DE19637347B4

DE19637347B4 - Verfahren zum Herstellen eines Gußteils

Info

Publication number: DE19637347B4
Application number: DE19637347A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Busse
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2016-09-14
Also published as: DE19637347A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Gußteils aus einem Metall mit einer bestimmten Form, mit den Schritten:
Herstellen eines geschäumten Kunststoffteils, das eine Form hat, die die Form des Gußteils bestimmt;
Einbetten des Kunststoffteils in ein festes, hitzebeständiges Material;
Einbringen des Metalls in flüssigem Zustand in das Kunststoffteil;
Substituieren des Kunststoffteils durch das Metall unter Bildung des Gußteils;
Abkühlenlassen des Gußteils zumindest an dessen Außenbereichen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls;
Entnehmen des abgekühlten Gußteils aus dem hitzebeständigen Material;
Einfüllen von schäumbarem und sinterbarem Kunststoffmaterial in einen Formhohlraum, der die Form des Kunststoffteils bestimmt und mindestens zwei separat mit Dampf beaufschlagbare Formwände hat, die je mit mindestens einem Temperatur- und/oder Schaumdruck- und/oder Dampfdrucksensor korrespondieren;
Beaufschlagen der mindestens zwei Formwände wechselseitig oder gleichzeitig mit Dampf;
Erhitzen der mindestens zwei Formwände und des Kunststoffmaterials mit dem Dampf;
Schäumen und Sintern des Kunststoffmaterials...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gußteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gesintertes blähfähiges Kunststoffmaterial, beispielsweise expandiertes Polystyrol, allgemein auch Partikelschaum, wird üblicherweise hergestellt durch Füllen eines Formhohlraums mit insbesondere vorgeblähten Kunststoffteilchen und Erhitzen der Form. Hierdurch blähen sich die Kunststoffteilchen auf, verdrängen die zwischen ihnen liegende Luft und versintern schließlich oberhalb einer Sintertemperatur. Beim anschließenden Abkühlen verfestigt sich der Kunststoff in dem geblähten Zustand und kann der Form entnommen werden. Solche Kunststoffteile werden vielfältig eingesetzt, ein bekanntes Einsatzgebiet ist das Herstellen von Metallgußteilen, wobei hier das geblähte Kunststoffteil die früher verwendete Wachsform ersetzt. Aus der DE 32 43 632 A1 ist eine Vorrichtung zur Sinterung schäumbarer Kunststoffe bekannt, bei der über Druck- und Temperaturgeber, die mit dem Inneren der Form in Verbindung stehen, der Schäum- und Sintervorgang überwacht wird. Sobald an den Druck- und Temperaturgebern ein Sollwert erreicht ist, wird ein Steuerungssignal ausgelöst, das einen nachfolgenden Prozeßschritt einleitet. Hierbei können auch mehrere Temperaturgeber und Druckgeber in der Form eingesetzt werden, wobei dann aus einem zeitlichen Verlauf der Differenz der Meßwerte auf die erreichte Schaumqualität geschlossen wird.
Aus der EP 0 224 103 B ist eine weitere Schaumvorrichtung bekannt, bei der durch den Einsatz von Druck- und Temperatursensoren in der Form auf die Qualität des eingesetzten Rohmaterials geschlossen wird, um dann diese Erkenntnisse bei einem anschließenden Arbeitszyklus zu verwerten.
In der EP 0 259 597 B wird eine Schaumvorrichtung beschrieben, bei der der zum Aufheizen der Form verwendete Wasserdampf für ein gutes Schäumergebnis eng definierte Grenzen hinsichtlich seiner Temperatur und seiner Sättigung einzuhalten hat.
Bei einer aus der EP 0 192 054 B bekannten Vorrichtung wird aus einem Druck- und Temperaturverlauf in der Sinterkammer ein Erweichungszeitpunkt des Kunststoffes bestimmt.
Nach diesem Erweichungszeitpunkt und einem dazugehörigen Sinterdruck oder eine Sintertemperatur wird eine maximale Entformungstemperatur bestimmt, unterhalb der das Kunststoffteil der Form entnommen werden kann. Hierdurch wird eine besonders schnelle Prozeßabfolge erreicht.
