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Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Entfernung eines Gießkerns und dessen Verwendung. Ferner betrifft sie den Gießkern.
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In einem Gießprozess wird ein flüssiger Gusswerkstoff in eine Form gegossen, die geeignet ist, den flüssigen Gusswerkstoff in einem inneren Bereich der Form, der von einer inneren Kontur begrenzt ist, aufzunehmen. Die Form kann auch als eine Gießform bezeichnet werden. Anschließend wird der Gusswerkstoff in einen festen Zustand überführt - beispielsweise durch eine Temperaturabsenkung unter eine für den jeweiligen Gusswerkstoff spezifische Schmelztemperatur oder beispielsweise durch einen chemischen Prozess, bei dem auch eine Stoffumwandlung stattfinden kann. Die Überführung in den festen Zustand kann auch als ein Erstarren bezeichnet werden. Eine äußere Kontur des erstarrten, das heißt im festen Zustand vorliegenden Gusswerkstoffes kann nach dem Erstarren in einem oder mehreren Abschnitten zu einem oder mehreren Abschnitten der inneren Kontur der Gießform korrespondieren. Der erstarrte Gusswerkstoff wird auch als Gusskörper bezeichnet. Es ist möglich, Gusskörper mit sehr unterschiedlichen Formen und Anwendungszwecken herzustellen.
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Der Gießkern, der als fester Körper mit einer äußeren Kontur ausgebildet sein kann, kann in einem Gießprozess zur Erzeugung eines oder mehrerer Hohlräume in dem Gusskörper genutzt werden. Ein Hohlraum kann sich beispielsweise am Rand des Gusskörpers, vom Rand in diesen hineinragend, oder beispielsweise auch im Inneren des Gusskörpers befinden. Zur Erzeugung des Hohlraumes wird der Gießkern zumindest abschnittsweise innerhalb der Gießform angeordnet. Während des Gießprozesses kommt die Oberfläche des Gießkerns, die eine äußere Kontur aufweist, mit dem flüssigen Gusswerkstoff in Kontakt. Während des Erstarrens können sich ein oder mehrere Abschnitte der äußeren Kontur des Gießkerns teilweise oder auch ganz in einem oder mehreren Abschnitten der Kontur des erstarrten Gusswerkstoffs abbilden, die auch nach einem Entfernen des Gießkerns aus dem Gusskörper bestehen bleibt. Auf diesem Weg ist es möglich, beispielsweise sehr unterschiedlich konturierte Hohlräume oder andere Oberflächenabschnitte von Gusskörpern sehr flexibel und kostengünstig herzustellen.
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Benötigt werden Gießkerne beispielsweise bei der Herstellung von Kühlkanälen oder anderen funktionalen Strukturen in Gusskörpern oder auch bei der Fertigung von gegossenen leichten Gusskörpern, bei denen es beispielsweise auf eine möglichst geringe Masse des Gusskörpers ankommt.
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Typische Gusswerkstoffe, die in einem Gießprozess verwendet werden können, sind beispielsweise Metalle, Legierungen und/oder Kunststoffe. Darüber hinaus können die Gusswerkstoffe auch weitere Hilfsstoffe, wie beispielsweise Ferrosilizium, umfassen. Typische Materialien für einen Gießkern sind beispielsweise Sand oder auch Salz.
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Bezüglich seiner äußeren Kontur kann der Gießkern, und somit auch der Hohlraum in dem Gusskörper, sehr vielfältig gestaltet sein. Einschränkungen ergeben sich jedoch daraus, dass der Gießkern, insbesondere bei einer Verwendung zur Realisierung filigraner Strukturen im Gusskörper, zum einen eine hohe Festigkeit, also einen Widerstand gegen Zerstörung, bei einem gleichzeitig hohen Widerstand gegen eine Heißverformung, also eine Verformung bei hohen Temperaturen, beispielsweise oberhalb der Schmelztemperatur des Gusswerkstoffes, aufweisen muss, sich zum anderen aber nach dem Erstarren des Gusswerkstoffes gut entfernen lassen soll. Die beiden Erfordernisse an die Eigenschaften des Gießkerns stellen zumindest teilweise konkurrierende Ziele dar.
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Wird der Gießkern beispielsweise je nach Gusswerkstoff mit hohen Temperaturen belastet, kann es beispielsweise bei einem emissionsfreien anorganischen, dicht gepackten Gießkern zu einer Versinterung, einem Aufschrumpfen oder anderen Effekten kommen, mit welchen eine Verfestigung des Gießkerns einhergehen kann und die wiederum die Entfernung des Gießkerns aus dem Gusskörper erschweren kann.
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Über die Aufgabe, eine hohe Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Heißverformung des Gießkerns sicherzustellen und gleichzeitig die, insbesondere kostengünstige und möglichst rückstandsfreie Entfernbarkeit des Gießkerns nach dem Gießprozess zu ermöglichen, wurde in der Vergangenheit bereits mehrfach berichtet. Beispielsweise ist in
DE1020060560934 ein materialbezogener Lösungsansatz beschrieben. Die Verwendung von Salzpartikeln in einem Gießkern, die nach dem Gießprozess mit Wasser ausgewaschen werden, wird in
EP30246091 gezeigt.
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Eine additive Fertigung, auch als 3D-Druck bezeichnet, von Gießformen und Gießkernen verbindet die Vorteile additiver Fertigung, beispielsweise bei der Fertigung komplexer Körperformen, mit der Wirtschaftlichkeit von Gießprozessen. Aktuell kann von einer Gestaltungsfreiheit im 3D-Druck von Gießkernen jedoch nur eingeschränkt profitiert werden, da ausreichend große Öffnungsbereiche für die Entfernung des Gießkerns nötig sind und werkstoffabhängige Mindestwandstärken und eine eingeschränkte Komplexität zu beachten sind.
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Die Aufgabe des offenbarten Verfahrens zur Herstellung und Entfernung eines Gießkerns und dessen Verwendung sowie zu dem Gießkern besteht darin, die genannten Einschränkungen zumindest partiell zu überwinden und die Erzeugung auch filigraner Hohlraumstrukturen in Gusskörpern bei einer gleichzeitig möglichen guten Entfernbarkeit zu gestatten. Vorteile des offenbarten Verfahrens bestehen beispielsweise darin, dass die Entfernung des Gießkerns mit dem vorgestellten Verfahren mit einem geringen mechanischen Aufwand durchführbar ist. Damit ist die Herstellung auch sehr filigraner Strukturen, die während des Gießprozesses eine hohe Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen thermische Verformung benötigen, realistisch.
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Die beschriebene Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung und Entfernung eines Gießkerns und dessen Verwendung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Gießkern gemäß Anspruch 17 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben spezielle Ausführungsformen.
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung und Entfernung eines Gießkerns sowie zur Verwendung des Gießkerns in einem Gießprozess zum Gießen eines Gusskörpers offenbart. Das Verfahren kann das Formen des Gießkerns mit zumindest abschnittsweise isotropem Dehnungsverhalten unter Verwendung eines oder mehrerer Materialien umfassen, in denen durch eine Temperaturänderung mindestens ein Volumensprung erzeugbar ist. Der Gießkern kann also einen oder mehrere Abschnitte aufweisen, wobei in jedem der Abschnitte des Gießkerns das isotrope Dehnungsverhalten vorliegt.
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Unter einer Isotropie wird eine Richtungsunabhängigkeit einer Materialeigenschaft, beispielsweise des Dehnungsverhaltens, verstanden. Dies bedeutet, dass das Dehnungsverhalten eines oder mehrerer der zum Formen des Gießkerns verwendeten Materialien richtungsunabhängig, also in jede Raumrichtung gleich ist. Beispielsweise kann sich ein Material im Falle einerTemperaturerhöhung ausdehnen. Bei einer isotropen Ausdehnung, wenn das Material also ein isotropes Dehnungsverhalten aufweist, dehnt sich das Material in alle Raumrichtungen betrachtet um einen gleichen prozentualen Faktor aus. Bei einer Temperaturverringerung kann sich das Material beispielsweise zusammenziehen. Bei isotropem Dehnungsverhalten zieht sich in diesem Falle das Material in alle Raumrichtungen betrachtet um einen gleichen prozentualen Faktor zusammen. Dabei wird jeweils eine homogene Temperatur im Material angenommen.
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Das isotrope Dehnungsverhalten des Materials kann beispielsweise erzielt werden, wenn das Material Quarzpartikel umfasst. Zwar können Quarzkristalle ein anisotropes Dehnungsverhalten aufweisen. Durch die Verwendung einer Vielzahl kleiner, zufällig angeordneter Quarzkristalle, wie beispielsweise Quarzpartikel, kann jedoch im Zusammenspiel der Vielzahl der Quarzkristalle quasi das isotrope Dehnungsverhalten erreicht werden. Als ein Partikel wird ein Teilchen bezeichnet, das klein gegenüber einem Gesamtsystem ist. Im Rahmen dieser Anmeldung kann eine Ausdehnung des Partikels beispielsweise im Bereich zwischen etwa 1 µm und 50 µm liegen und in einigen Fällen sogar bis 2 mm betragen. Auf diese Weise ist es möglich, einen oder mehrere Abschnitte in dem Gießkern jeweils so auszubilden, dass jeder der Abschnitte für sich ein isotropes Dehnungsverhalten aufweist. Als Materialien des Gießkerns können Stoffe und/oder Stoffgemische zum Einsatz kommen. Neben Quarzpartikeln können dies beispielsweise auch Metalle, Legierungen, Oxide, insbesondere auch Metalloxide, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, Salze, Keramiken und/oder auch Silikate sein.
