the one hand, this improves the temperature resistance of the core, and on the other hand, the salt or a comparable filler can support the destruction of the core, namely the breaking up into a large number of small components. For example, if it is a water-soluble salt such as sodium chloride (NaCl), the salt can be dissolved by water.
Besonders vorteilhaft hat sich in ersten Versuchen die Verwendung von halogenfreien Salzen, wie z.B. Natriumkarbonat als Salz bewährt: Dieses ist ebenfalls wasserlöslich und verhindert Reaktionen mit dem Kunststoff, die im Falle beispielsweise von Natriumchlorid auftreten könnten und zu nicht wasserlöslichen Rückständen im Kernhohlraum führen könnten.The use of halogen-free salts, such as e.g. Sodium carbonate proven as a salt: This is also water-soluble and prevents reactions with the plastic, which could occur in the case of sodium chloride, for example, and which could lead to water-insoluble residues in the core cavity.
Wenn die Salzanteile im Kernelement eine Verbindung der einzelnen Kunststoffbereiche in Kernelemente verhindern, so kann durch Auflösung des Salzes das Kernelement in eine Vielzahl kleiner Partikel aufgebrochen werden, die anschließend aus dem Kernhohlraum herausgeschwemmt werden können. Vorzugsweise jedoch kann das Kunststoffmaterial innerhalb eines Kernelements eine Art Matrix bilden, in welche der Salzanteil eingelagert ist, so dass die einzelnen Kunststoffbereiche sämtlich miteinander in Verbindung stehen. Auf diese Weise kann die mechanische Stabilität - beispielsweise die Schwingungs- und Stoßfestigkeit - des Kernelements erheblich verbessert werden, so dass mechanische Schäden des Kerns beim Druckgießvorgang vermieden werden können, wenn im Hochdruckgießverfahren die Schmelze innerhalb von Sekundenbruchteilen in die Form einströmt und auf den Kern einwirkt. Durch die hohe mechanische Stabilität kann der Kern mit einer besonders feinen Geometrie und geringen Querschnitten hergestellt werden, ohne beim Gießvorgang ein Zerbrechen des Kerns befürchten zu müssen.If the salt components in the core element prevent the individual plastic areas from being connected to core elements, the salt element can be broken up into a large number of small particles by dissolving the salt, which can then be washed out of the core cavity. Preferably, however, the plastic material can form a kind of matrix within a core element, in which the salt portion is embedded, so that the individual plastic areas are all connected to one another. In this way, the mechanical stability - for example the vibration and shock resistance - of the core element can be considerably improved, so that mechanical damage to the core during the die casting process can be avoided if the melt flows into the mold and acts on the core within fractions of a second in the high pressure casting process . Due to the high mechanical stability, the core can be manufactured with a particularly fine geometry and small cross-sections without fear of the core breaking during the casting process.
In ersten Versuchen hat sich insbesondere die Verwendung von Polyvinylalkohol (PVAL) für das Kunststoffmaterial eines Kernelements bewährt. Der Polyvinylalkohol ist wasserlöslich, so dass in Verbindung mit einem wasserlöslichen Salz, wie beispielsweise dem erwähnten Natriumkarbonat, ein vollständig wasserlösliches Kernelement geschaffen werden kann. Insbesondere wenn mehrere Kernelemente zu einem Kern miteinander verbunden werden und dabei ein wasserlöslicher Kleber verwendet wird, kann der gesamte Kern rückstandsfrei mit Hilfe von Wasser aus dem Kernhohlraum ausgespült werden.In the first attempts, the use of polyvinyl alcohol (PVAL) for the plastic material of a core element has proven itself. The polyvinyl alcohol is water-soluble, so that a completely water-soluble core element can be created in connection with a water-soluble salt, such as the sodium carbonate mentioned. In particular, if several core elements are joined together to form a core and a water-soluble adhesive is used, the entire core can be rinsed out of the core cavity without residue using water.
Als weitere mögliche Füllstoffe zu den schon erwähnten Füllstoffen sind z.B. Kreide und auch Talkum zu nennen, sowie weitere dem Fachmann ersichtliche Salze und Füllstoffe. Des Weiteren können auch Mischungen aus verschiedenen Salzen und /oder Füllstoffen und / oder Kunststoffen zum Einsatz kommen.
