DE102020127603A1

DE102020127603A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Gießen eines metallenen Gussteils mittels eines Sandkernes

Info

Publication number: DE102020127603A1
Application number: DE102020127603.6A
Authority: DE
Inventors: Lothar Hartmann; Constantin Kemmer
Original assignee: Kurtz GmbH
Current assignee: Kurtz GmbH
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines metallenen Gussteils mittels eines Sandkernes. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:- Verwenden des Sandkerns zur teilweisen oder vollständigen Begrenzung eines Formraums,- Gießen von flüssigen Metall in den Formraum zu einem Gussteil,- Abkühlen und Aushärten des Gussteils,- Entformen des Gussteils.Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Sandkern vor dem Gießen mittels RF-Strahlung getrocknet oder ausgegast wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen eines metallenen Gussteils mittels eines Sandkernes.
Sandkerne dienen der Herstellung von Gussteilen. Eine Gießform definiert einen Hohlraum, in den flüssiges Metall eindringen kann, um letztlich das Gusssteil auszubilden. Der Sandkern wird innerhalb der Form an einer Stelle platziert, an dem am Gussteil ein Hohlraum oder eine Hinterschneidung erzeugt werden soll. Bei Bedarf wird dieser Kern mit Kerneisen verstärkt, damit er beim Gießvorgang nicht zerstört wird.
Die Sandkerne werden aus dem partikelförmigen, feuerfesten Formgrundstoff Sand hergestellt, der mit einem Bindemittel ausgerüstet ist. Der Sand ist bevorzugt rieselfähig, um in eine gewünschte Form gebracht werden zu können. Das Bindemittel ermöglicht eine Verfestigung der aus dem Formgrundstoff erzeugten Form und verleiht der resultierenden Gießform die erforderliche mechanische Stabilität.
Der Einsatz von Sandkernen im Metallguss erfordert einerseits hinreichende Stabilität und andererseits eine gewisse Temperaturbeständigkeit. Sobald in eine Gießform gegossenes Metall zu erstarren beginnt, wird die Stabilität der Form durch die sich bildende feste Metallschicht gewährleistet, die sich entlang der Oberfläche des Sandkerns bildet. Zugleich zersetzt sich das Bindemittel unter dem Einfluss der durch das flüssige Metall eingebrachten Wärme. Dadurch geht die Festigkeit des Sandkerns verloren. Das wiederum ermöglicht das leichte Entfernen der Überreste des Sandkerns aus dem Gussteil, insbesondere aus Hohlräumen des Gussteils.
Die Gießformen lassen sich herstellen unter Verwendung organischer oder anorganischer Bindemittel. Deren Aushärtung kann jeweils durch sogenannten kalte oder heiße Verfahren erfolgen. Sogenannte kalte Verfahren kommen ohne ein Erhitzen der Gießform bzw. des Sandkerns aus. Die Aushärtung erfolgt hier mittels einer chemischen Reaktion, ausgelöst oder erleichtert beispielsweise durch Inkontaktbringen mit einem Gas. Bei sogenannten warmen Verfahren wird der Sandkern erwärmt. Dabei wird Lösungsmittel aus dem Bindemittel ausgetrieben und/oder eine chemische Reaktion in Gang gesetzt, so dass das Bindemittel beispielsweise durch Vernetzung aushärtet.
Der Einsatz von organischen Bindemitteln unter Verwendung eines Gases bei der Herstellung von Gießformen wird auch als „cold box“-Verfahren bezeichnet. Beispielhaft kann hier das Ashland-Cold-Box-Verfahren genannt werden, bei dem ein Zweikomponentensystem zum Einsatz kommt. Die erste Komponente ist eine Polyol-Lösung (z.B. ein Phenolharz), die zweite Komponente ein Polyisocyanat. Eine Vernetzung kann durch Begasung mit einem gasförmigen tertiären Amin befördert werden, wie in der US 3,409,579 A beschrieben. Bei dieser Art von Aushärtung handelt es sich um eine Polyaddition, es entstehen dabei keine Nebenprodukte, wie etwa Wasser.
Daneben gibt es das sogenannte heißhärtende organische Verfahren, darunter das sogenannte Hot-Box-Verfahren, bei dem Furanharze eingesetzt werden, und das sogenannte Croning-Verfahren, bei dem Phenol-Novolakharze eingesetzt werden. Beim Hot-Box-Verfahren werden die Harze in flüssiger Form gemeinsam mit einem erst bei höheren Temperaturen reaktiven Härter mit dem Formgrundstoff vermischt, wohingegen beim Croning-Verfahren die Partikel des Formgrundstoffs bei höheren Temperaturen mit Harz umhüllt werden, und danach Hexamthylentetramin den umhüllten Partikeln zugegeben wird als Reaktionspartner für die spätere Aushärtung. Die Aushärtung erfolgt in beiden Fällen bei noch höheren Temperaturen, z.B. 300 °C.
Mit allen organischen Systemen - egal ob cold box oder hot box - geht einher, dass sie sich beim Guss in der Gießform zersetzen und dabei eine Vielzahl von Zersetzungsprodukten freisetzen - beispielsweise Toluol, Xylol, Phenol, Formaldehyd oder teilweise höhere, z.T. nicht identifizierte Crackprodukte freisetzen. Durch verschiedene Maßnahmen lassen sich diese Emissionen zwar minimieren, aber nicht vollständig verhindern. Auch bei sogenannten anorganisch-organischen Hybridsystemen können aufgrund des Anteils an organischen Verbindungen entsprechende unerwünschte Emissionen beim Metallgießen auftreten.
Aus diesem Grund wird der Einsatz von Bindemitteln aus anorganischen Materialien bevorzugt. Diese lassen sich beispielsweise durch Einleitung von Gasen härten. So wird in der GB782205 ein Alkaliwasserglas als Bindemittel verwendet, welches durch CO₂ ausgehärtet werden kann. Die DE 199 25 167 beschreibt eine exotherme Speisemasse mit einem Alkalisilikat als Bindemittel. Die US 5,582,232 beschreibt ein Bindemittelsystem, das auf Phosphorsäure und Metalloxiden beruht, und bei Raumtemperatur selbsthärtend ist. Auch bei höheren Temperaturen aushärtende anorganische Bindemittelsysteme sind bekannt, etwa ein Bindemittelsystem aus Alkaliwasserglas und Aluminiumsilikat gemäß der US 5,474,606 .
Nachteile der anorganischen Bindemittel im Vergleich zu den organischen Bindemitteln war bis vor kurzem die relativ geringe Festigkeit, die eine Handhabung der Gießform bzw. des Sandkerns vor dem Guss erschwert. Hinzu kommt, dass anorganische Bindemittelsysteme empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit sind. Das erschwert das Vorhalten bzw. Lagern von Gießformen bzw. Sandkernen.