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Ein abschnittsweises isotropes Dehnungsverhalten ist beispielsweise realisierbar, indem in jedem der Abschnitte des Gießkerns ein Material mit räumlich gleichbleibenden Eigenschaften verwendet wird, wobei insbesondere das isotrope Dehnungsverhalten für das im jeweiligen Abschnitt genutzte Material gleichbleibend ist. Es ist dabei anzumerken, dass eine tatsächliche Dehnung des Materials und damit eines Körpers, der aus dem Material besteht, auch von einer jeweiligen Temperatur in einem oder mehreren Abschnitten des Körpers abhängt.
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Es kann sein, dass sich das Dehnungsverhalten eines Materials ändert, insbesondere der prozentuale Faktor beim Ausdehnen oder beim Zusammenziehen des Körpers bei Temperaturänderung, falls beispielsweise ein Schwellwert einer physikalischen Größe, beispielsweise der Temperatur, über- oder unterschritten wird. Dann ist es möglich, dass im Bereich des Schwellwertes eine relative Volumenänderung eines aus dem Material bestehenden Körpers, jeweils bezogen auf das Volumen des Körpers vor der relativen Volumenänderung, auftritt, die sich in ihrem Betrag von einem Betrag einer relativen Volumenänderung, beispielsweise bei jeweils einer gleichen absoluten Temperaturänderung, in Bereichen fern des Schwellwertes unterscheidet. Es ist dabei möglich, dass im Bereich des Schwellwertes eine im Vergleich zu anderen Bereichen große relative Volumenänderung eintritt, die auch als Volumensprung bezeichnet wird.
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Bei den ein oder mehreren Materialien, die zum Formen des Gießkerns Verwendung finden, kann es sein, dass sie beispielsweise bei einer Temperaturänderung, die einen materialspezifischen Temperaturschwellwert passiert, den Volumensprung aufweisen. Dies kann man sich beispielsweise vorstellen, wenn das Passieren des materialspezifischen Temperaturschwellwertes mit einer Phasentransformation einhergeht. Die Phasentransformation ist ein physikalischer Vorgang, der die Umwandlung einer oder mehrerer Phasen eines Stoffes in eine jeweils andere Phase umfasst. Eine Phase bezeichnet eine Einzahl oder eine Mehrzahl von Materialeigenschaften, beispielsweise eine Dichte, eine chemische Zusammensetzung, eine Kristallstruktur und/oder auch einen Aggregatszustand, die in einem räumlichen Abschnitt homogen sind. Beispielsweise ist für Quarz eine Phasentransformation in einem Temperaturbereich bei 573°C bekannt. Ein Volumensprung kann beispielsweise auch durch eine chemische Reaktion - beispielsweise eine Reduktionsreaktion oder eine Oxidationsreaktion - bewirkt werden. Bei den Materialien, die zum Formen des Gießkerns Verwendung finden, ist es denkbar, dass auch mit einer chemischen Reaktion ein Volumensprung erzeugt werden kann.
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Das Verfahren kann in einem Schritt auch das Erzeugen von mindestens einem der Volumensprünge in dem Gießkern durch die Temperaturänderung beinhalten, wobei die Temperaturänderung ausgebildet ist, in mindestens einem der Materialien des Gießkerns mindestens eine Phasentransformation hervorzurufen. Die Temperaturänderung kann beispielsweise so erfolgen, dass der Gießkern mit einem Stoff, beispielsweise dem Gusswerkstoff oder einem Kühlmittel, das beispielsweise Wasser enthalten kann, in Kontakt gebracht wird, der sich auf einem anderen Temperaturniveau befindet. Durch einen Wärmeübergang zwischen dem anderen Stoff und dem Gießkern kann eine Temperaturänderung des Gießkerns erzielt werden. Weitere Möglichkeiten zum Erzeugen einer Temperaturänderung in dem Gießkern bestehen beispielsweise durch Einbringen des Gießkerns in einen Ofen, eine Wärmekammer oder eine Kältekammer, mit denen die Umgebung des Gießkerns durch Energiezufuhr oder Energieentnahme auf ein vorgegebenes Temperaturniveau gebracht wird und ein Wärmeübergang zwischen dem Gießkern und der Umgebung zu einer Temperaturänderung im Gießkern führt. Eine weitere Möglichkeit zur Erwärmung besteht beispielsweise in der Anwendung eines induktiven Verfahrens, bei dem im Gießkern Wirbelströme erzeugt werden, die zu einer Erwärmung des Gießkerns führen.
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Das offenbarte Verfahren kann in einem Schritt auch das Erzeugen von mindestens einem der Volumensprünge in dem Gießkern durch das Auslösen einer chemischen Reaktion beinhalten, wobei die chemische Reaktion ausgebildet ist, in mindestens einem der Materialien des Gießkerns mindestens eine Volumenänderung hervorzurufen. Die chemische Reaktion kann beispielsweise durch ein Zusammenbringen verschiedener Stoffe, beispielsweise Sauerstoff und ein Metall, sowie ein Einstellen geeigneter Reaktionsbedingungen, wie beispielsweise der Temperatur, ausgelöst werden.
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Ebenfalls ist es möglich, dass das Verfahren das Anordnen des Gießkerns in einer Gießform zur Verwendung in einem Gießprozess umfasst. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, mit Hilfe des Gießkerns Abschnitte in der Gießform festzulegen, in die kein flüssiger Gusswerkstoff gelangen soll, wenn der Gusswerkstoff während des Gießprozesses in die Gießform gefüllt wird. Damit werden gleichzeitig auch ein oder mehrere Abschnitte im Gusskörper festgelegt, in denen sich nach dem Erstarren des Gusswerkstoffes kein Gusswerkstoff befindet. Die ein oder mehreren Abschnitte des Gusskörpers ohne Gusswerkstoff können beispielsweise zu einem oder mehreren anderen Abschnitten des Gusskörpers benachbart sein, die Gusswerkstoff enthalten. Auf diese Weise kann die beim Erstarren des Gusswerkstoffes entstandene Kontur des Gusskörpers strukturiert werden und es können auch beispielsweise ein oder mehrere Hohlräume oder auch ein oder mehrere Kanäle im Inneren oder am Rand des Gusskörpers geschaffen werden. Diese können auch miteinander in Verbindung stehen. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass auf diese Weise komplexe Strukturen des Gusskörpers erzeugt werden können, die auf eine andere Art und Weise, beispielsweise aufgrund mangelnder oder schlechter Zugänglichkeit nicht geschaffen werden können. Neben der Schaffung von Strukturen, die anders nicht erzeugbar sind, können auf diese Weise auch ein oder mehrere Arbeitsschritte, die zur Entfernung nicht benötigten Gusswerkstoffes notwendig wären, verkürzt oder eingespart werden.
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Auch das Entfernen des Gießkerns aus dem Gusskörper kann ein Teil des offenbarten Verfahrens sein. Dieser Verfahrensschritt kann beispielsweise dazu dienen, die nach dem Erstarren des Gusswerkstoffes entstandenen Konturen des Gusskörpers freizulegen und zugänglich zu machen oder auch das Material des Gießkerns, der beispielsweise nur eine Aufgabe im Rahmen der Herstellung des Gusskörpers haben kann, zu entfernen.
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In dem offenbarten Verfahren kann es sein, dass die Temperaturänderung einen oder mehrere der Volumensprünge in einem oder mehreren der Abschnitte des Gießkerns erzeugt, wobei sich der Betrag des Volumensprungs in einem ersten der Abschnitte von dem Betrag des Volumensprungs in einem zweiten der Abschnitte und/oder von einem Betrag einer Volumenänderung in einer Umgebung des Gießkerns, beispielsweise im Gusswerkstoff oder dem Material der Gussform, unterscheiden kann. Der Volumensprung in dem einen oder mehreren der Abschnitte des Gießkerns entsteht jeweils durch den Volumensprung eines oder mehrerer der Materialen des Gießkerns. Eine Volumenänderung in einem oder mehreren der Abschnitte des Gießkerns entsteht jeweils durch die Volumenänderung eines oder mehrerer der Materialien des Gießkerns. Ebenso entsteht eine Volumenänderung in einer Umgebung des Gießkerns durch eine Volumenänderung eines oder mehrerer der Materialien in der Umgebung des Gießkerns. Die Temperaturänderung kann zum Erzeugen der Volumensprünge so durchgeführt werden, dass die Temperatur in einem oder mehreren der Materialien des Gießkerns den materialspezifischen Temperaturschwellwert passiert, bei dem die Phasentransformation stattfindet.