Als Lösungsmittel können neben Wasser auch organische Lösungsmittel, insbesondere Glykole, eingesetzt werden, um ein Kernelement aus dem Kernhohlraum zu entfernen. Die Lösungsmittel können bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur eingesetzt werden, um z.B. die Löslichkeit zu optimieren und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu verbessern.Other possible fillers for the fillers already mentioned include chalk and talcum, as well as other salts and fillers that are apparent to those skilled in the art. Mixtures of different salts and / or fillers and / or plastics can also be used.
In addition to water, organic solvents, in particular glycols, can also be used as solvents in order to remove a core element from the core cavity. The solvents can be used at room temperature or at elevated temperature, for example in order to optimize the solubility and improve the economy of the process.
Bei einem ausreichend hohen Anteil des Kunststoffs im Kernwerkstoff, insbesondere ab dem vorschlagsgemäß vorgesehenen Anteil von 5 Gew. %, kann es zur Entfernung des Kernelements ausreichen, wenn lediglich der Kunststoff in einen ungebundenen Zustand wechselt, um so die Bindung des Füllstoffs im Kernelement aufzuheben, so dass der Füllstoff beispielsweise ausgespült werden kann, ohne selbst pyrolysiert oder chemisch bzw. physikalisch gelöst werden zu müssen, es reicht vielmehr aus, eine Dispersion zu schaffen.With a sufficiently high proportion of the plastic in the core material, in particular from the proposed proportion of 5% by weight, it can be used to remove the core element suffice if only the plastic changes to an unbound state, so that the binding of the filler in the core element is released, so that the filler can be rinsed out, for example, without having to be pyrolyzed or chemically or physically dissolved, rather it is sufficient to have one To create dispersion.
Das Verfahren ist besonders geeignet zur Herstellung von Maschinenteilen mit filigranen Strukturen, komplexen Hinterschneidungen oder beispielsweise auch integrierten Kühlkanälen. So kann das Verfahren z.B. besonders für die Herstellung von Motorenteilen wie Motorengehäuse, Getriebegehäuse oder Zylinderkurbelgehäuse, Turbinenschaufeln mit feinen Strukturen oder Hohlstrukturen, Werkzeuge mit integrierten Kühlkanälen bspw. zur konturnahen Kühlung, oder anderen komplexen Bauteilen, welche heutzutage sonst nur mit besonders vielen Prozessschritten oder aufwändigen Verfahren wie dem Selektiven Laser Sintern herstellbar sind, angewendet werden.The method is particularly suitable for the production of machine parts with filigree structures, complex undercuts or, for example, also integrated cooling channels. The method can e.g. Especially for the production of engine parts such as engine housings, gearbox housings or cylinder crankcases, turbine blades with fine structures or hollow structures, tools with integrated cooling channels, e.g. for contour cooling, or other complex components, which today otherwise only involve a particularly large number of process steps or complex processes such as the selective laser Sintering can be produced, applied.
Vorteilhaft kann das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks angewendet werden, welches einen oder mehrere auf die Verwendung des Werkstücks optimierte Strömungskanäle aufweist. Eine Optimierung kann bspw. den Strömungswiderstand im Strömungskanal betreffen, d.h. die Minimierung eines Druckverlusts oder die Vermeidung von Turbulenzen. Dazu können bspw. scharfe Kanten oder Umlenkungen vermieden werden (als „scharf“ wird insbesondere verstanden, wenn der Radius der Kante oder Umlenkung kleiner ist als der Querschnittsdurchmesser des Kanals in der mit dem Radius aufspannenden Ebene) oder weitere bekannte Methoden aus der Strömungslehre angewandt werden. Eine Optimierung kann bspw. aber auch eine Querschnittsausgestaltung oder Oberflächenstrukturierung zur Verbesserung des Wärmetransports zwischen dem Werkstück und einem Fluid betreffen, z.B. durch Schaffung einer großen oder besonders strukturierten Wandungsoberfläche.The proposed method can advantageously be used for producing a workpiece which has one or more flow channels optimized for the use of the workpiece. For example, an optimization can relate to the flow resistance in the flow channel, i.e. minimizing pressure loss or avoiding turbulence. For this purpose, for example, sharp edges or deflections can be avoided (“sharp” is understood in particular if the radius of the edge or deflection is smaller than the cross-sectional diameter of the channel in the plane spanning the radius) or other known methods from fluid mechanics are used . However, optimization can also relate, for example, to a cross-sectional configuration or surface structuring to improve the heat transport between the workpiece and a fluid, e.g. by creating a large or specially structured wall surface.
