DE19636968A1

DE19636968A1 - Verfahren zur Herstellung von metallischen Prototypen

Info

Publication number: DE19636968A1
Application number: DE1996136968
Authority: DE
Inventors: Friedrich Prof Dr Klein; Andreas Dr Mertz; Walter Dr Schubert
Original assignee: Leibfried Mahle Metallwerk Vertrieb 70736 Fellbach De GmbH; STEINBEIS TRANSFERZENTRUM ARBEITSGEMEINSCHAFT METALLGUSS AN DER FACHHOCHSCHULE AALEN 73430 AALEN DE; LEIBFRIED MAHLE METALLWERK VER; STEINBEIS TRANSFERZENTRUM ARBE
Current assignee: KLEIN, FRIEDRICH, PROF. DR. DR. H.C., DE
Priority date: 1996-09-12
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2016-09-13
Also published as: DE19636968B4

Description

Einleitung und Zweck der Erfindung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gießtechnischen Herstellung metallischer Prototypen. Der Formhohlraum wird dabei ganz oder teilweise durch keramische Werkstoffe abgebildet. Das typische Anwendungsgebiet erstreckt sich auf Bauteile, die in der späteren Serienfertigung in Dauerformen nach dem Druckgieß-, Kokillengieß- oder ähnlichen Verfahren abgegossen werden.

Stand der Technik

Zur Zeit werden von der Industrie sehr große Anstrengungen unternommen, um die Zeit von der Produktidee bis zur Umsetzung in fertige Produkte zu verkürzen. Da Prototypenherstellung bzw. die Herstellung von Prototypen-Werkzeugen einen hohen zeitlichen Bedarf innerhalb der Produktentwicklung beanspruchen, besteht eine große Notwendigkeit, in diesem Bereich Zeiteinsparungen zu erreichen.

Zur Herstellung geometrischer Prototypen aus Kunststoffen sind neben den konventionellen Fertigungsverfahren Drehen, Fräsen und Bohren eine ganze Reihe von Rapid Prototyping (RPT) Verfahren verfügbar. Hierbei handelt es sich im wesentlichen um das "Layer Object Manufacturing" (LOM), die Stereolithographie (STL), dem Extrusionsverfahren (FDM) sowie dem indirekten und dem direkten Laser-Sintering-Prozeß.

Obwohl Kunststoffe weit verbreitet sind und immer neue Anwendungsgebiete erobern, werden im Maschinenbau nach wie vor die meisten Funktionsteile als Metallteile ausgeführt. Vor dem Hintergrund einer wirtschaftlichen Großserienfertigung werden in der Produktion vor allem Gießverfahren eingesetzt. Hierbei hat sich das Druckgießverfahren dank seiner hohen Produktivität und der hohen Maßgenauigkeit vor allem bei der Herstellung von Bauteilen aus Aluminium-, Magnesium- und Zinklegierungen durchgesetzt.

Die Anforderungen, die seitens der Industrie an Funktionsprototypen gestellt werden, sind vor allem:

- mit dem Serienteil weitgehend identische Geometrie,
- gleicher Werkstoff wie das Serienteil,
- mit dem Serienteil vergleichbare mechanische Eigenschaften
- kurzfristige, schnelle Realisierbarkeit,
- preisgünstige Herstellung, auch von Stückzahlen < 10 Stück

Zur Herstellung metallischer Funktionsprototypen, die mit dem späteren Serienteil sowohl in der Geometrie als auch hinsichtlich den mechanischen Eigenschaften weitgehend identisch sein sollen, stehen zur Zeit nur wenige Verfahren zur Verfügung, die allerdings zur Herstellung von Prototypen von Druckgußbauteilen oft nur unzureichend geeignet sind.

Die Verfahren zur Herstellung von metallischen Prototypen umfassen zur Zeit: Sandguß, Feinguß, Drehen, Fräsen, Schleifen, Bohren, Erodieren, Wickelverfahren, direktes und indirektes Lasersintern.