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Die Volumenänderungen in einem oder mehreren der Abschnitte des Gießkerns, die beispielsweise durch die Volumensprünge entstehen, können zu einer Ausbildung einer oder mehrerer mechanischen Spannungen in dem Gießkern führen, wodurch sich ein oder mehrere Risse und/oder Mikrorisse im Gießkern bilden können, welche die Festigkeit eines oder mehrerer der Abschnitte des Gießkerns verringern. Der abschnittsweise unterschiedliche Betrag der Volumensprünge und/oder das abschnittsweise unterschiedliche Dehnungsverhalten des Gießkerns, aber auch das möglicherweise davon verschiedene Dehnungsverhalten des mit dem Gießkern in Berührung stehenden Gusswerkstoffes und/oder der Gießform kann zusätzlich zur Entstehung der mechanischen Spannungen innerhalb des Gießkerns führen. Diese mechanischen Spannungen können zu einer Schädigung des Gießkerns führen und/oder auch ein Kollabieren des Gießkerns begünstigen. Unter dem Kollabieren des Gießkerns kann verstanden werden, dass der Gießkern in mehrere Teile zerfällt, wobei ein Zerfallen in viele kleine Teile besonders vorteilhaft sein kann. Das Kollabieren kann auch durch die Bildung von Rissen und/oder Mikrorissen in den ein oder mehreren Materialen des Gießkerns bewirkt werden, die durch die mechanischen Spannungen entstehen können.
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Es ist im Rahmen des offenbarten Verfahrens möglich, dass der Volumensprung in dem ersten der Abschnitte des Gießkerns durch die ein oder mehreren Materialien in dem zweiten der Abschnitte des Gießkerns und/oder ein Material in der Umgebung des Gießkerns behindert wird. Die durch ein Behindern des Volumensprungs auftretenden mechanischen Spannungen in den ein oder mehreren Materialen des Gießkerns können beispielsweise zur Bildung von Rissen und/oder Mikrorissen führen, die ein Kollabieren des Gießkerns begünstigen.
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Die Bildung von Rissen und/oder Mikrorissen kann darüber hinaus dadurch begünstigt werden, dass in den Gießkern eine oder mehrere Rissinitiierungsstellen eingebracht werden. Unter einer Rissinitiierungsstelle wird ein Abschnitt verstanden, in dem eine Materialstruktur des Gießkerns gezielt punktuell geschwächt und eine lokale Spannungsüberhöhung begünstigt wird, beispielsweise durch eine Kerbe, so dass die ein oder mehreren Materialien des Gießkerns den mit den Volumensprüngen einhergehenden mechanischen Spannungen in genau diesem Abschnitt nur in geringerem Maße als die ein oder mehreren Materialen in einem anderen der Abschnitte des Gießkerns standhalten und bevorzugt in diesem Abschnitt durch die mechanischen Spannungen geschädigt werden können. Die geschädigten Abschnitte können weitere Mikrorisse und/oder Risse in den ein oder mehreren Materialen des Gießkerns bewirken, insbesondere bei weiterem Auftreten der mechanischen Spannungen, so dass sich das Kollabieren des Gießkerns ausgehend von den Rissinitiierungsstellen vollziehen kann.
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In bestimmten Ausführungsformen ist es denkbar, dass das Erzeugen von einem oder mehreren der Volumensprünge in dem Gießkern zeitlich vor dem Gießprozess angeordnet ist und/oder während des Gießprozesses angeordnet ist und/oder nach dem Gießprozess angeordnet ist. Durch die Volumensprünge erfolgt eine Schädigung des Gießkerns durch die mechanische Spannungen und die dadurch bedingten Mikrorisse und/oder Risse, so dass ein späteres Kollabieren des Gießkerns begünstigt wird. Dabei kann die Schädigung des Gießkerns an verschiedenen Stellen in den Gießprozess und/oder in einen Vorbereitungsschritt zum Gießprozess und/oder in einen Nachbereitungsschritt des Gießprozesses integriert werden. Dies kann vorteilhaft sein, da eine Abstimmung mit anderen Schritten des Gießprozesses und/oder dem Vorbereitungsschritt des Gießprozesses und/oder dem Nachbereitungsschritt des Gießprozesses somit vereinfacht werden kann. Da der Gießprozess selbst mit Bedingungen verbunden sein kann, die zu den Volumensprüngen führen, wie beispielsweise die Temperaturänderung oder die chemische Reaktion, kann beispielsweise auch der Gießprozess selbst zur Schädigung des Gießkerns genutzt werden. Die Schädigung des Gießkerns kann aber auch getrennt vom Gießprozess durchgeführt werden - beispielsweise in dem Vorbereitungsschritt zum Gießprozess, beispielsweise ein Sinterprozess, und/oder in dem Nachbereitungsschritt des Gießprozesses, beispielsweise einen Prozess der ein Erwärmen und ein Abkühlen nach dem Gießprozess umfasst.
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Das offenbarte Verfahren kann auch einen Verfahrensschritt umfassen, bei dem der Gießkern durch ein erstes mechanisches Anregen zum Kollabieren gebracht wird. Das erste mechanische Anregen kann beispielsweise eine Impulsanregung umfassen, bei der während eines kurzen Zeitintervalls dem Gießkern eine Energie in Form eines Impulses zugeführt wird. Diese zugeführte Energie kann beispielsweise den Gießkern so weit schädigen, dass die Struktur des Gießkerns kollabiert und der Gießkern in mehrere Teile zerfällt. Beispielsweise können diese mehreren Teile so klein sein, dass sie in einem möglichen Verfahrensschritt aus dem Gusskörper entfernt werden können. Andere Anregungsmöglichkeiten können beispielsweise auch eine Rüttelanregung, eine Schwingungsanregung und/oder eine Ultraschallanregung umfassen, bei denen dem Gießkern, der auch bereits geschädigt sein kann, die Energie so zugeführt wird, dass er in mehrere Teile zerfällt.
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Die bereits beschriebene Schädigung des Gießkerns durch die Bildung der Mikrorisse und/oder Risse begünstigt das Kollabieren des Gießkerns bei Energiezufuhr. In bestimmten Ausführungsvarianten des Verfahrens kann es beispielsweise auch vorteilhaft sein, wenn der Gießkern beim ersten mechanischen Anregen mit einer Eigen- bzw. Resonanzfrequenz des Gießkerns und/oder einer Eigen- bzw. Resonanzfrequenz eines oder mehrerer Abschnitte des Gießkerns mechanisch angeregt wird. Dabei ist es denkbar, dass die Frequenz der mechanischen Anregung veränderlich ist und im Verlaufe des Verfahrensschrittes mehrfach verändert wird, beispielsweise bei einer oder mehreren veränderlichen Eigen- bzw. Resonanzfrequenzen des Gießkerns. Veränderliche Eigen- bzw. Resonanzfrequenzen können beispielsweise im Verlauf des Kollabierens des Gießkerns auftreten. Es ist dabei auch denkbar, dass eine Schwingamplitude und/oder eine Schwingfrequenz des Gießkerns messtechnisch erfasst und verarbeitet wird und/oder auch zur Veränderung des ersten mechanischen Anregens verwendet wird. Die messtechnische Erfassung kann beispielsweise mit Hilfe von einem Schwingungssensor, beispielsweise mit einem Beschleunigungssensor, und/oder einem Laser-basierten Messverfahren erfolgen.
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Das offenbarte Verfahren kann auch einen Verfahrensschritt enthalten, bei dem das Entfernen des kollabierten Gießkerns ein zweites mechanisches Anregen umfasst. Das zweite mechanische Anregen, das beispielsweise eine Impulsanregung, eine Rüttelanregung, eine Schüttelanregung, eine Kippanregung, eine Schwingungsanregung oder auch eine Ultraschallanregung umfassen kann, kann den kollabierten Gießkern soweit beschleunigen, dass er, kollabiert in kleine Teile, den Gusskörper verlässt. Dieser Verfahrensschritt kann nach dem Erstarren des Gusswerkstoffes zu dem Gusskörper erfolgen.
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In einem ersten Aspekt kann das offenbarte Verfahren die folgenden zeitlich nacheinander angeordneten Schritte umfassen:
- - Sintern des Gießkerns bei einer Sintertemperatur,
- - Abkühlen des Gießkerns auf eine Raumtemperatur, umfassend einen Temperaturgradienten zwischen 30 K/s und 700 K/s, bevorzugt zwischen 50 K/s und 500 K/s, besonders bevorzugt zwischen 200 K/s und 450 K/s.