Besonders vorteilhaft kann das vorgeschlagene Verfahren angewendet werden, um einen Wärmetauscher herzustellen. Beispielsweise ist es aus dem Bereich der Brennkraftmaschinen bekannt, Wärmetauscher zu verwenden, bei denen Kühlflüssigkeit und Öl durch zwei voneinander getrennte Strömungskanäle des Wärmetauschers geführt werden. Insbesondere werden derartige Wärmetauscher häufig als Plattenwärmetauscher ausgestaltet, wobei eine Vielzahl von Platten jeweils voneinander beanstandet angeordnet sind und abwechselnd zwischen jeweils zwei benachbarten Platten ein Strömungskanal für das Öl und ein Strömungskanal für das Kühlfluid verläuft. Die Montage eines derartigen Wärmetauschers aus einer Vielzahl einzelner Platten ist einerseits aufwendig und stellt andererseits durch die Vielzahl von Trennstellen eine Vielzahl von Fehlerquellen in Form von potenziellen Undichtigkeiten dar. Nach dem vorgeschlagenen Verfahren kann ein solcher Plattenwärmetauscher als ein einziges Gussbauteil hergestellt werden, so dass die beiden angesprochenen Nachteile eines Wärmetauschers hinsichtlich Montage und hinsichtlich Dichtheit entfallen können.The proposed method can be used particularly advantageously to produce a heat exchanger. For example, it is known from the field of internal combustion engines to use heat exchangers in which coolant and oil are passed through two separate flow channels of the heat exchanger. In particular, such heat exchangers are often designed as plate heat exchangers, a plurality of plates being arranged at a distance from one another and alternately a flow channel for the oil and a flow channel for the cooling fluid running between two adjacent plates. The assembly of such a heat exchanger from a large number of individual plates is complex on the one hand and, on the other hand, due to the large number of separation points, represents a multitude of sources of error in the form of potential leaks. According to the proposed method, such a plate heat exchanger can be produced as a single cast component, so that the both mentioned disadvantages of a heat exchanger in terms of assembly and in terms of tightness can be eliminated.
Insbesondere wenn der Wärmetauscher ohnehin mit anderen Komponenten einer Motorenperipherie verbunden werden soll, kann vorschlagsgemäß vorgesehen sein, den Wärmetauscher nicht als eigenständiges, z. B. quaderförmiges Element auszugestalten, sondern vielmehr mit anderen Komponenten in Form eines hoch komplexen integrierten Bauteils zu fertigen. Hierdurch können aufgrund des weiteren Entfalls von Flanschverbindungen potentielle Leckagestellen reduziert werden und der Aufwand in der späteren Montage des hergestellten Werkstücks verringert werden. Auch können die Vorteile bzgl. der Freiheitsgrade in der geometrischen Ausgestaltung genutzt werden und dadurch ein verbessertes Produkt insbesondere bezüglich seiner Bauraumausnutzung und hinsichtlich eines Druckverlustes bei seiner Durchströmung hergestellt werden, Z. B. mittels einer hierfür besonders geeigneten Oberflächenstrukturierung.In particular, if the heat exchanger is to be connected to other components of an engine periphery anyway, it can be provided according to the proposal that the heat exchanger is not an independent, for. B. cuboid element, but rather to manufacture with other components in the form of a highly complex integrated component. In this way, potential leakage points can be reduced due to the further elimination of flange connections and the effort in the later assembly of the workpiece produced can be reduced. The advantages with regard to the degrees of freedom in the geometric configuration can also be used, thereby producing an improved product, in particular with regard to its use of installation space and with regard to a pressure loss when flowing through it, for example by means of a surface structuring which is particularly suitable for this.
Der vorliegende Vorschlag wird anhand der rein schematischen Darstellungen nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt
-
1 schematisch die Herstellung eines Kernelements in mehreren Schritten, -
2 die Herstellung eines metallischen Werkstücks im Aluminium-Hochdruckgussverfahren unter Verwendung desKerns von 1 , -
3 + 4 Kernelemente zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers, -
5 -7 die Anordnung einer Mehrzahl der Kernelemente zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers, -
8 -10 Ansichten auf das Werkstück zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers, -
11 den aus diesem Werkstück hergestellten montagefertigen Plattenwärmetauscher. -
12 zeigt ein Modul zur Aufnahme eines Filtereinsatzes sowie mit dem in dem Modulangeordneten Wärmetauscher von 11 , und -
13 ein Werkstück mit einem aus drei Kernelementen gebildeten Kern mit Einlegern.