Die EP 1 095 719 A2 beschreibt ein Bindemittelsystem für Formsande zur Herstellung von Kernen auf Wasserglasbasis, das aus einer wässrige Alkalisilikat-Lösung besteht, der eine hygroskopische Base wie Natriumhydroxid zugegeben wird. Zur Steuerung der hygroskopischen Eigenschaften wird ein oberflächenaktiver Stoff in Form eines Silikonöls zugegeben. Quarzsand, der mit diesem Bindemittel vermengt ist, kann mittels einer Kern Schießmaschine in einen sogenannten Kernkasten eingeschossen werden. Die Aushärtung erfolgt dann durch Entzug des noch enthaltenen Wassers, wobei die Aushärtung der Gießform auch unter Einwirkung von Mikrowellen erfolgen kann.
Die EP 1 802 409 A2 beschreibt eine Formstoffmischung enthaltend einen feuerfesten Formgrundstoff sowie ein auf Wasserglas basierendes Bindemittel, wobei der Mischung ein Anteil eines teilchenförmigen synthetischen amorphen Siliziumdioxids zugesetzt ist. Es wird angenommen, dass das stark alkalische Wasserglas mit den an der Oberfläche des synthetisch hergestellten Siliziumdioxids angeordneten Silanolgruppen reagieren kann, und beim Verdampfen des Wassers eine intensive Verbindung zwischen dem Siliziumdioxid und dem dann festen Wasserglas hergestellt wird.
Die DE 10 2007 051 850 A1 beschreibt eine Stoffmischung mit verbesserter Fließfähigkeit, bei der ein auf Wasserglas basierendes Bindemittel verwendet wird, dem ein Anteil eines teilchenförmigen Metalloxid zugesetzt ist, wobei letzteres ausgewählt sein kann aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Zinkoxid.
Zusammengefasst stellen die Eigenschaften von organischen Bindemittelsystemen insoweit ein Problem dar, als das Ausgasen von Schadstoffen beim Gießvorgang nicht erwünscht ist und bei organischen Systemen nicht vollständig unterbunden werden kann, und die Eigenschaften von anorganischen Bindemittelsystemen stellen insoweit ein Problem dar, als diese aufgrund der darin enthaltenen polaren Gruppen mehr oder weniger hygroskopisch sind. Durch geeignete Vernetzungsreaktionen insbesondere mit Wasserglas kann gegebenenfalls die Festigkeit verbessert werden, aber die hygroskopischen Eigenschaften bleiben bestehen. Dies hat zur Folge, dass, insbesondere wenn Sandformen einer hohen Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind oder vor einem Einsatz lang genug vorgehalten werden, beim eigentlichen Guss Wasserdampf ausgasen kann. Dies gilt es zu vermeiden.
Mittels generativer Fertigungsverfahren ist es möglich, verschiedenste dreidimensionale Bauteile mit komplexer Geometrie herzustellen.
Beim generativen Fertigen werden beispielsweise dreidimensionale Werkstücke schichtweise aufgebaut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD). Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das generative Fertigen sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. Das generative Fertigen wird auch als 3D-Drucken bzw. additives Fertigen bezeichnet. Die entsprechenden Vorrichtungen werden als 3D-Drucker bezeichnet.
3D-Drucker werden in der Industrie und der Forschung eingesetzt. Daneben gibt es auch Anwendungen im Heim- und Unterhaltungsbereich sowie in der Kunst.
Die voxeljet technology GmbH (https://www.voxeljet.com/¬de/¬anwendungen/¬sandguss/) bietet eine Dienstleistung zum Herstellen von Sandformen und Sandkerne für den Metallguss an. Dabei wird Quarzsand schichtweise aufgetragen und mit einem Binder selektiv verklebt oder benetzt, bis die gewünschte Form entsteht. Je nach Bedarf und Anwendung kann zwischen verschiedenen Bindern und Sanden gewählt werden, um optimale Gussergebnisse zu erzielen. Zur Herstellung von Sandformen werden gießereiübliche Bindermaterialien, wie Furan- und Phenolharze oder auch anorganische Bindematerialien verwendet, wie vorstehend unter Bezugnahme auf weiteren Stand der Technik erwähnt. Dabei sind auch große Formate mit bis zu 4 m Länge, 2 m Breite und 1 m Höhe möglich.
Im Taschenbuch der Gießereipraxis 2019, Seiten 153-158 werden generative Fertigungsverfahren in der Gießereipraxis beschrieben. Um aus Sand Sandformen oder Sandkerne im generativen Verfahren herstellen zu können, wird einerseits das Binder-Jetting (3D-Druck von Pulvermaterial mit Binder) als auch das Multi-Jet-Modelling (MJM) vorgeschlagen. Beide Verfahren können als Pulverbettverfahren ausgeführt sein. Das Multi-Jet-Modelling kann jedoch auch als Freiraumverfahren ausgebildet sein, bei welchem ein Gemisch aus Sand und Bindemittel in der gewünschten Form sequentiell gedruckt wird. Binder-Jetting ist ein generativer Produktionsprozess, bei dem ein flüssiges Bindemittel gezielt auf eine Pulverschicht aufgetragen wird, um sich mit dem Material zu verbinden. Abschnitte der Materialschichten werden dadurch gebunden, um einen Gegenstand zu formen. Das Aufsprühen des Binders ähnelt dem herkömmlichen Tintenstrahldruckverfahren. Zum Binden von Sand sind unterschiedliche Bindematerialien, wie z.B. Furan-Binder, Phenol-Binder, Silikatbinder oder Polymerbinder bekannt. Die Aushärtung des Bindematerials erfolgt durch Erhitzen mittels Mikrowellenstrahlung oder in einem herkömmlichen Ofen.
Die generative Fertigung von Sandformen und Sandkernen hat sich sehr bewährt, da sie zum einen sehr kosteneffizient ist (keine Modellkosten, kurze Durchlaufzeiten, geringe Änderungskosten), die Formen beliebig komplexe Strukturen aufweisen können, ohne dass hier-durch zusätzliche Kosten erzeugt werden, die Formen und Kerne eine hohe Qualität besitzen und mit großer Größe und geringen Toleranzen gefertigt werden können. Weiterhin können aufwendige und schwere Formen und Kerne durch Bewehrungen stabilisiert werden.
Aus der EP 3,266,815 A1 geht ein strahlungshärtbares Bindematerial zum Ausbilden von Sandkernen hervor. Das Aushärten von Sandkernen wird hierbei durch sogenannte aktinische Strahlung erzeugt, wobei die Strahlung einen photochemischen Effekt bewirkt. Aktinische Strahlung ist typischer Weise elektromagnetische Strahlung im optischen oder UV-Bereich.
In der US2018/0361618A1 wird ein Verfahren zum Drucken von dreidimensionalen Körpern aus einem pulverförmigen Material offenbart, wobei ein flüssiges Funktionsmaterial beigemischt wird, das elektromagnetische Wellen absorbieren soll. Das flüssiges Funktionsmaterial enthält ferromagnetische Nanopartikel und kann so Temperaturen von 60°C bis 2.500°C erzeugen.