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Unter dem Sintern des Gießkerns wird ein Erwärmen des Gießkerns auf eine Temperatur, die Sintertemperatur, verstanden, die unterhalb der Schmelztemperatur der für den Gießkern verwendeten Materialien liegt. Dabei ist es auch möglich, dass ein Druck, der vom Normaldruck abweicht und der beispielsweise oberhalb des Normaldruckes liegen kann, auf den Gießkern ausgeübt wird. In diesem Vorgang kann es zu einem Verdichten und einem Verfestigen des Gießkerns kommen. Mit dem sich anschließenden Abkühlen können durch die Temperatur- und Volumenänderung die mechanischen Spannungen und die dadurch bedingten Mikrorisse und/oder Risse im Gießkern erzeugt werden. Es ist dann möglich, dass das Abkühlen des Gusskörpers so durchgeführt wird, dass zumindest zeitweise ein Temperaturgradient zwischen 30 K/s und 700 K/s, bevorzugt zwischen 50 K/s und 500 K/s, besonders bevorzugt zwischen 200 K/s und 450 K/s auftritt. Dabei beschreibt ein Temperaturgradient eine Temperaturänderung pro Zeiteinheit. Die mit dem Temperaturgradienten einhergehende Temperaturänderung kann dem Erzeugen des Volumensprungs dienen. Dabei ist es denkbar, dass der Volumensprung durch eine Phasentransformation erzeugt wird, wenn beispielsweise die Temperaturänderung einen Temperaturbereich umfasst, in dem zumindest in einem Material des Gießkerns eine Phasentransformation stattfindet.
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Unter Normaldruck wird der Luftdruck verstanden, der typischerweise Werte in einem Intervall zwischen 900 hPa und 1100 hPa aufweist. Eine Raumtemperatur weist typischerweise Werte im Bereich zwischen 10°C und 30°C auf, wobei geringfügige Abweichungen hiervon möglich sind. Diese Angaben für Normaldruck und Raumtemperatur gelten auch für die nachfolgenden Ausführungen.
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In einem zweiten Aspekt kann das offenbarte Verfahren die folgenden zeitlich nacheinander angeordneten Schritte umfassen:
- - Sintern des Gießkerns bei einer Sintertemperatur,
- - Abkühlen des Gießkerns auf eine Raumtemperatur, umfassend einen Temperaturgradienten kleiner als 10 K/min., bevorzugt zwischen 2 K/min. und 5 K/min..
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In diesem zweiten Aspekt ist es möglich, dass der Gießkern nach dem Sintern langsam abgekühlt wird, wodurch zunächst ein Verfestigen des Gießkerns ohne signifikante Mikrorissbildung und/oder Rissbildung erfolgen kann. Es ist in diesem zweiten Aspekt auch möglich, im zweiten Verfahrensschritt zumindest zeitweise einen Temperaturgradienten einen Temperaturgradienten kleiner als 10 K/min., bevorzugt zwischen 2 K/min. und 5 K/min. aufzubringen. Die mit dem Temperaturgradienten einhergehende Temperaturänderung kann dem Erzeugen des Volumensprungs dienen. Dabei ist es denkbar, dass der Volumensprung durch eine Phasentransformation erzeugt wird, wenn beispielsweise die Temperaturänderung einen Temperaturbereich umfasst, in dem zumindest in einem Material des Gießkerns eine Phasentransformation stattfindet.
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In einem dritten Aspekt kann das offenbarte Verfahren die folgenden zeitlich nacheinander angeordneten Schritte umfassen:
- - Erwärmen des Gießkerns (1) auf eine Temperatur unterhalb der Sintertemperatur,
- - Abkühlen des Gießkerns (1) auf die Raumtemperatur, umfassend einen Temperaturgradienten zwischen 30 K/s und 700 K/s, bevorzugt zwischen 50 K/s und 500 K/s, besonders bevorzugt zwischen 200 K/s und 450 K/s.
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Die in diesem dritten Aspekt aufgeführten Schritte, das heißt das Erwärmen und das schnelle Abkühlen, dienen der Mikrorissbildung und Rissbildung. Das Erwärmen des Gießkerns kann hierbei bis zu einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur durchgeführt werden, um eine Sinternebenwirkung, wie beispielsweise Schwund, zu vermindern. Es ist möglich, dass das Abkühlen des Gusskörpers so durchgeführt wird, dass zumindest zeitweise ein Temperaturgradient zwischen 30 K/s und 700 K/s, bevorzugt zwischen 50 K/s und 500 K/s, besonders bevorzugt zwischen 200 K/s und 450 K/s auftritt. Die mit dem Temperaturgradienten einhergehende Temperaturänderung kann dem Erzeugen des Volumensprungs dienen. Dabei ist es denkbar, dass der Volumensprung durch eine Phasentransformation erzeugt wird, wenn beispielsweise die Temperaturänderung einen Temperaturbereich umfasst, in dem zumindest in einem Material des Gießkerns eine Phasentransformation stattfindet.
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In einem vierten Aspekt kann das offenbarte Verfahren die folgenden zeitlich nacheinander angeordneten Schritte umfassen:
- - Sintern des Gießkerns bei der Sintertemperatur,
- - Abkühlen des Gießkerns auf eine Temperatur unterhalb der Sintertemperatur, umfassend einen Temperaturgradienten kleiner als 10 K/min., bevorzugt zwischen 2 K/min. und 5 K/min.,
- - Abkühlen des Gießkerns auf eine Raumtemperatur, umfassend einen Temperaturgradienten zwischen 30 K/s und 700 K/s, bevorzugt zwischen 50 K/s und 500 K/s, besonders bevorzugt zwischen 200 K/s und 450 K/s.
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In diesem vierten Aspekt kann nach dem Sintern zunächst ein langsames Abkühlen des Gießkerns auf eine Temperatur unterhalb der Sintertemperatur, aber oberhalb der Temperatur der Phasentransformation, die beispielsweise für Quarz bei 573°C liegt, erfolgen. Es ist dann möglich, dass das weitere Abkühlen des Gusskörpers auf die Raumtemperatur, beispielsweise 20°C, so durchgeführt wird, dass ein Temperaturgradient zwischen 30 K/s und 700 K/s, bevorzugt zwischen 50 K/s und 500 K/s, besonders bevorzugt zwischen 200 K/s und 450 K/s auftritt. Es kann sein, dass dieser Temperaturgradient nur zeitweise in diesem Abkühlungsprozess auftritt. Die mit dem Temperaturgradienten einhergehende Temperaturänderung kann dem Erzeugen des Volumensprungs dienen. Dabei ist es denkbar, dass der Volumensprung durch eine Phasentransformation erzeugt wird, wenn beispielsweise die Temperaturänderung einen Temperaturbereich umfasst, in dem zumindest in einem Material des Gießkerns eine Phasentransformation stattfindet.
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Einer Fachperson ist klar, dass die in den Aspekten eins bis vier offenbarten Schrittfolgen in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können. Es ist beispielsweise auch möglich, dass die Schrittfolgen eines oder mehrerer Aspekte wiederholt durchgeführt werden.
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In einem fünften Aspekt kann das offenbarte Verfahren die folgenden zeitlich nacheinander angeordneten Schritte umfassen:
- - Anordnen des Gießkerns in der Gießform,
- - Umgießen des Gießkerns mit dem flüssigen Gusswerkstoff,
- - Abkühlen des Gusskörpers mit Gießkern, umfassend einen Temperaturgradienten zwischen 30 K/s und 700 K/s, bevorzugt zwischen 50 K/s und 500 K/s, besonders bevorzugt zwischen 200 K/s und 450 K/s.
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In diesem fünften Aspekt kann der Gießkern in der Gießform angeordnet und im Weiteren mit dem flüssigen Gusswerkstoff umgossen werden. Das Umgießen bedeutet, dass im Ergebnis des Umgießens der Gusswerkstoff einen oder mehrere Abschnitte des Gießkerns und/oder auch den gesamten Gießkern umgibt. Da der Gusswerkstoff flüssig ist, besitzt er eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur. Dies ermöglicht beispielsweise auch einen Wärmeübergang vom Gusswerkstoff zum Gießkern und eine damit verbundene Temperaturänderung. Durch das Umgießen des Gießkerns mit dem Gusswerkstoff erwärmt sich der Gießkern auf eine Temperatur im Bereich oder gleich der Temperatur des Gusswerkstoffes. Es ist dann möglich, dass das Abkühlen des Gusskörpers mit dem Gießkern so durchgeführt wird, dass zumindest zeitweise ein Temperaturgradient zwischen 30 K/s und 700 K/s, bevorzugt zwischen 50 K/s und 500 K/s, besonders bevorzugt zwischen 200 K/s und 450 K/s auftritt. Die mit dem Temperaturgradienten einhergehende Temperaturänderung kann dem Erzeugen des Volumensprungs dienen. Dabei ist es denkbar, dass der Volumensprung durch eine Phasentransformation erzeugt wird, wenn beispielsweise die Temperaturänderung einen Temperaturbereich umfasst, in dem zumindest in einem Material des Gießkerns eine Phasentransformation stattfindet.
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In einem sechsten Aspekt kann das offenbarte Verfahren die folgenden zeitlich nacheinander angeordneten Schritte umfassen:
- - Anordnen des Gießkerns in der Gießform,
- - Umgießen des Gießkerns mit dem flüssigen Gusswerkstoff,
- - Abkühlen des Gusskörpers mit Gießkern auf eine Raumtemperatur, umfassend einen Temperaturgradienten kleiner als 10K/min., bevorzugt zwischen 2 K/min. und 5 K/min..