Die Gießverfahren Sandguß und Feinguß können als Folgeprozesse der oben aufgeführten RPT- Verfahren eingesetzt werden, wobei die notwendigen Modelle mit diesen Verfahren hergestellt werden.

Die auf Schwerkraftguß oder auch Niederdruckguß basierenden Verfahren sind jedoch nicht in der Lage, die für den Druckguß typische großflächig dünnwandige Bauteilgeometrie abzubilden, bzw. die zur Erzielung des typisch feinen Druckgußgefüges notwendige Erstarrungsgeschwindigkeit zu realisieren.

In der Regel werden für eine Produktentwicklung zwischen 2 und 50 Prototypen benötigt.

Werden Rapid Prototyping Modelle beispielsweise im Feingieß-Ausschmelzverfahren eingesetzt, so wird für jeden Abguß ein RPT-Modell benötigt. Rapid Prototyping Teile werden jedoch immer als Einzelstücke hergestellt, so daß abhängig vom Verfahren und Modellgröße kaum eine Kostendegression eintritt.

Die Herstellung einer vollständigen Druckgießform zur Produktion von Prototypen, deren Eigenschaften mit denen der Serienbauteile vergleichbar sind, ist bei der angestrebten Stückzahl von 2 bis 50 wirtschaftlich meist nicht zu verantworten.

Die anderen aufgeführten Verfahren des Prototypings führen in der Regel zu Bauteilen, die hinsichtlich ihrer mechanisch-technologischen Eigenschaften mit denen der Serienteile nicht zu vergleichen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das eine kostengünstige Fertigung von Funktionsprototypen vor allem von Druckgußbauteilen ermöglicht, die hinsichtlich Geometrie, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Werkzeugauslegung zu dem späteren Serienbauteil weitgehend identisch sind. Das Verfahren soll die wirtschaftliche Fertigung von Losgrößen in der Größenordnung von 2-50 Prototypen ermöglichen.

Lösungsansätze und kennzeichnende Merkmale:

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung metallischer Prototypen, löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, indem die Formkontur einschließlich Gießsystem ganz oder teilweise durch keramische Formeinsätze 2, 3 abgebildet ist und die Schmelze in der Regel mittels eines Gießkolbens in den Formhohlraum gefördert wird.

Danach weist das erfindungsgemäße Verfahren folgende Verfahrensschritte auf:
Der keramische Formeinsatz 2, der ein Negativ des herzustellenden Bauteiles ist, wird so in einzelne Formeinsatzelemente zerlegt, daß eine Herstellung der einzelnen keramischen Formeinsätze auf gießtechnische, formende oder zerspanende Weise möglich ist. Die zur Herstellung der keramischen Formeinsätze erforderlichen Modelle können beispielsweise in einem Rapid Prototyping Verfahren wie LOM oder Stereolithographie hergestellt werden.

Die Geometrie dieser Formeinsätze muß so gewählt werden, daß diese sich in die beiden Formrahmen 1, die vom Aufbau her, denen einer konventionellen Druckgießform ähnlich sind, die auf der festen bzw. beweglichen Aufspannplatte der Druckgießmaschine befestigt sind, bzw. an eventuell vorhandenen Schiebern einfügen und befestigen lassen.

Eventuell entstehende Hinterschnitte beim Öffnen der Form können entweder durch den Einsatz von Schiebern realisiert werden, oder dadurch, daß die Keramikeinsätze beim Ausformen des Gußteiles zerstört werden.

Um den schnellen Wechsel der keramischen Formeinsätze gewährleisten zu können, kann entweder auf Auswerfer verzichtet werden bzw. sollten die Auswerfer in einem Bereich des Formhohlraumes angebracht werden, der durch einen Stahleinsatz abgebildet wird.

Die keramischen Formeinsätze müssen so im Formrahmen befestigt werden, daß die Befestigung 5 von der Teilungsebene her gelöst werden kann, ohne daß die Druckgießform zerlegt werden muß. Dies kann beispielsweise durch Verschrauben der Formeinsätze selbst oder durch Einschrauben eines Klemmstückes erreicht werden.