Hierdurch schmilzt das pulverförmige Material. Das pulverförmige Material kann zum Beispiel Siliziumdioxid sein.
In der DE 697 13 775 T2 wird ein Hybridofen und ein Verfahren beschrieben, in welchem gleichzeitig Mikrowellen und RF-Strahlung an Objekte angelegt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen eines metallenen Gussteils mittels eines Sandkernes zu schaffen, mit welchem Gussteile mit hoher Qualität einfach und zuverlässig herstellbar sind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Gießen eines metallenen Gussteils mittels eines Sandkernes umfasst folgende Schritte:

- Verwenden des Sandkerns zur teilweisen oder vollständigen Begrenzung eines Formraums,
- Gießen von flüssigen Metall in den Formraum zu einem Gussteil,
- Abkühlen und Aushärten des Gussteils,
- Entformen des Gussteils,.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Sandkern vor dem Gießen mittels RF-Strahlung getrocknet wird.
Die Verwendung von Sandkernen zur Herstellung von metallenen Gussteilen ist seit langem bekannt und erlaubt ein einfaches und zuverlässiges Herstellen der Gussteile. Diese Sandkerne können mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden. Üblicherweise werden sie geschossen. In der jüngeren Vergangenheit hat sich auch zunehmend das generative Fertigen von Sandkernen durchgesetzt, da man hierdurch sehr flexibel Sandkerne mit unterschiedlichen Formen auch in geringen Stückzahlen herstellen kann.
Die Erfinder haben festgestellt, dass Sandkerne oftmals eine Restfeuchte enthalten, die beispielsweise 1- 2 Gew.-% des Sandkerns betragen kann. Diese Restfeuchte kann unterschiedliche Ursachen haben. Einerseits kann bei einer Lagerung des Sandkerns über einen längeren Zeitraum sich Feuchtigkeit im Sandkern absetzen. Andererseits werden zunehmend anorganische Bindemittel verwendet, die mittels einer Polykondensation aushärten, wobei Wasser abgespaltet wird.
Wird ein Sandkern mit einer solchen Restfeuchte beim Gießen verwendet, dann verdampft die Feuchtigkeit und bildet Fehlstellen, z.B. Gasblasen oder Lunker, im Gussteil.
Eine Vielzahl der Bindemittel, insbesondere organische Bindemittel, gasen unter Hitzeeinwirkung aus. Bei Verwendung derartiger Bindemittel zum Binden des Sandkerns verursachen diese Gase entsprechende Fehlstellen bzw. Lunker im Gussteil.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Sandkern vor dem Gießen mittels RF-Strahlung getrocknet oder ausgegast wird. Durch Anlegen von RF-Strahlung an den Sandkern wird dieser gleichmäßig erhitzt, wodurch die Restfeuchte ausgetrieben bzw. beim Erhitzen aus dem Bindemittel austretende Gase ausgetrieben werden. Hierdurch entsteht bei der Verwendung eines solchen Sandkerns während des Gießens kein Dampf und kein sonstiges Gas, welches Fehlstellen im Gussteil verursachen könnte. Dies führt zu einer erheblichen Steigerung der Qualität der Oberfläche der Gussteile. Zudem können aufgrund der nicht oder nur in äußerst geringem Maße vorhandenen Fehlstellen Wandungen der Gussteile dünner als bei herkömmlichen Verfahren ausgebildet werden, um eine vorbestimmte gewünschte Stabilität zu erzielen.
Mit diesem Verfahren wird der Sandkern somit in ähnlicher Weise wie beim Gießvorgang selbst vorab erhitzt, so dass im Sandkern befindliche Feuchtigkeit vorab verdampft bzw. die Bindemittel ausgasen.
Die RF-Strahlung besitzt eine lange Wellenlänge, so dass ein großes Volumen gleichmäßig durch die Strahlung erhitzt werden kann. Bei einer Frequenz von 300 MHz beträgt die Wellenlänge ca. 1 m. Bei der zumindest in Deutschland üblichen Frequenz für Industrieanwendungen von 27,12 MHz beträgt die Wellenlänge ca. 11 m. Bilden sich im Formwerkzeug stehende Wellen, dann kann eine Wellenlänge vorgesehen werden, deren Halbwelle deutlich länger als die Abmessungen des herzustellenden Sandkerns ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass ein Wellenknoten einer stehenden Welle sich außerhalb eines Prozessraumes befindet, in dem der Sandkern erzeugt wird. Hierdurch wird ein gleichmäßiges Trocknen oder Ausgasen des Sandkerns erzielt. Bei Verwendung von Mikrowellenstrahlung besteht hingegen das Problem, dass aufgrund der kurzen Wellenlänge bei stehenden Wellen bestimmte Bereiche kaum angeregt werden, so dass Feuchtigkeit nicht verdampft oder Bindemittel nicht ausgast. Mit der RF-Strahlung wird die Energie in das Innere des Sandkern direkt eingebracht, so dass der gesamte Sandkern gleichmäßig und schnell auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt werden kann. Diese vorbestimmte Temperatur beträgt vorzugsweise zumindest 100°C, insbesondere zumindest 150°C und vorzugsweise zumindest 200°C. Je nach dem verwendeten Bindemittel kann es auch zweckmäßig sein, den Sandkern auf Temperaturen von zumindest 220 oder zumindest 250°C zu erhitzen.
Mit RF-Strahlung können dickwandige Sandkerne getrocknet werden, da die RF-Strahlung den Sandkern gleichmäßig durchdringt. Bei Verwendung von Mikrowellenstrahlung selbst in Verbindung mit einem Drehteller verbleiben immer kältere und wärmere Bereiche, so dass eine gleichmäßige Trocknung nicht sichergestellt werden kann.
Das Ausgasen bzw. Trocknen findet von innen nach außen statt. Feuchtigkeit und Gas wird somit nach außen gedrückt und es bleiben keine Feuchtigkeits- oder Gaseinschlüsse.
Um Sandkerne mit einer Größe von bis zu 3 m zu trocknen oder auszugasen, empfiehlt es sich, RF-Strahlung mit einer Frequenz von nicht mehr als 50 MHz und insbesondere nicht mehr als 40 MHz zu verwenden.
Der Sandkern kann auch bereichsweise bzw. abschnittsweise getrocknet werden. Hierdurch ist es möglich Sandkerne in einem Kondensator zu trocknen, dessen Aufnahmebereich kleiner als der Sandkern ist. Der Sandkern steht somit immer am Rand des Kondensators ein Stück vor. Die einzelnen Abschnitte des Sandkerns werden dann aufeinanderfolgend getrocknet. Hierbei ist von Vorteil, dass ein zusätzliche Anlegen eines RF-Feldes an einen bereits trockenen Bereich des Sandkerns keine Probleme verursacht.
