DE19513535A1

DE19513535A1 - Verfahren zum Herstellen eines Formteiles aus der Schmelze eines metallischen Werkstoffes

Info

Publication number: DE19513535A1
Application number: DE1995113535
Authority: DE
Inventors: Konstantin Trifonov
Original assignee: METALLGIESEREI JESTETTEN HIEME
Current assignee: METALLGIESEREI JESTETTEN HIEME
Priority date: 1995-04-10
Filing date: 1995-04-10
Publication date: 1996-10-17
Anticipated expiration: 2015-04-11
Also published as: DE19513535C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formteiles aus der Schmelze eines metallischen Werkstoffes und unter Einsatz einer Form.

In der Gießereitechnik sind Gießformen beispielsweise aus chemisch gebundenem Formstoff unter Verwendung eines Modells bekannt, wie dies beispielsweise die EP-OS 0 123 211 beschreibt.

Die sog. Stereolithographie erlaubt es, auf der Grundlage eines CAD-Entwurfes ein Formteil schichtweise aus Polymerharz aufzubauen. Zudem ist unter der Bezeichnung "Diffusionserstarrung" eine Gießtechnik bekannt, bei der eine Feingußform mit Metallkugeln ausgefüllt und nachfolgend eine Schmelzphase zwischen die Hohlräume der Kugeln gepreßt wird. Nach dieser Infiltration erfolgt das Erstarren u. a. durch Diffusion von Legierungsbestandteilen aus der Schmelze.

Keines der bekannten Verfahren ermöglicht das Erzeugen einsatzfähiger metallischer Formteile auf der Grundlage einer Zeichnung oder eines mathematischen Modells des Formteiles ohne die Zwischenstufe des Form-, Werkzeug- oder Modellbaues; bei dem erwähnten Stereolithographieverfahren kann lediglich ein Gießmodell, bei einem Verfahren zum ebenfalls direkten Herstellen von Formkappen ein Teil einer Gießform aufgrund eines CAD-Modells hergestellt werden.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem auf der Grundlage einer Zeichnung oder eines mathematischen Modells dieses Formteil oder Gußstück direkt und ohne Modell- oder Werkzeugfertigung hergestellt zu werden vermag.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre der unabhängigen Patentansprüche, die Unteransprüche geben günstige Fortbildungen an.

Erfindungsgemäß werden sowohl die Form als auch das Formteil in konstruktive Querschnitte geringen Abstandes voneinander zerlegt, und ein erster Querschnitt wird als Schicht geringer Dicke über einer Basisebene aufgetragen; die nachfolgenden Schichten werden anschließend übereinander aufgebaut.

Bei einer ausgewählten Verfahrensausführung umgibt jeweils eine Formstoffschicht - gegebenenfalls erst im Abstand zu jener Basisebene - einen Bereich für den Werkstoff des Formteils, also einen Formraum. Hier erfolgt die Konturgebung durch eine verlorene Form, die ebenfalls schichtweise durch das Auftragen des Formstoffes entsteht; die verlorene Form und das metallische Formteil werden also gleichzeitig hergestellt.

Vorteilhafterweise wird das Formteil durch ein wechselweises Auftragen einer Schicht aus Formstoff sowie einer Schicht aus einem metallischen Werkstoff erzeugt; der in den Bereich des Formteils gelangende Formstoff für die - hier verlorene - Form wird im Bereich des Formteils beispielsweise spanabhebend entfernt.

Im Rahmen der Erfindung liegt in anderer Ausgestaltung, daß die Gießform und ihr Forminnenraum durch das schichtweise Auftragen eines Schüttgutes aufgebaut werden, sowie die Zwischenräume im Schüttgut der Gießform durch eine Sperrmasse - bevorzugt Graphitstaub - aufgefüllt bzw. verschlossen und so die Gießform für die eingesetzte schmelzflüssige Phase undurchlässig gemacht wird.

Vorteilhafterweise wird die Gießform mit ihrem Formraum schichtweise aus metallischen Kugeln eines bevorzugten Durchmessers von etwa 0,5 mm aufgebaut. Sind deren Kugelzwischenräume im Formbereich geschlossen, wird die Schmelze in die freien Zwischenräume des Formraumes eingebracht und druckbeaufschlagt, bevorzugt mit etwa 2 bar.