Wenn die verwendete Keramik eine thermische Leitfähigkeit von weniger als 30 W/mK hat, kann mit nicht vorgeheizten Formeinsätzen gearbeitet werden, was zur Folge hat, daß zumindest bei Gußteilwanddicken von weniger als 3 mm die Erstarrungsvorgänge so ablaufen, daß ein dem Druckgußgefüge vergleichbares Gußteilgefüge erreicht wird. Eine Folge der schnellen Abkühlung der eingebrachten Metallschmelze ist, daß die Formfüllung in der Regel nach deutlich weniger als einer Sekunde abgeschlossen sein muß.

Um die Zerstörung der keramischen Formeinsätze durch die erforderlichen Zuhaltekräfte zu verhindern, werden diese in der Teilungsebene um ca. 0,1 mm hinter den Formrahmen 1 zurückgesetzt. Die dadurch entstehende Gratbildung am Gußteil muß dabei verfahrensbedingt in Kauf genommen werden.

Zum Schließen der Form, Zuhalten der Form und zur Formfüllung kann die Schließ- bzw. Gießeinheit konventioneller Warmkammer- und Kaltkammerdruckgießmaschinen sowie von Gießmaschinen, die nach einem verwandten Prinzip arbeiten, verwendet werden.

Das Verhältnis von Gießkolbendurchmesser d_k zu Hydraulikkolbendurchmesser d_hyd ist in der Form zu wählen, daß der Druck nach Ende der Formfüllung p_erst in Abhängigkeit vom Hydrauliksystemdruck der Druckgießmaschine p_hyd, sowie dem von der Druckgießmaschine abhängigen Multiplikationsverhältnis f_mul den für die jeweilige Keramik zulässigen Wert nicht überschreitet, wobei

Lediglich beispielhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen, Prototypen von Druckgußteilen, mit einer Losgröße von zwei bis fünfzig Stück, unter Verwendung von Aluminium-, Magnesium- und Zinklegierungen, die den Serienteilen hinsichtlich ihrer mechanisch-technologischen Eigenschaften weitgehend entsprechen, wirtschaftlich herzustellen.

Darstellung der Lösungsvorteile:

Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich metallische Prototypen, deren Geometrie und mechanisch-technologischen Eigenschaften, denen von Druckgußteilen sehr nahe kommen, wirtschaftlich herstellen.

Zur Durchführung des Verfahrens können konventionelle Druckgießmaschinen, die nach dem Kaltkammer-, Warmkammer- oder verwandten Verfahren arbeiten, eingesetzt werden.

Die Herstellung der keramischen Formeinsätze kann unter Verwendung von Urmodellen, die nach einem Rapid Prototyping Verfahren hergestellt wurden, mit einem geringen Zeitaufwand erfolgen.

Durch das erfindungsgemäß dem Druckgießverfahren ähnliche Gießverfahren können die Geometrie des Gußteils, der Entlüftungskanäle und des Gießsystems identisch mit der des späteren Serienwerkzeuges sein, was eine Erprobung der Formauslegung hinsichtlich dem Ablauf der Formfüllung, den erwarteten Lunkern und Gaseinschlüssen und der Nachspeisung über das Gießsystem schon im Prototypstadium ermöglicht.

Zeichungen und Figuren

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau der beweglichen Formhälfte.

Ausführungsbeispiele:

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung metallischer Prototypen am Beispiel der Herstellung eines Instrumententrägers beschrieben. Bereits an dieser Stelle sei hervorgehoben, daß die nachfolgende Beschreibung lediglich der beispielhaften Erläuterung der erfindungsgemäßen Lehre dient, diese jedoch keineswegs hinsichtlich Teilegeometrie und eingesetztem Keramikwerkstoff einschränkt.