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In diesem sechsten Aspekt kann der Gießkern in der Gießform angeordnet und im Weiteren mit dem flüssigen Gusswerkstoff umgossen werden. Dies bedeutet, dass im Ergebnis dieses Verfahrensschrittes der Gusswerkstoff einen oder mehrere Abschnitte des Gießkerns und/oder auch den gesamten Gießkern umgibt. Umgießen bedeutet, dass im Ergebnis des Umgießens der Gusswerkstoff einen oder mehrere Abschnitte des Gießkerns und/oder auch den gesamten Gießkern umgibt. Da der Gusswerkstoff flüssig ist, besitzt er eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur. Dies ermöglicht beispielsweise auch einen Wärmeübergang vom Gusswerkstoff zum Gießkern und eine damit verbundene Temperaturänderung. Durch Umgießen des Gießkerns mit dem Gusswerkstoff erwärmt sich der Gießkern auf eine Temperatur im Bereich oder gleich der Temperatur des Gusswerkstoffes. Der Gusskörper mit Gießkern kann dann auf die Raumtemperatur abgekühlt werden, beispielsweise relativ langsam mit einem Temperaturgradienten kleiner als 10K/min., bevorzugt zwischen 2 K/min. und 5 K/min.. Die mit dem Temperaturgradienten einhergehende Temperaturänderung kann dem Erzeugen des Volumensprungs dienen. Dabei ist es denkbar, dass der Volumensprung durch eine Phasentransformation erzeugt wird, wenn beispielsweise die Temperaturänderung einen Temperaturbereich umfasst, in dem zumindest in einem Material des Gießkerns eine Phasentransformation stattfindet.
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In einem siebenten Aspekt kann das offenbarte Verfahren die folgenden zeitlich nacheinander angeordneten Schritte umfassen:
- - Erwärmen des Gusskörpers mit Gießkern auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Gusswerkstoffs und, bevorzugt, Halten der Temperatur für eine Integration eines Wärmebehandlungsprozesses,
- - Abkühlen des Gusskörpers mit Gießkern auf die Raumtemperatur, umfassend einen Temperaturgradienten zwischen 30 K/s und 700 K/s, bevorzugt zwischen 50 K/s und 500 K/s, besonders bevorzugt zwischen 200 K/s und 450 K/s.
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In diesem siebenten Aspekt kann der erstarrte Gusskörper mit Gießkern auf eine Temperatur unterhalb einer der Fachperson bekannten Solidustemperatur des Gusswerkstoffs erwärmt werden. Bevorzugt kann dieser Schritt in einen Wärmebehandlungsprozess integriert werden, in welchem üblicherweise ein Gefüge des Gusswerkstoffs eingestellt wird. Es ist dann möglich, dass das Abkühlen des Gusskörpers so durchgeführt wird, dass zumindest zeitweise ein Temperaturgradient zwischen 30 K/s und 700 K/s, bevorzugt zwischen 50 K/s und 500 K/s, besonders bevorzugt zwischen 200 K/s und 450 K/s auftritt. Die mit dem Temperaturgradienten einhergehende Temperaturänderung kann dem Erzeugen des Volumensprungs dienen. Dabei ist es denkbar, dass der Volumensprung durch eine Phasentransformation erzeugt wird, wenn beispielsweise die Temperaturänderung einen Temperaturbereich umfasst, in dem zumindest in einem Material des Gießkerns eine Phasentransformation stattfindet.
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Einer Fachperson ist klar, dass die im siebenten Aspekt offenbarte Schrittfolge mit den im fünften Aspekt oder den im sechsten Aspekt offenbarten Schrittfolgen kombiniert werden kann. Es ist dabei auch klar, dass die in den Aspekten eins bis vier offenbarten Schrittfolgen und/oder auch deren Kombination mit einer oder mehreren der in den Aspekten fünf bis sieben offenbarten Schrittfolgen kombinierbar sind.
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In dem offenbarten Verfahren ist es möglich, dass eines der zum Formen des Gießkerns verwendeten Materialien Quarz umfasst. Es ist auch möglich, dass der flüssige Gusswerkstoff eine Temperatur aufweist, die den Gießkern auf eine Temperatur größer als 573°C erwärmt.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist es auch denkbar, dass zumindest ein Material zum Formen des Gießkerns mindestens eine der Phasentransformationen zwischen 550°C und 600 °C, besonders bevorzugt zwischen 570°C und 580°C aufweist. Quarz, das eine Phasentransformation bei 573°C aufweisen kann, kann sich in diesem Fall als geeignet erweisen.
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Es ist im Rahmen des offenbarten Verfahrens denkbar, dass der in der Gießform angeordnete Gießkern Quarz umfasst. Das bedeutet, dass zumindest eines der Materialien, aus denen der Gießkern aufgebaut ist, Quarz enthalten kann, beispielsweise in Form von Quarzpartikeln. Der Vorteil von Quarzpartikeln besteht beispielsweise auch darin, dass aufgrund der ungerichteten Anordnung der Mehrzahl der Quarzpartikel ein Gießkern mit isotropen oder zumindest abschnittsweise isotropen Eigenschaften, insbesondere dem isotropen Dehnungsverhalten, oder isotropen Eigenschaften in einem oder mehreren Abschnitten erzeugt werden kann. Beispielsweise kann Quarz verwendet werden, der einen Verdichtungsgrad 40 % - 100 % einer theoretischen Dichte, bevorzugt in einem Bereich von 45 % - 65 % der theoretischen Dichte, besonders bevorzugt im Bereich 50 % - 60 % der theoretischen Dichte, eine Median-Partikelgröße (d50-Wert) im Bereich von 1 - 50 µm aufweist, besonders bevorzugt im Bereich von 2 - 5 µm und eine Materialreinheit im Bereich von 90 % - 99 % aufweist, besonders bevorzugt im Bereich von 96 % - 98 %. Die theoretische Dichte ist eine der Fachperson bekannte Größe, die die maximal mögliche, bei maximal enger Packung der Teilchen des Stoffes erreichbare Dichte beschreibt. Die Materialreinheit ist darüber hinaus eine der Fachperson bekannte Größe, die in einer Materialprobe den Massenanteil eines Stoffes in Prozent an der Gesamtmasse der Materialprobe angibt.
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Besitzt der flüssige Gusswerkstoff beim Umgießen des Gießkerns eine Temperatur oberhalb von 573°C, dann kann der Gießkern durch den flüssigen Gusswerkstoff auf eine Temperatur erwärmt werden, die oberhalb der Phasentransformationstemperatur von Quarz liegt. Bei dem Erwärmen durch den flüssigen Gusswerkstoff sowie dem darauffolgenden Abkühlen des Gießkerns findet ein Passieren der Phasentransformationstemperatur von Quarz statt und somit ein durch die Phasentransformation von Quarz bedingter Volumensprung. Umgießen bedeutet auch hier, dass im Ergebnis des Umgießens der Gusswerkstoff einen oder mehrere Abschnitte des Gießkerns und/oder auch den gesamten Gießkern umgibt. Dies ermöglicht beispielsweise auch einen Wärmeübergang vom Gusswerkstoff zum Gießkern und eine damit verbundene Temperaturänderung.
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Offenbart wird auch ein Gießkern zur Verwendung in dem offenbarten Verfahren. Dabei kann der Gießkern eine abschnittsweise Anordnung eines oder mehrerer zum Formen des Gießkerns verwendeter Materialien aufweisen, wobei in mindestens einem der zum Formen des Gießkerns verwendeten Materialien mindestens ein Volumensprung durch eine Temperaturänderung erzeugbar ist. Dabei ist es auch möglich, dass der mindestens eine Volumensprung ausgebildet ist, mit mindestens einer Phasentransformation verbunden zu sein.
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Es ist darüber hinaus auch möglich, dass mindestens eines der zum Formen des Gießkerns verwendeten Materialien Quarz umfasst. Bei Quarz kann es sich beispielsweise auch um Quarzpartikel handeln. Der Vorteil von Quarzpartikeln besteht beispielsweise auch darin, dass aufgrund der ungerichteten und/oder zufälligen Anordnung einer Vielzahl der Quarzpartikel ein Gießkern mit isotropen oder zumindest abschnittsweise isotropen Eigenschaften, beispielsweise isotropem Dehnungsverhalten, oder isotropen Eigenschaften in einem oder mehreren Abschnitten erzeugt werden kann.
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Es ist ferner möglich, dass mindestens eines der zum Formen des Gießkerns verwendeten Materialien Quarz mit einem Verdichtungsgrad von 40 % - 100 %, bevorzugt von 45 % bis 65 % einer theoretischen Dichte, besonders bevorzugt im Bereich 50 % bis 60 % der theoretischen Dichte, einer Median-Partikelgröße (d50-Wert) im Bereich von 1 µm bis 50 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 2 µm bis 5 µm und einer Materialreinheit im Bereich von 90 bis 99 %, besonders bevorzugt im Bereich von 96 % bis 98 %, umfasst.