Auch in diesem Falle werden Gießform und Gießforminnenraum gleichzeitig aufgebaut.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

Fig. 1: eine Draufsicht auf eine zeichnerische Darstellung der Seitenansicht eines Formteiles;

Fig. 2: einen Querschnitt durch eine Gießform etwa in Linie B der Fig. 1;

Fig. 3 bis Fig. 5: drei schematisierte Seitenansichten der Gießform in unterschiedlichen Betriebsstellungen;

Fig. 6: den Längsschnitt durch eine Gießkammer zu einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 7: die Gießkammer der Fig. 6 in einem anderen Betriebszustand;

Fig. 8: einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 7 nach deren Ausschnittfeld VIII;

Fig. 9: eine Seitenansicht des nach Fig. 6 zu gießenden Formteils;

Fig. 10: den Querschnitt durch Fig. 9 nach deren Linie A_i-A_i;

Fig. 11: die Draufsicht nach Pfeil XI in Fig. 6 auf eine Schicht im Kammerraum der Gießkammer und in dieser Schicht ausgespartem Forminnenraum.

Gemäß Fig. 1 wird eine zeichnerische Seitenansicht 10 eines metallischen Formteils 12 aus einer Al2OSi5Fe-Legierung, das an einem etwa dreiecksförmigen Arm 14 einen Ring 16 aufweist, konstruktiv in parallele Querschnitte A₁-A₁, A₂-A₂, . . . A(i+1)-A(i+1), . . . , A_n-A_n zerlegt. Deren Abstand zueinander mißt im gewählten Ausführungsbeispiel 0,1 mm.

Es erfolgt ein schichtweiser Aufbau des metallischen Formteils 12 samt dieses - bzw. aus einem Formstoff einen Formraum 18 - umgebender verlorener Form 20 auf einer Tragplatte 22 anhand der ermittelten Querschnittsgeometrien. Die Fertigung jeder einzelnen - einem der Querschnitte entsprechenden - Schicht wird in folgender Weise vorgenommen:

(1a) Ermitteln des aktuellen Querschnittes in Abhängigkeit vom erreichten Stand des Aufbaus, hier dargestellt etwa in der Ebene B des Querschnittes A_i-A_i;
(1b) Auftragen einer außerhalb des herzustellenden Formteils 12 liegenden Schicht 24 aus Formstoff in einer Schichtdicke b von 0,1 mm;
(1c) Aushärten der Schicht 24
- bei dem Ausführungsbeispiel wird Wasserglas (30% SiO, 10% N2O, 60% H2O) - gebundenes Quarzmehl eingesetzt; das Aushärten erfolgt durch CO2-Begasung -;
(1d) Auftragen einer Schicht 26 der Dicke e von 0,1 mm des Werkstoffes, aus dem das metallische Formteil 12 herzustellen ist, durch Sprühkompaktieren auf die gesamte, von der Tragplatte 22 bestimmte Fläche;
(1e) Abtragen des beim Verfahrensschritt (1d) außerhalb des Formteiles (Bereiche 18) aufgetragenen Metalls, im Ausführungsbeispiel durch Abschleifen mittels eines rotierenden Schleifkörpers 28 samt Absaugung 29.

Anschließend werden die Verfahrensschritte (1a) bis (1e) in gleichbleibender Reihenfolge bis zum vollständigen Aufbau des Formteiles 12 wiederholt und dieses dann von der Form getrennt bzw. durch mechanisches Zerstören der verlorenen Form ausgepackt. In Fig. 3 ist eine der Schichten 24 _n, 26 _n pars pro toto angedeutet.

Fig. 6 zeigt eine oben offene Gießkammer 30 aus einem Kammerboden 32 und davon aufragenden Kammerwänden 34, die zusammen mit der zeichnerischen Darstellung 10 eines herzustellenden Formteils oder Gußstückes 12 - aus einem dreiecksförmigen Arm 14 und einem Ring 16 - samt Speiser oder Eingießsystem 36 einem dreidimensionalen Koordinatensystem 38 zugeordnet wird, das beispielhaft in Fig. 6, 7 neben einer der Kammerwände 34 skizziert ist.

Dabei liegt die Oberfläche 33 des - den Kammerinnenraum 40 nach unten hin begrenzenden - Kammerbodens 32 in einer von den Koordinaten x, y des Koordinatensystems 38 bestimmten Ebene E.

Ein schichtweiser Aufbau einer Gießform 42 und eines Gießformraumes 18 im Kammerraum 40 der Gießkammer 30 erfolgt mittels den unten erörterten Verfahrensschritte.