Die Verwendung von RF-Strahlung bewirkt eine vollständige Durchdringung des Sandkerns, so dass der gesamte Sandkern zuverlässig getrocknet wird oder zuverlässig ausgast.
Die Sandkerne sind grundsätzlich aus einem feuerfesten, partikelförmigen Formgrundstoff, der im Folgenden verkürzt als „Sand“ bezeichnet wird, und einem Bindemittel ausgebildet. Der partikelförmige, feuerfeste Formgrundstoff kann aus Siliziumdioxid (Quarzsand), Metalloxid, einem Keramikmaterial oder auch aus Glas oder einer Mischung davon ausgebildet sein. Unabhängig von der chemischen Zusammensetzung wird dieser partikelförmige, feuerfeste Formgrundstoff als Sand bezeichnet.
Das Bindemittel ist vorzugsweise ein anorganisches Bindemittel, wie z.B. ein anorganisches Bindemittel auf Wasserglasbasis, das bspw. aus einer wässrige Alkalisilikat-Lösung besteht, der eine hygroskopische Base wie Natriumhydroxid zugegeben wird. Zur Steuerung der hygroskopischen Eigenschaften kann ein oberflächenaktiver Stoff bspw. in Form eines Silikonöls zugegeben werden. Vorzugseise ist das anorganische Bindemittel ein Alkalisilikat, Alkaliwasserglas oder ein Aliuminiumsilikat. Als Wasserglas werden aus einer Schmelze erstarrte glasartige, also amorphe, wasserlösliche Natrium-, Kalium- und Lithiumsilicate oder ihre wässrigen Lösungen bezeichnet. Je nachdem, ob überwiegend Natrium-, Kalium- oder Lithiumsilicate enthalten sind, spricht man von Natronwasserglas, Kaliwasserglas oder Lithiumwasserglas.
Der Sand enthält vorzugsweise amorphes insbesondere synthetisches Silziumdioxid, so dass alkalisches Wasserglas mit den an der Oberfläche des Siliziumdioxids angeordneten Silanolgruppen reagieren kann.
Vorzugsweise erfolgt das Gießen in einem kurzen zeitlichen Abstand auf das Trocknen bzw. Ausgasen, so dass der Sandkern zu Beginn des Gießens auf eine Temperatur von zumindest 100°C und vorzugsweise zumindest 150°C und insbesondere zumindest 200°C erhitzt ist.
Um ein erneutes Ansammeln von Feuchtigkeit im Sandkern zu verhindern, ist es zweckmäßig, das Gießen in kurzem zeitlichen Abstand nach dem Trocknen bzw. Ausgasen auszuführen, der vorzugsweise nicht größer als 10 Minuten, insbesondere nicht größer als 30 Minuten und vorzugsweise nicht größer als 1 Stunde ist. Bei einer trockenen Produktionsumgebung kann es auch Sinn machen, das Gießen innerhalb von 3 Stunden bzw. innerhalb von 6 Stunden oder sogar innerhalb von 24 Stunden nach dem Trocknen bzw. Ausgasen des Sandkerns durchzuführen.
Der Sandkern kann mit einem anorganischen Bindemittel gebunden sein, das beim Härten Wasser abspaltet. Derartige Bindemittel sind im Vergleich zu organischen Bindemitteln vorteilhaft, da sie vergleichsweise wenig ausgasen.
Der Sandkern auch mit einem Mischbindemittel aus organischem Bindemittel und anorganischen Bindemittel gebunden sein.
Der Sandkern kann vor dem Gießen in einer Kokille angeordnet werden. Eine Kokille ist eine Dauergießform, welche wiederholt verwendet werden kann. Sie begrenzt die äußere Oberfläche des Formraums. Der in eine Kokille eingesetzte Sandkern begrenzt eine innere Oberfläche des Formraums.
Im Rahmen der Erfindung kann der Sandkern Bestandteil eines Sandkernpaketes sein. Ein Sandkernpaket begrenzt die äußere Oberfläche eines Formraums und benötigt keine separate Kokille. Ein Sandkernpaket ist eine einmal verwendbare Gießform, welche auch als verlorene Form bezeichnet wird. Ein solches Sandkernpaket kann aus mehreren separat ausgebildeten Teilen eines Sandkerns hergestellt und zusammengesetzt werden.
Das Gießen erfolgt vorzugsweise mit einem Niederdruckgießverfahren. Es kann jedoch auch ein Schwerkraftgießverfahren oder Hochdruckgießverfahren verwendet werden.
Eine Vorrichtung zum Gießen eines metallenen Gussteils mittels eines Sandkerns, das insbesondere zum Durchführen des oben erläuterten Verfahrens ausgebildet ist, umfasst eine Trocknungsstation zum Trocknen eines Sandkerns, wobei die Trocknungsstation einen RF-Generator und einen Kondensator zum Aufnehmen des Sandkerns aufweist, so dass an den Sandkern RF-Strahlung zum Trocknen und/oder Erhitzen des Sandkerns angelegt werden kann, und eine Gießstation, an welcher das Gussteil in einer Gießform gegossen werden kann, in der der Sandkern angeordnet ist.
Es kann eine Sandkernproduktionsstation zum Herstellen eines Sandkerns vorgesehen sein, bei welcher der Sandkern geschossen oder mit einem additiven Verfahren hergestellt wird.
Die Vorrichtung kann eine Fördereinrichtung zum Fördern der Sandkerne zwischen der Sandkernproduktionsstation, der Trocknungsstation und der Gießstation aufweisen. An der Gießstation kann eine Gießform-Übergabeeinrichtung zum Entnehmen des Sandkerns von der Fördereinrichtung und zum Anordnen des Sandkerns in der Gießform vorgesehen sein, so dass der getrocknete und vorzugsweise noch erhitzte Sandkern vollautomatisch in die Gießform eingesetzt wird und das Gießen vollautomatisch ausgeführt werden kann.
Zum Transport der Sandkerne können mehrere Transportbehälter, Trägerplatten oder sonstige Trägersysteme, welche aus einem für RF-Strahlung aus im Wesentlichen transparentem Material ausgebildet sind, vorgesehen sein. Die Transportbehälter werden mit den Sandkernen in der Trocknungsstation im Kondensator angeordnet, so dass zum Trocknen bzw. Ausgasen der jeweiligen Sandkerne diese nicht aus dem Transportbehälter genommen werden müssen.
Es ist auch möglich den Transportbehälter aus einem nicht transparenten Material, wie z.B. PET, auszubilden, das sich bei Beaufschlagung mit RF-Strahlung erwärmt. Vorzugsweise ist dieses Material thermisch isolierend, so dass der Sandkern im Transportbehälter auf hoher Temperatur gehalten. Das Material kann bspw. ein Partikelschaumstoffteil sein, das sehr gut thermisch isoliert. Ein erwärmter Transportbehälter verhindert auch, dass Feuchtigkeit an den Innenflächen des Transportbehälters kondensiert. Die Verwendung eines Transportbehälters aus einem für RF-Strahlung nicht transparentem Material stellt einen selbständigen Erfindungsgedanken dar.