Der keramische Formeinsatz der beweglichen Formhälfte 2 wird hergestellt, indem er von einem Urmodell, das mit einem Rapit Prototyping Verfahren hergestellt wurde, abgeformt wird. Der Formeinsatz, der das Gießsystem abbildet 3, ist konventionell aus Warmarbeitsstahl gefertigt und wird fest mit dem Formrahmen 1 verschraubt.

Die Formrahmen der festen und beweglichen Formhälfte werden an den Aufspannplatten einer Druckgießmaschine befestigt.

Nach dem Einsetzen des keramischen Formeinsatzes 2 in den Formrahmen 1, wird der Formeinsatz mit Hilfe der Befestigungsschrauben 5 im Formrahmen fixiert. Beim Einsetzen ist darauf zu achten, daß der Formeinsatz 2 um ca. 0,1 mm hinter den Formrahmen zurückgesetzt ist. Dies ist erforderlich, um eine Zerstörung des keramischen Einsatzes durch die Zuhaltekräfte zu vermeiden. Entsprechend ist mit den Formeinsätzen für die andere Formhälfte zu verfahren.

Nach dem Schließen der Form wird der Formhohlraum 4 über das Gießsystem 6 mit Schmelze gefüllt. Der Formfüllvorgang sollte in weniger als einer Sekunde abgeschlossen sein.

Durch die in der Regel schlechte Wärmeleitfähigkeit von Keramikwerkstoffen kann die Formfüllung, um eine Beschädigung der Keramik zu vermeiden, langsamer durchgeführt werden als bei späteren Serienform.

Nach Ablauf der Erstarrungszeit wird die Form mit Hilfe der Druckgießmaschine wieder geöffnet und der hergestellte Gußteil manuell aus der Keramikform entfernt.

Sollte bei diesem Vorgang der keramische Formeinsatz 2 beschädigt oder zerstört worden sein, so kann dieser nach dem Lösen der Verschraubung 5 schnell gegen einen neuen ausgetauscht werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von metallischen Prototypen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Formkontur einschließlich Gießsystem ganz oder teilweise durch keramische Formeinsätze (2), (3) abgebildet wird und die Schmelze bevorzugt mit einem Gießkolben in den Formhohlraum gefördert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Keramik mit einer thermischen Leitfähigkeit von weniger als 30 W/mK verwendet wird und die Formeinsätze (2), (3) nicht vorgeheizt werden müssen. Die Keramik weist an der Oberfläche keine Porosität auf, in die Schmelze penetriert. Der keramische Formeinsatz wird je nach Gußteilgeometrie einmalig oder mehrmalig verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderlichen Zuhaltekräfte über einen metallischen Formrahmen (1), bevorzugt aus Stahl, aufgenommen werden. Dies wird erreicht, indem die keramischen Formeinsätze um ca. 0,1 mm hinter dem Formrahmen zurückgesetzt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formfüllzeit max. 1 Sekunde beträgt. Die Nachspeisung der Volumenschwindung der Schmelze erfolgt bevorzugt über das Gießsystem (6).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schließen und zur Zuhaltung der Form sowie zum Füllen des Formhohlraumes Anlagen eingesetzt werden, die nach dem Kaltkammerprinzip, dem Warmkammerprinzip oder verwandten Verfahren arbeiten.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bevorzugt Aluminium-, Magnesium- oder Zinklegierungen verarbeitet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikformeinsätze gießtechnisch, geformt oder spanend hergestellt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterschnitte in der Gußteilgeometrie dadurch realisiert werden, daß die keramischen Formeinsätze vor dem Ausformen des Gußteils über Schieber gezogen werden, oder beim Ausformen des Gußteiles zerstört werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Formeinsätze so im Formrahmen befestigt sind, daß sie von der Teilungsebene (7) her ein- und ausgebaut werden können.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie des Gußteils, des Gießsystems und der Entlüftungskanäle bevorzugt identisch mit dem des späteren Seriendruckgußteil ist.