(2a) Parallel zu der von den Kammerwänden 34 der Gießkammer 30 begrenzten Bodenoberfläche 33 wird auf diese eine aus einer Lage von Kugeln 46 bestehende Schicht 48 der Dicke d_i aufgebracht. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel bestehen die Kugeln 46 eines Durchmessers q von 0,5 mm aus unlegiertem Stahl mit 0,1% C.
(2b) Die z-Koordinate der aufgetragenen Kugelschicht 48 wird als z_i-Koordinate gemäß Fig. 7 ermittelt, welche dem Abstand der Bodenoberfläche 33 zur Oberfläche 50 der Kugelschicht 48 entspricht.
(2c) Es wird die Geometrie eines parallel zur Ebene E angeordneten und mit der z- Koordinate gleich dem im Verfahrensschritt (2b) festgelegten z_i-Wert bestimmbaren beispielsweisen Querschnitt A_i-A_i (in Linie X-X der Fig. 9) durch das herzustellende Gußteil 12 und dessen Speiser oder Eingießsystem 36 ermittelt. Diese Geometrie ist in Fig. 10 angedeutet.
(2d) In dem außerhalb der - die Fläche 18a des Gießformraumes 18 bestimmenden - Geometrie nach Fig. 10, also auch außerhalb des Querschnittes A_i-A_i des Gußstückes 12, verbleibenden und in Fig. 11 schraffiert hervorgehobenen Bereichs 42a der Gießform 42 werden die Kugelzwischenräume 52 für eine einzusetzende schmelzflüssige Phase undurchlässig gemacht. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel geschieht dies dadurch, daß auf jenen Querschnittsbereich 42a der Gießform 42 eine Graphitschicht 54 der Dicke c_i von 0,2 mm aus Graphitpulver aufgetragen wird, welche entsprechend Fig. 8 die Kugelzwischenräume 52 der zuletzt aufgetragenen - also obersten - Stahlkugelschicht 48 der Dicke d_i ausfüllt.

Anschließend werden die Verfahrensschritte (2a) bis (2d) in gleichbleibender Reihenfolgen bis zum vollständigen Aufbau der Gießform 42 stetig wiederholt, dann letztere durch Einleiten einer schmelzflüssigen Phase in die Kugelzwischenräume 52 des Gießforminnenraumes 18 vergossen.

Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel wird die Gießtechnik des Diffusionserstarrens eingesetzt, während dessen die Luft aus dem Kammerraum 40 evakuiert und dann der Kammerinhalt auf Prozeßtemperatur von beispielsweise 1300°C gebracht wird; eine schmelzflüssige Phase - bei der gewählten Ausführung Stahlschmelze bei 1300° mit 3% C - wird unter Druckbeaufschlagung auf die Badoberfläche von 2 bar in den Gießforminnenraum 18 infiltriert. Nach anschließendem Erstarren des Gußteiles 12 wird dieses abgekühlt und nachfolgend ausgepackt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Formteiles aus der Schmelze eines metallischen Werkstoffes unter Einsatz einer Form, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Form (20, 42) als auch das Formteil (12) in konstruktive Querschnitte (A₁-A₁ bis A_n-A_n) geringen Abstandes (a) voneinander zerlegt und ein erster Querschnitt als Schicht (24 _n, 26 _n; 48) der Dicke (b, e) über einer Basisebene (22) sowie nachfolgende Schichten übereinander aufgetragen wird/werden.

2. Verfahren zum Herstellen eines Formteiles aus der Schmelze eines metallischen Werkstoffes unter Einsatz einer Form, insbesondere Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (42) und ihr Formraum (18) durch das schichtweise Auftragen eines Schüttgutes (46) aufgebaut, die Zwischenräume (52) im Schüttgut der Form durch eine Sperrmasse (54) aufgefüllt sowie für die eingesetzte schmelzflüssige Phase undurchlässig gemacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze in die freien Zwischenräume (52) des Schüttgutes (46) des Formraumes (18) der Form (42) eingeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (52) im Bereich der Form (42) durch ein Graphitpulver geschlossen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, gekennzeichnet durch eine Dicke (c_i) der Sperrmasse (54) von etwa 0,2 mm.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (42) schichtweise aus metallischen Kugeln (46) aufgebaut wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Durchmesser (q) der Kugeln (46) von etwa 0,5 mm.

8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeleitete Schmelze druckbeaufschlagt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Druck von etwa 2 bar auf die Schmelze.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Formstoffschicht (24 _n) um einen den Formraum (18) bildenden Bereich gelegt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (12) durch wechselweise schichtweises Auftragen einer Schicht (24) aus Formstoff zu einer verlorenen Form (20) sowie einer Schicht (26) aus einem metallischen Werkstoff zum Formteil hergestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die verlorene Form (20) schichtweise durch Auftragen des Formstoffes aufgebaut und in ihrem Bereich der metallische Werkstoff entfernt wird (Fig. 4).

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Formstoff im Bereich des Formteils (12) entfernt wird.

14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (20, 42) und das metallische Formteil (12) gleichzeitig aufgebaut werden.