An der Sandkernproduktionsstation, welche als eine Einrichtung zum additiven Fertigen ausgebildet ist, kann eine Transportbehälter-Übergabeeinrichtung vorgesehen sein, mit welcher die Transportbehälter aus der Einrichtung zum additiven Fertigen entnommen und auf die Fördereinrichtung abgesetzt werden können, so dass die Transportbehälter auch als Jobbox zum additiven Fertigen verwendbar sind. Dies bedeutet, dass die additive Fertigung des Sandkernes in der Jobbox bzw. dem Transportbehälter erfolgt.
Es gibt unterschiedliche Verfahren zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Gegenständen. Ein viskoses Gemisch aus Sandkörnern und Bindemittel kann mit einer Düse unmittelbar im Transportbehälter aufgetragen werden. Ein Sandkern kann jedoch auch mit einem Pulverbettverfahren hergestellt werden, bei dem der Sand schichtweise aufgetragen wird und an den Stellen, an welchen er binden soll, separat mit Bindemittel besprüht wird. Beim Pulverbettverfahren wird der Boden im Pulverbett nach dem Auftragen einer jeden Schicht etwas abgesenkt. Eine Jobbox bzw. ein Transportbehälter, welcher auch beim Pulverbettverfahren eingesetzt werden soll, ist deshalb vorzugsweise mit einem vertikal beweglichen Boden versehen, um ihn schrittweise absenken zu können.
An der Trocknungsstation können zwei Kondensatorplatten stationär angeordnet sein. Die untere Kondensatorplatte ist vorzugsweise mit der elektrischen Erde verbunden, wohingegen die obere Kondensatorplatte mit dem RF-Generator verbunden ist, so dass an die obere Kondensatorplatte eine RF-Wechselspannung angelegt werden kann. Die obere Kondensatorplatte ist vorzugsweise an der Unterseite mit einer elektrischen Isolationsschicht versehen, so dass die Kondensatorplatte nicht unmittelbar mit dem Sandkern in Berührung kommen kann. Diese Isolationsschicht kann aus einem für RF-Strahlung im Wesentlichen transparenten Material, wie zum Beispiel Keramik oder Kunststoff, ausgebildet sein. Ein solches Material kann auch zum Ausbilden der Transportbehälter verwendet werden.
Es ist auch möglich, eine oder beide Kondensatorplatten unmittelbar am Transportbehälter anzuordnen. Die untere Kondensatorplatte kann im Bereich der Trocknungsstation einfach mit elektrischer Erde über einen entsprechenden Kontakt unmittelbar verbunden werden. Die obere Kondensatorplatte ist an einem mit dem RF-Generator verbundenen Wellenleiter koppelbar. Hierzu ist der Wellenleiter mit einer Koppelplatte fest verbunden. An der Koppelplatte und/oder an der oberen Kondensatorplatte ist eine Schicht aus einem Dielektrikum angeordnet, so dass sich die dielektrische Schicht zwischen der Koppelplatte und der Kondensatorplatte befindet, wenn die Koppelplatte gegen die Kondensatorplatte gedrückt wird. Hierdurch wird die Kondensatorplatte an die Koppelplatte kapazitiv angekoppelt, so dass vom RF-Generator die RF-Wechselspannung auf die obere Kondensatorplatte übertragen werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft näher anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer Inline-Anlage zum Herstellen von Sandkernen, Lagern von Sandkernen und deren Verwendung in einer Gießmaschine, wobei die Sandkerne generativ gefertigt werden, und
2 ein schematisches Blockschaltbild einer Inline-Anlage zum Herstellen von Sandkernen, Lagern von Sandkernen und deren Verwendung in einer Gießmaschine, wobei die Sandkerne durch Schießen in eine Form hergestellt werden.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Gießen eines metallenen Gussteils umfasst einen 3D-Drucker 1, eine Fördereinrichtung 2 zum Befördern von Transportbehältern 3, eine Heizstation 4, eine Auspackstation 5, eine Handhabungseinrichtung 6 zum Entnehmen eines Sandkernes von der Fördereinrichtung 2 und zum Platzieren des Sandkernes in einer Gießmaschine 7 und/oder einem Lager 8 sowie eine weitere Handhabungseinrichtung 9 zum Abziehen eines Sandkernes 10 vom Lager 8 und zum Platzieren des Sandkernes auf der Fördereinrichtung 2 (1).
Der 3D-Drucker 1 ist ausgebildet, um aus einem feuerfesten, partikelförmigen Formgrundstoff, der im Folgenden verkürzt als „Sand“ bezeichnet wird, und einem Bindemittel in einem generativen Herstellungsverfahren einen Sandkern in einer beliebigen Form zu erzeugen. Der partikelförmige, feuerfeste Formgrundstoff kann aus Siliziumdioxid (Quarzsand), Metalloxid, einem Keramikmaterial oder auch aus Glas oder einer Mischung davon ausgebildet sein. Unabhängig von der chemischen Zusammensetzung wird dieser partikelförmige, feuerfeste Formgrundstoff als Sand bezeichnet.
Das Bindemittel kann ein organisches oder ein anorganisches Bindemittel sein. Anorganische Bindemittel werden jedoch bevorzugt. Wie es bereits eingangs erläutert ist, sind anorganische Bindemittel hygroskopisch. Hierdurch besteht das Problem, dass Sandkerne, welche mit anorganischem Bindemittel hergestellt sind, hygroskopisch sind und Feuchtigkeit anziehen, insbesondere wenn sie längere Zeit gelagert werden. Beim Gießen kann dann die Feuchtigkeit als Wasserdampf ausgasen und Fehlstellen, insbesondere Gasblasen und Lunker im Gießteil verursachen und die Oberfläche des Gießteils beeinträchtigen.
Im 3D-Drucker 1 können die Sandkerne 10 mit dem Pulverbettverfahren jeweils in einer Jobbox hergestellt werden, indem dünne Sandschichten aufeinanderfolgend aufgetragen und bereichsweise mit Bindemittelmaterial benetzt werden. Die Jobboxen bilden zugleich die Transportbehälter 3 zum Transport auf der Fördereinrichtung 2. Bei dem Pulverbettverfahren ist es zweckmäßig, wenn der Boden der Jobbox bezüglich der Seitenwandung vertikal beweglich ist, so dass die Tiefe der Jobbox, die während des Fertigungsverfahrens das Pulverbett begrenzt, zunehmend erhöht werden kann. Deshalb kann es zweckmäßig sein, Transportbehälter mit vertikal verschieblichem Boden vorzusehen.