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Es ist schließlich auch möglich, dass der Gießkern eine oder mehrere Rissinitiierungsstellen aufweist. Unter einer Rissinitiierungsstelle wird ein Abschnitt verstanden, in dem eine Materialstruktur des Gießkerns gezielt punktuell geschwächt und eine lokale Spannungsüberhöhung begünstigt wird, beispielsweise durch eine Kerbe, so dass die ein oder mehreren Materialien des Gießkerns den mit den Volumensprüngen einhergehenden mechanischen Spannungen in genau diesem Abschnitt nur in geringerem Maße als die ein oder mehreren Materialen in einem anderen der Abschnitte des Gießkerns standhalten und bevorzugt in diesem Abschnitt durch die mechanische Spannungen geschädigt werden können. Die geschädigten Abschnitte können weitere Mikrorisse und/oder Risse in den ein oder mehreren Materialen des Gießkerns bewirken, insbesondere bei weiterem Auftreten der mechanischen Spannungen, so dass sich das Kollabieren des Gießkerns ausgehend von den Rissinitiierungsstellen vollziehen kann.
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In bestimmten Ausführungsformen ist es möglich, dass mindestens eines der zum Formen des Gießkerns verwendeten Materialien mindestens eine als Sinterhilfsmittel wirkende Komponente enthält. Diese kann geeignet sein, den Verlauf des Sintervorgangs, insbesondere den Ablauf einer chemischen Reaktionen und/oder eines Umwandlungsprozesses bezüglich einer Zeitdauer, eines Energiebedarfs, einer Temperatur sowie einer oder mehrerer physikalischer Eigenschaften des gesinterten Gießkerns, insbesondere einer Neigung zur Rissbildung und dessen Festigkeit zu beeinflussen. Durch eine Beimengung des Sinterhilfsmittels zu mindestens einem der zum Formen des Gießkerns verwendeten Materialien kann sich beispielsweise bei bestimmten, von einem Stoffsystem abhängigen Temperaturen eine Schmelzphase bilden, welche eine bessere Verbindung zwischen mehreren Partikeln der zum Formen des Gießkerns verwendeten Materialien bewirken kann und die beispielsweise entweder chemisch abreagiert oder nach dem Abkühlen nach dem Sinterprozess erstarrt. Somit können ein höherer Verdichtungsgrad und eine erhöhte mechanische Stabilität entstehen. Dies kann genutzt werden, um beispielsweise grobe, sinterträge Pulver, beispielsweise Quarzpulver, zu verarbeiten und/oder die mechanische Stabilität des Gießkerns bei einem gegebenem Temperaturprogramm zur Sinterung einzustellen.
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Eine als Sinterhilfsmittel wirkende Komponente kann beispielsweise einen oder mehrere der nachfolgenden Stoffe umfassen: Spodumen, Eurkyptit, Feldspat, Leucit, Mullit, Cordierit, Enstatit, Forsterit, Periklas, Spinell, Anorthit, Melitit, Merwinit, Anorthit, Gehlenit, Wollastonit, Pseudowollastonit, Kaolin, Natrolith, Mesolith, Andalusit, Schamotte. Der prozentuale Massenanteil eines oder mehrerer dieser Stoffe an den zum Formen des Gießkerns verwendeten Materialien kann zwischen 0,01 und 25 Prozent, bevorzugt zwischen 0,5 und 10 Prozent, besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 Prozent liegen. Die Korngrößen dieser Stoffe können bevorzugt unter derjenigen des Gießkernmaterials mit dem größten Massenanteil (beispielsweise des Quarzes), der sogenannten Hauptphase liegen, bevorzugt um den Faktor 2 bis 4, besonders bevorzugt um den Faktor 5 bis 10 kleiner als im Falle der Hauptphase.
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Es ist in bestimmten Ausführungsformen auch möglich, dass mindestens eines der zum Formen des Gießkerns verwendeten Materialien mindestens einen der nachfolgenden Stoffe umfasst: unstabilisiertes Zirkonoxid, Enstatit, Calciumsilikat, Schamotte, Zirkonsand, Olivin, Mullit, Schmelzmullit, Korund, Chromerzsand, Magnetit, Fused Silica, Cerabeads, Andalusit, Bauxit, Feldspat. Diese Stoffe können eine Phasentransformation aufweisen und beim Durchlaufen bestimmter Temperaturbereiche, also bei Erhitzen oder Abkühlen, einen Volumensprung aufweisen. Diese Materialien sind Stoffsysteme, welche eine temperaturabhängige Phasenumwandlung vollziehen können, die mit Volumensprung behaftet ist. Sie können unter gewissen Umständen sowohl als Beimengung, als auch als Hauptphase genutzt werden, um durch Überschreiten eines gewissen Temperaurbereiches, in welchem die Phasenumwandlung stattfindet, Spannungen und Risse und/oder Mikrorisse im Gefüge des Gießkernes zu erzeugen, welche eine einfachere mechanische Entfernung des Gießkerns, beispielsweise durch das zweite mechanische Anregen, ermöglichen.
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Es ist auch möglich, dass mindestens eines der zum Formen des Gießkerns verwendeten Materialien mindestens ein Metall, ein Halbmetall oder deren korrespondierende Oxide und Nitride umfasst. So können die zum Formen des Gießkerns verwendeten Materialien zum Beispiel die nachfolgenden Elemente und/oder ein Oxid und/oder Nitrid der nachfolgenden Elemente umfassen: Aluminium, Zirconium, Nickel, Titan, Chrom, Silizium, Tantal, Niob. Die genannten Elemente können beispielsweise mit Sauerstoff oder Stickstoff im Rahmen einer Oxidationsreaktion reagieren, wobei mindestens ein Reaktionsprodukt ein anderes Volumen als das jeweilige genannte Element einnimmt. Ebenso ist es möglich, dass Oxide oder Nitride der genannten Elemente im Rahmen einer Reduktionsreaktion Sauerstoff oder Stickstoff abgeben, wobei mindestens ein Reaktionsprodukt ein anderes Volumen als das ursprüngliche Oxid oder Nitrid einnimmt. Die jeweilige Volumenänderung kann Spannungen und Risse im Gießkern erzeugen, welche eine einfachere mechanische Entfernung des Gießkerns, beispielsweise durch das zweite mechanische Anregen, ermöglichen.
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Im Folgenden werden anhand von Figuren Ausführungsbeispiele gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
- 1: einen Ausschnitt eines Gusskörpers 11 mit Gießkern 1, welcher die Kontur einer Kühlwendel in ebendiesem Gusskörper 11 abbildet, in einer Querschnittsdarstellung;
- 2: einen Ausschnitt einer möglichen Ausführung eines Gießkerns 1 in einem Umlenkbereich 20 in einer Querschnittsdarstellung, mit Hohlstruktur und innenliegenden Rissinitiierungsstellen 23;
- 3: einen Ausschnitt einer möglichen Ausführung des Gießkerns 1 in einem Längsbereich 21 mit Hohlstruktur, wendelförmiger Kerbe 24a und wendelförmigen Anhäufungen 26a von Gießkernmaterial 1a in einer teilweisen Querschnittsdarstellung;
- 4: einen Ausschnitt einer möglichen Ausführung des Gießkerns1 in dem Längsbereich 21 mit Materialanhäufungen 26 in einer Querschnittsdarstellung;
- 5a: einen Ausschnitt des Gießkerns 1 in dem Längsbereich 21 mit gerichteten Kerben 30 in einer Querschnittsdarstellung und
- 5b: die gerichtete Kerbe 30.
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Grundsätzlich können alle in den Figuren gezeigten Merkmale miteinander kombiniert werden, so dass die jeweilige Auswahl von gezeigten Merkmalen keine Einschränkung der möglichen Ausführungsformen bedeutet.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Gusskörpers 11 mit einem Ausschnitt aus einem Gießkern 1 in einer Querschnittsdarstellung. Der Gießkern 1 bildet eine spätere Innenkontur des Gusskörpers 11 ab, welche beispielsweise eine in den Gusskörper 11 integrierte Kühlstruktur darstellen kann. Die integrierte Kühlstruktur ermöglicht eine Wärmeableitung innerhalb des Gusskörpers 11, wobei über die Integration ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist, da keine weiteren Strukturen mit weiteren, gegebenenfalls unterschiedlichen Wärmeübergängen enthalten sind. So kann eine höhere Kühlleistung erreicht werden. Konventionell muss die Kühlstruktur zum Teil in einem weiteren materialabtragenden Prozessschritt eingebracht werden. Hier kann von Nachteil sein, dass eine durch eine Werkzeuggeometrie (beispielsweise eines Bohrers) erzeugte Geometrie der Kühlstruktur in einer Gestaltung eingeschränkt ist. Die Kühlleistung kann daher nicht immer lokal an einem gewünschten Ort einer benötigten Wärmeabfuhr wirken. Resultat ist eine eingeschränkte Effizienz der Kühlung. Die in den Gusskörper 11 integrierte Kühlstruktur ermöglicht damit eine höhere Effizienz, so dass der jeweilige Gusskörper 11 für einen effizienteren Einsatz, der mit der erreichten Kühlleistung einhergeht, ausgelegt werden kann (beispielsweise ein Gehäuse eines Elektromotors, eine konturnahe Kühlung in einem Werkzeug, eine Dauerform für einen Druckguss-/Kokillenguss, eine Warmumformung). Die Kühlstruktur wird in einer Vielzahl von Anwendungen metallischer Gusskörper 11 benötigt. Beispielsweise werden solche Gusskörper 11 häufig in Legierungen auf Eisen- oder Aluminiumbasis (Stahl, Gusseisen, AISi-Legierungen) ausgeführt. Ein Wärmetransport erfolgt von einem Entstehungsort, welcher in der Regel in der Nähe einer Außenkontur des Gusskörpers 11 ist, über den Gusskörper 11 in einen medienführenden Kühlkanal.