-
1 schematically the production of a core element in several steps, -
2nd the production of a metallic workpiece in the aluminum high pressure casting process using the core of1 , -
3rd + 4 core elements for the production of a plate heat exchanger, -
5 -7 the arrangement of a plurality of the core elements for producing a plate heat exchanger, -
8th -10th Views of the workpiece for the manufacture of a plate heat exchanger, -
11 the ready-to-install plate heat exchanger made from this workpiece. -
12th shows a module for receiving a filter insert and with the heat exchanger arranged in the module of11 , and -
13 a workpiece with a core formed from three core elements with inserts.
In
Rechts daneben ist ersichtlich, dass mittels eines Einspritzaggregats
Im benachbart rechts dargestellten dritten Verfahrensschritt wird die Spritzgussform
Im ganz rechts dargestellten Verfahrensschritt der
Je nach Ausprägung und Form können die erwähnten Vertiefungen
Im nächsten Schritt ist dargestellt, dass das flüssige Metall
Im benachbart daneben rechts dargestellten Arbeitsschritt ist die Druckgussform
Als letzter Herstellungsschritt bei der Herstellung des fertigen Werkstücks
Dadurch, dass der Kern
Abhängig vom eingesetzten Kernmaterial kann die Entkernung pyrolytisch oder durch Lösen des Kernmaterials in einem Lösungsmittel stattfinden. Es ist auch denkbar, dass ein biologisch abbaubarer Kunststoff, wie z.B. ein stärkebasierter Kunststoff, durch einen chemischen oder biologischen Prozess (z.B. Zersetzung durch Bakterien) zerstört wird. Weiterhin können mechanische Effekte genutzt werden, wie z. B. mittels Sprühlanzen oder anderer den Kern schädigender oder zerstörender Verfahren. Die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Entfernung des Kerns
Die unterschiedlichen Geometrien des auch als Ölkern bezeichneten Kernelements 8ö und des auch als Wasserkern bezeichneten Kernelements
In
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der
So kann beispielsweise vorgesehen sein, das als Gussteil ausgestaltete Modul
Das Kernelement
Das Kernelement
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- SpritzgussformInjection mold
- 22nd
- Düsenseite der SpritzgussformNozzle side of the injection mold
- 33rd
- Auswerferseite der SpritzgussformEjector side of the injection mold
- 44th
- Hohlraum der SpritzgussformInjection mold cavity
- 55
- KernmaterialCore material
- 66
- Einspritzaggregat der SpritzgussformInjection unit of the injection mold
- 77
- Zufuhrkanal der SpritzgussformInjection mold feed channel
- 88th
-
Kernelement (
8a ,8b ,8c) 8ö = für Öl, 8w = für WasserCore element (8a ,8b ,8c) 8ö = for oil, 8w = for water - 99
- Anguss KernelementSprue core element
- 1010th
- Vertiefungdeepening
- 1111
- Vorsprunghead Start
- 1212th
- Werkstückworkpiece
- 1414
-
filigrane Struktur /
14' Stift,14" Noppen,14'" Stegfiligree structure /14 ' Pen,14 " Pimples,14 '" web - 1515
- RohrstutzenPipe socket
- 1616
- DurchgangsbohrungenThrough holes
- 1717th
- FührungsstifteGuide pins
- 1818th
- Kerncore
- 1919th
- EinlegerDepositor
- 2020th
- WärmetauscherHeat exchanger
- 2121
- StrömungskanalFlow channel
- 2222
- Modulmodule
- 2323
- FilterbecherFilter cup
- 2424th
- Gehäusecasing
- 2525th
- RippenRibs
- 101101
- DruckgussformDie casting mold
- 102102
- Düsenseite der DruckgussformNozzle side of the die casting mold
- 103103
- Auswerferseite der DruckgussformEjector side of the die casting mold
- 104104
- Hohlraum der DruckgussformDie casting cavity
- 105105
- Metallischer WerkstoffMetallic material
- 106106
- Einspritzaggregat der DruckgussformInjection unit of the die casting mold
- 107107
- Zufuhrkanal der DruckgussformFeed channel of the die casting mold
- 108 108
- Kavitätcavity
- 109109
- Anguss des WerkstücksSprue of the workpiece
- DD
- Durchmesserdiameter
- LL
- Längelength
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant has been generated automatically and is only included for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 19635920 A1 [0002]DE 19635920 A1 [0002]
- DE 102011076905 A1 [0006]DE 102011076905 A1 [0006]
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