Es gibt jedoch andere generative Herstellungsverfahren, beispielsweise solche, bei welchen ein Gemisch aus Sand und Bindemittel mittels einer Düse lokal aufgetragen (= gedruckt) wird. Bei solchen generativen Fertigungsverfahren kann der Boden im Transportbehälter 3 fest angeordnet sein.
Die Fördereinrichtung 2 weist in der Draufsicht vorzugsweise zwei voneinander beabstandete Förderriemen bzw. Förderketten auf, auf welche die Transportbehälter aufgesetzt werden können. Die Förderriemen bzw. Förderketten sind endlos und werden von einer Antriebseinrichtung (nicht dargestellt) synchron angetrieben. Sie können, wie es von Staurollensystemen bekannt ist, mit Stoppelementen 11 versehen sein, an welche die Transportbehälter 3 jeweils anliegen, um eine definierte Position an der Fördereinrichtung 2 einzunehmen. Es können jedoch auch andere Fördersysteme eingesetzt werden.
Die Fördereinrichtung 2 enthält zwei übereinander angeordnete Förderbahnen 12, 13 und am entfernt vom 3D-Drucker angeordneten Ende 23 der Fördereinrichtung 2 einen Lift 14, um die Transportbehälter 3 von der oberen Förderbahn 12 auf die unter Förderbahn 13 zu überführen. Die Fördereinrichtung 2 ist somit derart ausgebildet, dass die Transportbehälter im Kreislauf von dem 3D-Drucker 1 entlang der Heizstation 4 und der Auspackstation 5 zur Handhabungseinrichtung 9 und wieder zurück befördert werden können.
Die Förderbahnen können jedoch auch nebeneinander angeordnet sein und an den Enden an Stelle eines Liftes jeweils eine kurze Verbindungsfördereinrichtung in Querrichtung aufweisen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Fördereinrichtung ein Linearförderer. Im Rahmen der Erfindung sind auch andere Fördereinrichtungen möglich, wie zum Beispiel ein Drehtisch, wobei dann die entsprechenden Stationen entlang dem Umfang des Drehtisches angeordnet sind.
Die Heizstation 4 weist eine Hubeinrichtung 15 zum Anheben einer elektrisch leitenden Hubplatte 16 auf, auf welche mittels der Fördereinrichtung 2 jeweils einer der Transportbehälter 3 angeordnet werden kann. Der Transportbehälter 3 weist an seiner Unterseite eine elektrisch leitende Trägerplatte (nicht dargestellt) auf. Die Trägerplatte erstreckt sich über die gesamte Unterseite des Transportbehälters. Die Hubplatte 16 ist eine elektrisch leitende Platte, welche mit elektrischer Erde verbunden ist. Die Hubplatte 16 ist kleiner als die Trägerplatte, so dass die Hubplatte zwischen Riemen oder Ketten der Fördereinrichtung 2 abgesenkt werden kann. Beim Anheben des Transportbehälters mit der Hubplatte steht die Hubplatte 16 mit der Trägerplatte in Verbindung, so dass die Trägerplatte über die Hubplatte 16 mit der elektrischen Erde verbunden ist.
Die Trägerplatte kann einstückig mit dem Transportbehälter 3 verbunden sein oder von diesem auch separat ausgebildet sein.
Parallel zur und oberhalb von der Hubplatte 16 ist eine Gegenplatte 17 angeordnet, welche wiederum elektrisch leitend ist. Die Gegenplatte 17 ist mit einer Wellenleitung 18 mit einem RF-Generator 19 verbunden. Der RF-Generator ist zum Erzeugen von RF-Strahlung ausgebildet. Die RF-Strahlung weist eine maximale Frequenz von 300 MHz auf. Vorzugsweise ist die Frequenz der RF-Strahlung nicht größer als 100 MHz und insbesondere nicht größer als 30 MHz. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Frequenz von 27,12 MHz verwendet, da dies die in Deutschland übliche Frequenz für Industrieanwendungen ist.
Die Trägerplatte und die Gegenplatte 17 bilden somit einen Kondensator, in dem ein RF-Feld angelegt werden kann.
Die Transportbehälter 3 sind aus einem für die RF-Strahlung im Wesentlichen transparenten Material, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyethylen, insbesondere UHMWPE, Polyetherketon (PEEK), oder Keramik ausgebildet. Derartige Materialien absorbieren RF-Strahlung nur in sehr geringem Umfang und erwärmen sich daher nicht selbst, wenn sie in einem RF-Feld angeordnet sind.
An Stelle der oben erläuterten Trägerplatte kann auch eine dreidimensional konturierte Elektrode verwendet werden, die zugleich als Transportbehälter dient. Dies ist insbesondere bei geschossenen Sandkernen zweckmäßig, welche in eine Metallform geschossen werden. Ein Teil der Metallform kann dann unmittelbar als Transportbehälter und Elektrode eingesetzt werden. Die Metallform ist elektrisch leitend und kann somit in elektrischem Kontakt mit der Hubplatte 16 stehen.
Als Bindemittel werden vorzugsweise polare Bindemittel verwendet, die zwar den Nachteil haben, dass sie hygroskopisch sind, jedoch aufgrund ihrer polaren Ausbildung RF-Strahlung gut absorbieren und damit den Sandkern von innen heraus erhitzen.
In Förderrichtung 20 der oberen Förderbahn 12 folgt auf die Heizstation 4 die Auspackstation 5. Die Auspackstation 5 weist eine oder mehrere Druckluftdüsen 21 auf, mit welchen der lose, nicht gebundene Sand vom Sandkern entfernt werden kann.
Die Handhabungseinrichtung 9 kann ein herkömmlicher Multifunktions-Mehrachsenroboterarm sein, welcher mit einer Greifeinrichtung versehen ist, um den Sandkern von der Fördereinrichtung 2 abzunehmen und entweder in eine Gießform 21 einzusetzen, welche in der Gießmaschine 7 angeordnet wird oder in dem Lager 8 abzulegen.
Die Handhabungseinrichtung 6 kann ortsfest angeordnet sein. Sie kann jedoch auch verfahrbar ausgebildet sein, so dass sie selbsttätig zwischen den Orten des vom 3D-Drucker entfernten Ende 23 der Fördereinrichtung 2, der Gießmaschine 7 und dem Lager 8 bewegt werden kann. Wenn die Handhabungseinrichtung 6 verfahrbar ausgebildet ist, dann ist es nicht notwendig, die zweite Handhabungseinrichtung 9 vorzusehen, da dann die Handhabungseinrichtung 6 auch zum Entnehmen der Sandkerne aus dem Lager und zum Ablegen der Sandkerne auf der Fördereinrichtung 2 an einer Position in Förderrichtung 20 vor der Heizstation 4 verwendet werden kann. Ist die Handhabungseinrichtung 6 hingegen ortsfest angeordnet, dann ist es zweckmäßig, dass die zweite Handhabungseinrichtung 9 derart vorgesehen ist, dass mit dieser Handhabungseinrichtung ein Sandkern aus dem Lager 8 entnommen und auf die Fördereinrichtung 2 in Transportrichtung 20 vor der Heizstation 4 abgelegt werden kann.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Gießen eines metallenen Gussteils ist im Wesentlichen genauso ausgebildet, wie das erste Ausführungsbeispiel, weshalb gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind (2). Die obigen Erläuterungen zu diesen Teilen ist gleichermaßen gültig für das zweite Ausführungsbeispiel, sofern nachfolgend nichts anderes ausgeführt ist.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist anstelle des 3D-Druckers eine Schussvorrichtung 24 zum Schießen von Sandkernen vorgesehen, wobei ein Gemisch aus Sand und Bindemittel mit hohem Druck und hohem Impuls in eine Kernform eingeschossen wird, so dass dieses zäh-viskose Gemisch die Kernform vollständig und fehlstellenfrei ausfüllt.