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Der Gießkern 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einem inneren Bereich des Gusskörpers 11 angeordnet. Eine Anordnung des Gießkerns 1 in einem anderen Bereich des Gusskörpers 11 ist jedoch auch möglich. 1 zeigt desweiteren einen Umlenkbereich 20 des Gießkerns 1 sowie einen geraden Längsbereich 21 des Gießkerns 1, der beispielsweise zu einer Dehnung und einer Kontraktion des Gießkerns 1 dienen kann. Ein zum Formen des Gießkerns 1 verwendete Material 1a, kurz Gießkernmaterial 1a, kann sich von einem zum Formen des Gusskörpers 11 verwendeten Material, kurz Gusswerkstoff 10, unterscheiden. Das Gießkernmaterial 1a kann sich vom Gusswerkstoff 10 durch beispielsweise eine andere, beispielsweise höhere, Wärmeleitfähigkeit und/oder einen anderen, beispielsweise höheren, Wärmedehnungskoeffizienten unterscheiden. Beispielsweise kann das Gießkernmaterial 1a eine Keramik, ein Quarz, ein Metall oder eine Legierung umfassen.
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Wird eine Temperatur des Gießkerns 1 gemäß dem offenbarten Verfahren erhöht, so wird die absolute Dehnung des Längsbereiches 21 des Gießkerns 1 in eine erste Richtung 12 größer sein als in eine zweite Richtung 13. Dementsprechend wird nach dem Erstarren in den Umlenkbereichen 20 eine mechanische Spannung in dem umliegenden Gusswerkstoff 10, der die Ausdehnung des Gießkerns 1 behindert, und im Gießkern 1 selbst aufgebaut. Es kann dabei ortsabhängig zu der mechanischen Spannung, beispielsweise einer Zug- und/oder einer Druckspannung, kommen und die mechanische Spannung kann zu einer Schädigung des Gießkernmaterials 1a führen, beispielsweise zur Bildung von Mikrorissen und/oder Rissen.
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Wird die Temperatur des Gießkerns 1 gemäß dem offenbarten Verfahren gesenkt, so wird eine absolute Kontraktion des Längsbereiches 21 des Gießkerns 1 in die erste Richtung 12 größer sein als in die zweite Richtung 13. Die Umlenkbereiche 20 des Gießkerns 1 bewirken, wenn der Gusswerkstoff 10 erstarrt ist, eine Fixierung des Gießkerns 1 im umliegenden Gusswerkstoff 10, so dass die Kontraktion des Gießkerns 1 durch den Gusswerkstoff 10 behindert wird. Dementsprechend wird in den Umlenkbereichen 20 eine mechanische Spannung in dem umliegenden Gusswerkstoff 10, der die Kontraktion des Gießkerns 1 behindert, und im Gießkern 1 selbst aufgebaut. Es kann dabei ortsabhängig zu den mechanischen Zug- und zu Druckspannungen kommen und die mechanische Spannung kann zu einer Schädigung des Gießkernmaterials 1a führen, beispielsweise zur Bildung von Mikrorissen und/oder Rissen. Insbesondere bei einem hohen Temperaturgradienten kann es zu einer Volumenänderung kommen, der mit sehr hohen mechanischen Spannungen verknüpft sein kann und geeignet sein kann, das Gießkernmaterial 1a zu schädigen. Es kann dabei auch ein Volumensprung auftreten, der mit sehr hohen mechanischen Spannungen verknüpft sein kann und geeignet sein kann, das Gießkernmaterial 1a zu schädigen. Der Volumensprung kann beispielsweise auch mit einer Phasentransformation verbunden sein.
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Obwohl der in 1 dargestellte Gießkern 1 als Hohlkern ausgeführt ist, also selbst eine Struktur mit einem oder mehreren Hohlräumen aufweist, kann der Gießkern 1 in anderen Ausführungsformen auch als Vollkern, also ohne einen Hohlraum ausgeführt sein oder beliebige Innenstrukturen wie Materialanhäufungen oder Kerben aufweisen.
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2 zeigt einen Ausschnitt des Umlenkbereiches 20 des Gießkerns 1 in einer Querschnittsdarstellung. Gezeigt werden sowohl eine scharfe Kerbe 23, wobei auch mehrere scharfe Kerben 23 denkbar sind, als auch eine Mehrzahl von milden Kerben 24, wobei auch nur eine milde Kerbe 24 denkbar ist und wobei die scharfe Kerbe 23 in der Querschnittsdarstellung einen in das Gießkernmaterial 1a zeigenden spitzen Winkel aufweist, beispielsweise einen Winkel, der kleiner ist als 90°, während die milde Kerbe 24 in der Querschnittsdarstellung einen in das Gießkernmaterial 1a zeigenden weniger spitzen Winkel als der spitze Winkel der scharfen Kerbe aufweist, beispielsweise einen Winkel, der größer ist als 90°. Wenn im Umlenkbereich während der verfahrensgemäßen Temperaturänderung mechanische Spannungen im Gießkernmaterial 1a erzeugt werden, dann kann es beispielsweise sein, dass die scharfe Kerbe 23 die Funktionalität einer Rissinitiierungsstelle übernimmt. Das heißt, dass es bevorzugt im Bereich der scharfen Kerbe 23 zu einer Schädigung, die ein Kollabieren des Gießkernmaterials 1a durch Bildung von Mikrorissen und/oder Rissen begünstigt, kommen kann.
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Die milden Kerben 24 und/oder die scharfen Kerben 23 können beispielsweise miteinander in Verbindung stehen. Zum Beispiel können sie als eine oder mehrere um eine innere Mantelfläche 28 (siehe 3) des Gießkerns 1 umlaufende Kerben 24a (siehe 3) ausgebildet sein. Damit ist es möglich, dass im Bereich der milden Kerben 24 und/oder der scharfen Kerben 23 oder beispielsweise auch der umlaufenden Kerbe 24a bevorzugt eine Schädigung, die ein Kollabieren des Gießkernmaterials 1a begünstigt, auftreten kann. Wenn beispielsweise eine Schädigung im Bereich der Rissinitiierungsstelle, das heißt der scharfen Kerbe 23, auftritt, kann die Schädigung durch die milden Kerben 24 und/oder die scharfen Kerben 23 und/oder auch die umlaufende Kerbe 24a in das Gießkernmaterial 1a weitergeleitet werden. Auf diese Weise können ein oder mehrere Abschnitte des Gießkerns 1 bis hin zum gesamten Gießkern 1 so geschädigt werden, dass es zum Kollabieren des Gießkerns 1, beispielsweise verbunden mit der Bildung von Mikrorissen und/oder Rissen, kommen kann.
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3 zeigt einen Ausschnitt des Gießkerns 1 im Längsbereich 21. Dargestellt wird dabei ein Längsquerschnitt eines hohlen Gießkerns 1, wobei ein äußeres Rohr 29a durch das Gießkernmaterial 1a gebildet wird. Das äußere Rohr 29a besitzt die innere Mantelfläche 28. Die innere Mantelfläche 28 weist milde Kerben 24 auf, scharfe Kerben 23 sind auch denkbar, die als wendelförmig umlaufende Kerben 24a ausgebildet sein können. Ebenfalls an der inneren Mantelfläche 28 angeordnet sind Anhäufungen 26 von Gießkernmaterial 1a, die ebenfalls wendelförmig umlaufen können. Sowohl die milden Kerben 24 und wendelförmig umlaufenden Kerben 24a als auch die Anhäufungen 26 und wendelförmig umlaufenden Anhäufungen 26a von Gießkernmaterial 1a können auch auf eine andere Weise angeordnet sein, beispielsweise ringförmig umlaufend oder auch nicht umlaufend oder beispielsweise auch punktuell. Sowohl die milden Kerben 24 oder die nicht dargestellten scharfen Kerben 23 und wendelförmig umlaufenden Kerben 24a als auch die Anhäufungen 26 und wendelförmig umlaufenden Anhäufungen 26a von Gießkernmaterial 1a können eine alternative Geometrie im Querschnitt aufweisen, beispielsweise sind jede Art von Polygonzug oder Spline möglich.