Der so ausgebildete Sandkern wird auf eine Trägerplatte 25 gesetzt, welche anstelle der Transportbehälter zur Anordnung der Sandkerne auf der Fördereinrichtung 2 dient.
Entlang der Fördereinrichtung 2 ist wiederum eine Heizstation 4 vorgesehen, die im Wesentlichen genauso wie beim ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Sie weist an der Gegenplatte 17 einen nach unten offenen Isolationskörper auf, der bei angehobener Hubplatte 15 einen abgeschlossenen Raum bildet, in dem ein zu erhitzender Sandkern 10 angeordnet sein kann. Der Isolationskörper besteht aus einem elektrisch isolierendem und für RF-Strahlung im Wesentlichen transparenten Material, wie z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyethylen, insbesondere UHMWPE, oder Polyetherketon (PEEK).
Beim zweiten Ausführungsbeispiel kann die Auspackstation entfallen, da der Sandkern frei von nicht gebundenem Sand ist.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Gießen eines metallenen Gussteils mittels eines Sandkerns 10 erläutert, wobei eine der oben beschriebenen Vorrichtungen verwendet wird.
Zunächst wird der Sandkern im 3D-Drucker 1 oder in der Schussvorrichtung 24 hergestellt. Der Sandkern kann im 3D-Drucker 1 bzw. in der Schussvorrichtung 24 bereits erhitzt werden, so dass das Bindemittel bindet. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, den Sandkern ohne Erhitzen aus dem 3D-Drucker 1 bzw. aus der Schussvorrichtung 24 mittels der Fördereinrichtung 2 zur Heizstation 4 zu befördern.
An der Heizstation wird der Transportbehälter 3 bzw. die Trägerplatte 25 auf der Hubplatte 16 platziert. Die Hubeinrichtung 15 hebt die Hubplatte 16 an, um den Abstand zwischen der Hubplatte 16 und der Gegenplatte 17 zu verringern. Die Gegenplatte 17 ist vorzugsweise auf ihrer Unterseite mit einer Isolationsschicht oder dem nach unten offenen Isolationskörper versehen, so dass der Sandkern nicht mit der Gegenplatte 17 unmittelbar in Kontakt kommen kann.
Mit dem RF-Generator 19 wird an den Kondensator ein RF-Feld für eine vorbestimmte Zeitdauer angelegt. Die Amplitude der RF-Strahlung liegt typischerweise im Bereich von 10 KV - 40 KV. Dieses RF-Feld wird je nach dem Volumen des Sandkernes für die Dauer von zumindest 20 Sekunden, vorzugsweise zumindest 30 Sekunden und insbesondere zumindest 1 Minute angelegt. Selbst bei großen Sandkernen ist es meistens nicht notwendig, das RF-Feld für mehr als 2 Minuten, insbesondere mehr als 3 Minuten bzw. mehr als 4 Minuten anzulegen. Hierdurch wird der Sandkern von innen heraus erhitzt. Das Erhitzen kann zwei Funktionen haben:

1. Wenn der Sandkern noch nicht ausgehärtet ist, dann kann er durch das Erhitzen ausgehärtet werden, so dass das Bindemittel chemisch reagiert und die Partikel verbindet.
2. Der Sandkern besitzt in der Regel eine Restfeuchte und/oder das Bindemittel gast unter Hitzeeinwirkung aus. Durch das Erhitzen des Sandkernes wird die Restfeuchte aus dem Sandkern getrieben bzw. das Bindemittel ausgegast. Dieses Trocknen oder Ausgasen ist für das darauffolgende Gießen von Bedeutung, denn ein derart vorbehandelter Sandkern gast nicht mehr oder wesentlich weniger beim Gießen in der Gießmaschine 7 aus bzw. gibt keinen oder nur in sehr geringem Umfang Wasserdampf ab. Beides beeinträchtigt beim Gießen erheblich die Qualität des Gussteils.

Nach der Heizstation wird der Sandkern 10 mittels der Fördereinrichtung 2 weiterbefördert. Ist der Sandkern im 3D-Drucker generativ erzeugt worden und befindet sich im Transportbehälter noch nicht gebundener Sand, dann wird der Sandkern von dem nicht gebundenen Sand in der Auspackstation 5 befreit. Hierbei wird der nicht gebundene Sand mittels der Druckluftdüsen vom Sandkern abgeblasen.
Der Sandkern wird entweder dann oder unmittelbar von der Heizstation der Handhabungseinrichtung 6 zugeführt, welche den Sandkern entweder in eine Gießform, welche auch als Kokille bezeichnet wird, in der Gießmaschine eingesetzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Gießmaschine eine Niederdruckgießmaschine. Im Rahmen der Erfindung können jedoch auch andere Gießmaschinen, wie zum Beispiel Gießmaschinen, welche mit einem Schwerkraftgießverfahren oder Hochdruckgießverfahren arbeiten, verwendet werden. In der Gießmaschine wird in der Gießform, in der der Sandkern eingesetzt ist, ein Metallteil gegossen.
Nach dem Gießen des Metallteils wird dieses aus der Gießform entformt und der Sandkern wird aus dem Gussteil entfernt.
Da durch das Erhitzen des Sandkerns kurz vor dem Gießen des Gussteils dieser trocken und/oder ausgegast ist, werden Gussteile mit sehr hoher Qualität erzeugt, da kein oder nur wenig Gas bzw. Dampf während des Gießens in der Gießform freigesetzt wird.
Die Handhabungseinrichtung 6 kann den Sandkern anstelle in eine Gießform einzusetzen, auch am Lager 8 für einen späteren Gebrauch zwischenlagern. Da der Sandkern, insbesondere wenn er mit einem anorganischen Bindemittel gebunden ist, hygroskopisch ist, lagert sich im Sandkern Feuchtigkeit an. Würde man einen solchen Sandkern unmittelbar in die Gießform einsetzen, dann hätte dies zur Folge, dass der Sandkern während des Gießvorganges ausdampft und entsprechende Fehlstellen und Lunker im Gussteil erzeugt.