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Anhäufungen 26 von Gießkernmaterial 1a können mit dem als äußeres Rohr 29a angeordneten Gießkernmaterial 1a integral verbunden oder auch unverbunden angeordnet sein. Wird der Gießkern 1 verfahrensgemäß durch Umgießen mit Schmelze, das heißt flüssigem bzw. geschmolzenem Gusswerkstoff 10, erwärmt, tritt zunächst keine Dehnungsbehinderung auf und der Gießkern 1 kann sich entsprechend der Temperaturerhöhung in seinen Dimensionen ausdehnen. Dabei kann es bereits bei der Ausdehnung aufgrund des nur abschnittsweise homogenen Aufbaus des Gießkerns 1 zu mechanischen Spannungen im Gießkern 1 und zur Bildung von Mikrorissen und/oder Rissen kommen. Erfolgt nun ein verfahrensgemäßes Abkühlen, kann sich das als äußeres Rohr 29a angeordnete Gießkernmaterial 1a beispielsweise schneller abkühlen, da es weniger thermisch träges Material aufweist als eine der Anhäufungen 26 von Gießkernmaterial 1a. Die schnellere Abkühlung des als äußeres Rohr 29a angeordneten Gießkernmaterials 1a führt zu einer Kontraktion des äußeren Rohrs 29a, die durch das Gießkernmaterial 1a der Anhäufungen 26 behindert wird. Damit treten, insbesondere bei einem temperaturbedingten Volumensprung mechanische Spannungen auf, die zur einer Schädigung des Gießkerns 1, die ein Kollabieren durch Bildung von Mikrorissen und/oder Rissen begünstigen kann, führen können. Die Schädigung setzt dabei bevorzugt im Bereich von Kerben ein, die beispielsweise bei einem Übergang von der Anhäufung 26 zur inneren Mantelfläche 28 auf natürliche Weise entstehen oder beispielsweise im Bereich der milden Kerben 24 ein. Die Schädigung kann beispielsweise auch durch die wendelförmig umlaufenden Kerben 24a weitergeführt werden. Eine weitere Behinderung kann durch die in 1 gezeigte und oben erläuterte Behinderung im Bereich der Umlenkbereiche 20 entstehen. Durch die Behinderung können mechanische Spannungen entstehen, die zum Kollabieren des Gießkerns 1 durch Bildung von Mikrorissen und/oder Rissen in einem oder mehreren Abschnitten führen können.
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4 zeigt einen zu 3 ähnlichen, jedoch in dieser Darstellung vereinfachten Aufbau des Gießkerns 1. Insbesondere ist der Längsbereich 21 gezeigt. Der thermisch trägere Rohrkern 29, welcher über beliebig gestaltete Anhäufungen 26 von Gießkernmaterial 1a, die beispielsweise die Form von Verbindungsstreben aufweisen können, mit dem äußeren Rohr 29a verbunden ist, führt bei dem verfahrensgemäßen Abkühlen zu einer Behinderung der Kontraktion beispielsweise im äußeren Rohr 29a. Die Behinderung kommt zustande, da aufgrund einer endlich schnellen Temperaturausbreitung im Gießkern 1 das Gießkernmaterial 1a des äußeren Rohrs 29a zeitiger kontrahiert als das Gießkernmaterial 1a in den Anhäufungen 26 und dem Rohrkern 29. Eine weitere Behinderung kann durch die in 1 gezeigte und oben erläuterte Behinderung im Bereich der Umlenkbereiche 20 entstehen. Durch die Behinderung können mechanische Spannungen entstehen, die zum Kollabieren des Gießkerns 1 durch Bildung von Mikrorissen und/oder Rissen in einem oder mehreren Abschnitten führen können.
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5a zeigt einen Ausschnitt des Gießkerns 1 mit gerichteten Kerben 30, die im Gießkernmaterial 1a angeordnet sind, wobei das Gießkernmaterial 1a als äußeres Rohr 29a angeordnet ist. Insbesondere ist der Längsbereich 21 gezeigt. Darüber hinaus ist eine dritte Richtung 14 und eine entgegengesetzt zur dritten Richtung orientierte vierte Richtung 15 dargestellt, die jeweils parallel zum äußeren Rohr 29a orientiert sind. Es ist beispielsweise möglich, dass die dritte Richtung 14 mit der ersten Richtung 12 in 1 übereinstimmt. Bezüglich einer mittig angeordneten Referenzlinie 16, die orthogonal zu der dritten Richtung 14 und zu der vierten Richtung 15 ausgerichtet ist, ist es möglich, dass bei Erwärmen des Gießkerns 1 der in 5a links der Referenzlinie 16 dargestellte Teil des Gießkerns 1 sich in die dritte Richtung 14 ausdehnt während der rechts der Referenzlinie 16 dargestellte Teil des Gießkerns 1 sich in die vierte Richtung 15 ausdehnt. Dabei ist die Spitze der gerichteten Kerbe 30, die in 5b dem scharfen Kerbquerschnitt 32 entsprechen kann, ausgerichtet nach einer zu erwartenden mechanischen Spannung im Gießkern 1. Das heißt, während dem verfahrensgemäßen Erwärmen und der entsprechenden Ausdehnung des Gießkerns 1 liegt der runde Kerbquerschnitt 31 der gerichteten Kerbe 30 im Bereich einer erhöhten mechanischen Spannung, die Werte bis hin zu einem versagenskritischen Bereich annehmen kann, in dem der Gießkern 1 in einem oder mehreren Abschnitten kollabieren kann, beispielsweise durch Bildung von Mikrorissen und/oder Rissen.
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Bezüglich der mittig angeordneten Referenzlinie 16 ist es möglich, dass bei Abkühlen der in 5a links der Referenzlinie 16 dargestellte Teil des Gießkerns 1 sich entgegen der dritten Richtung 14 kontrahiert während der rechts der Referenzlinie 16 dargestellte Teil des Gießkerns 1 sich entgegen der vierten Richtung 15 kontrahiert. Dabei ist die Spitze der gerichteten Kerbe 30, die in 5b dem scharfen Kerbquerschnitt 32 entspricht, ausgerichtet nach der zu erwartenden mechanischen Spannung im Gießkern 1. Während dem verfahrensgemäßen Abkühlen und der entsprechenden Kontraktion liegt der scharfe Kerbquerschnitt 32 der gerichteten Kerbe 30 im Bereich einer erhöhten mechanischen Spannung, die Werte bis hin zu einem versagenskritischen Bereich annehmen kann, in dem der Gießkern 1 in einem oder mehreren Abschnitten kollabieren kann, beispielsweise durch Bildung von Mikrorissen und/oder Rissen.
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Der zugrunde liegende Schädigungsmechanismus ist hier wie folgt: Bei Erwärmen des als äußeres Rohrs 29a ausgebildeten Gießkerns 1 erfolgt eine Ausdehnung vorrangig in Richtung der dritten Richtung 14 und vierten Richtung 15, beispielsweise bei Umgießen des Gießkerns 1 mit flüssigem Gusswerkstoff 10. Die Dehnung des Gießkerns 1 wird, da sich der Gusswerkstoff 10 zum Zeitpunkt des Umgießens im flüssigen Zustand befindet, nicht behindert. Erstarrt der umliegende Gusswerkstoff 10 während des verfahrensgemäßen Abkühlens, ist der Gießkern 1 in dem jeweiligen, zum Zeitpunkt des Erstarrens des Gusswerkstoffes 10 vorliegenden Dehnungszustand eingeschlossen. Bei dem Abkühlen des Gusswerkstoffes 10 erfolgt auch ein Abkühlen des Gießkerns 1, verknüpft mit einer Kontraktion des Gießkerns 1. Die Kontraktion wird nun jedoch durch den erstarrten Gusswerkstoff 10 behindert. Die dabei entstehenden mechanischen Spannungen konzentrieren sich dann auf den scharfen Kerbbereich 32 der gerichteten Kerbe 30.
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5b zeigt die gerichtete Kerbe 30 aus 5a, insbesondere den runden Kerbquerschnitt 31 und den scharfen Kerbquerschnitt 32. Die Funktion dieser gerichteten Kerben ist bereits oben im Rahmen der Beschreibung von 5a dargestellt worden.
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Es ist im Weiteren zu erwähnen, dass die Herstellung der in den Figuren gezeigten Strukturen des Gießkerns 1 vorteilhaft mit Hilfe eines additiven Verfahrens erfolgen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gießkern
- 1a
- zum Formen des Gießkerns verwendetes Material, Gießkernmaterial
- 10
- Gusswerkstoff
- 11
- Gusskörper
- 12
- erste Richtung
- 13
- zweite Richtung
- 14
- dritte Richtung
- 15
- vierte Richtung
- 20
- Umlenkbereich
- 21
- Längsbereich
- 23
- scharfe Kerbe (Rissinitiierungsstelle)
- 24
- milde Kerbe (Rissführungslinie)
- 24a
- wendelförmig umlaufende Kerbe
- 26
- Anhäufung (von Gießkernmaterial 1a)
- 26a
- wendelförmig umlaufende Anhäufung (von Gießkernmaterial 1a)
- 27
- äußere Mantelfläche
- 28
- innere Mantelfläche
- 29
- Rohrkern
- 30
- gerichtete Kerbe
- 31
- runder Kerbquerschnitt
- 32
- scharfer Kerbquerschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1020060560934 [0008]
- EP 30246091 [0008]