Der Sandkern wird deshalb vor Gebrauch von der zweiten Handhabungseinrichtung 9 auf die Fördereinrichtung 2 in Förderrichtung 20 vor der Heizstation 4 gesetzt, von der Fördereinrichtung 2 zur Heizstation 4 befördert und dort nochmals erhitzt. Durch das Erhitzen wird der Sandkern entfeuchtet. Zum Entfeuchten genügt es ein RF-Feld an den Sandkern von zumindest 10 Sekunden, insbesondere zumindest 20 Sekunden, vorzugsweise zumindest 30 Sekunden anzulegen. Bei großen Sandkernen kann es zweckmäßig sein, das RF-Feld bis zu 1 Minute bzw. sogar bis zu 2 Minuten anzulegen. Der derart getrocknete Sandkern wird dann möglichst unverzüglich mittels der Fördereinrichtung 2 der Handhabungseinrichtung 6 zugeführt und von dieser in die Gießform eingesetzt, um dann in der Gießmaschine 7 mit flüssigem Metall umgossen zu werden.
Das Wesen der Erfindung liegt somit darin, dass der Sandkern kurz vor dem Gießen des Metallteils mittels der RF-Strahlung getrocknet bzw. ausgegast wird, so dass während des Gießens kein oder nur wenig Dampf bzw. Gas in der Gießform freigesetzt wird und die Qualität des Gussteils beeinträchtigt. Je nach der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsatmosphäre und je nachdem, welches Bindemittel verwendet wird, ist der zeitliche maximale Abstand zwischen der Trocknung und des Gießvorganges auf eine Zeitdauer von nicht mehr als 24 Stunden, insbesondere nicht mehr als 12 Stunden, insbesondere nicht mehr als 6 Stunden und vorzugsweise nicht mehr als 1 Stunde zu begrenzen.
Dieses Verfahren kann mit beiden oben erläuterten Vorrichtungen durchgeführt werden. Im Rahmen der Erfindung kann das Verfahren auch mit anderen Vorrichtungen oder einer Anlage, in welcher der Sandkern manuell zwischen den einzelnen Stationen befördert wird, durchgeführt werden.
Als Bindemittel wird vorzugsweise ein anorganisches Bindemittel, wie eingangs erläutert ist.
Die Erfindung kann auch für Sandformen angewendet werden, welche keine zusätzliche Gießform bzw. Kokille benötigen.
Das oben erläuterte Verfahren kann derart weiter gebildet sein, dass während und/oder nach dem Erhitzen mit RF-Strahlung an den Transportbehälter ein Unterdruck angelegt wird, so dass der entstehende Dampf abgesaugt wird. Hierdurch kann das Trocknen beschleunigt werden und es wird verhindert, dass der Dampf im Transportbehälter wieder kondensiert.
Bezugszeichenliste

1: 3D-Drucker
2: Fördereinrichtung
3: Transportbehälter
4: Heizstation
5: Auspackstation
6: Handhabungseinrichtung
7: Gießmaschine
8: Lager
9: Handhabungseinrichtung
10: Sandkern
11: Stoppelement
12: Obere Förderbahn
13: Untere Förderbahn
14: Lift
15: Hubeinrichtung
16: Hubplatte
17: Gegenplatte
18: Wellenleitung
19: RF-Generator
20: Förderrichtung
21: Gießform
22: Lager
23: Ende der Fördereinrichtung
24: Schussvorrichtung
25: Trägerplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3409579 A [0006]
DE 19925167 [0009]
US 5582232 [0009]
US 5474606 [0009]
EP 1095719 A2 [0011]
EP 1802409 A2 [0012]
DE 102007051850 A1 [0013]
EP 3266815 A1 [0021]
US 2018/0361618 A1 [0022]
DE 69713775 T2 [0024]

Claims

Verfahren zum Gießen eines metallenen Gussteils mittels eines Sandkernes, umfassend folgende Schritte - Verwenden des Sandkerns zur teilweisen oder vollständigen Begrenzung eines Formraums, - Gießen von flüssigen Metall in den Formraum zu einem Gussteil, - Abkühlen und Aushärten des Gussteils, - Entformen des Gussteils, dadurch gekennzeichnet, dass der Sandkern vor dem Gießen mittels RF-Strahlung getrocknet oder ausgegast wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sandkern vor dem Gießen in einer Kokille angeordnet wird oder der Sandkern Bestandteil eines Sandkernpaketes ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sand des Sandkernes mit einem anorganischen Bindemittel gebunden ist, das beim Härten Wasser abspaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sandkern mittels eines additiven Fertigungsverfahren oder durch Schießen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sandkern aus einem oder aus mehreren separat ausgebildeten Teilen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sandkern mittels der RF-Strahlung erwärmt wird und im erwärmten Zustand einer Gießvorrichtung zugeführt wird, so dass das Gießen mit dem noch erwärmten Sandkern ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sandkern beim Beginn des Gießens eine Temperatur von zumindest 80°C, insbesondere 120°C und vorzugsweise zumindest 180°C aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießen mit einem Niederdruckgießverfahren und/oder Schwerkraftgießverfahren und/oder Druckgießverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Restfeuchte nach dem Trocknen kleiner als 0,1 Gew% und insbesondere kleiner als 0,01 Gew% ist.
Vorrichtung zum Gießen eines metallenen Gussteils mittels eines Sandkerns, insbesondere nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, umfassend eine Trocknungsstation zum Trocknen eines Sandkerns, wobei die Trocknungsstation einen RF-Generator und einen Kondensator zum Aufnehmen des Sandkerns aufweist, so dass an den Sandkern RF-Strahlung zum Trocknen und/oder Erhitzen des Sandkerns angelegt werden kann, und eine Gießstation, an welcher das Gussteil in einer Gießform gegossen werden kann, in der der Sandkern angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sandkernproduktionsstation zum Herstellen eines Sandkerns vorgesehen ist, bei welcher der Sandkern geschossen oder mit einem additiven Verfahren hergestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördereinrichtung zum Fördern der Sandkerne zwischen der Sandkernproduktionsstation, der Trocknungsstation und der Gießstation vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gießstation eine Gießform-Übergabeeinrichtung zum Entnehmen des Sandkerns von der Fördereinrichtung und zum Anordnen des Sandkerns in der Gießform vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Transport der Sandkerne mehrere Transportbehälter aus für RF-Strahlung im Wesentlichen transparentem Material vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass an der Sandkernproduktionsstation, welche als eine Einrichtung zum additiven Fertigen ausgebildet ist, eine Transportbehälter-Übergabeeinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Transportbehälter aus der Einrichtung zum additiven Fertigen entnommen und auf die Fördereinrichtung abgesetzt werden können, so dass die Transportbehälter auch als Jobbox zum additiven Fertigen verwendbar sind.