All diesen Verfahren ist gemeinsam, daß sie zu qualitativ hochwertigen Sinterprodukten führen, wobei jedoch teilweise der Aufwand erheblich ist. Insbesondere kann es jedoch trotz der bekannten aufwendigen Steuerungen lokal zu unterschiedlichen Schaumqualitäten kommen, die die Gesamtqualität des geschäumten Teils beeinträchtigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Schäumvorgang derart auszuführen, daß ein geschäumtes Kunststoffteil möglichst gleichmäßiger Qualität und hieraus ein Gußteil mit geringen Toleranzen erhältlich ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren gelöst mit den kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruchs 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Gußteil nach dem sogenannten Lost-Foam-Verfahren hergestellt, bei dem ein geschäumter Kunststoffkern (insbesondere Partikelschaum), der im wesentlichen die Form des späteren Gußteils hat, in ein hitzebeständiges festes Material, insbesondere einen Sand, eingebettet wird. Anschließend wird flüssiges Metall entweder von oben auf den Kunststoffkern geschüttet oder von der Seite bzw. unten in die Form eingebracht. Hierbei wird der Kunststoffkern verdampft und das flüssige Metall nimmt dessen Stelle ein, um nach dem Erkalten als Gußteil aus dem Sand entnommen zu werden. Der Sand erfüllt zweckmäßigerweise bestimmte Voraussetzungen, wie sie beispielsweise in der US-A 5,355,931 beschrieben sind.
Da das Metall, abgesehen von in der oben erwähnten US-A beschriebenen Effekten und abgesehen von eventuellen Wärmeschrumpfungen, im wesentlichen die Form des Kunststoffschaumteils übernimmt, ist es wichtig, daß zur Herstellung von Gußteilen mit niedrigen Toleranzen auch das Kunststoffschaumteil in engen Toleranzen gefertigt wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß nach dem Einfüllen des schäumbaren und sinterbaren Kunststoffrohmaterials in einen Formhohlraum, der die Form des fertigen Kunststoffschaumteils bestimmt, dieser mittels Dampf gezielt erhitzt wird. Hierzu wird der Formhohlraum von mindestens zwei Formwänden begrenzt, die die Form des Formhohlraums bestimmen und die je mit mindestens einem Temperatur- und/oder Schäumdruck- und/oder Dampfdrucksensor ausgerüstet sind. Der Schäumdrucksensor steht mit dem Formhohlraum in Verbindung und bildet vorteilhaft einen Teil der zugehörigen Formwand und damit einen Teil der Kontur des Kunststoffschaumteils. Der Temperatursensor ist vorzugsweise in die Formwand integriert und liegt insbesondere nahe oder direkt an dem Kunststoffmaterial, um möglichst verzögerungsfrei dessen Temperatur zu erfassen. Ein Erfassen der Temperatur des Dampfes ist weniger genau. Der Dampfdrucksensor ist vorzugsweise in einer Dampfkammer angeordnet, die zu der Formwand gehört. Durch Beaufschlagen der Dampfkammern mit Dampf wird auch die Formwand erhitzt, wobei zu Beginn des Verfahrens der Dampf meist durch eine Vielzahl von Öffnungen in der Formwand hindurch in den Formhohlraum und in das Kunststoffmaterial hineingedrückt wird, um als Dampf oder Kondensat über entsprechende Öffnungen in einer anderen Formwand wieder auszutreten. Durch wechselseitiges Beaufschlagen der Formwände wird eine besonders gleichmäßige Erwärmung des Kunststoffmaterials erreicht. Zur endgültigen Versinterung des Kunststoffmaterials wird dann anschließend Dampf in alle Dampfkammern eingebracht, so daß dieser die zugehörige Formwand erhitzt, ohne wesentlich durch sie durchzutreten.
Das Kunststoffmaterial wird während seines Schäum- und Sintervorganges durch die Sensoren und eine zugehörige Steuerung überwacht, wobei folgender Regelprozeß abläuft:

– wenn ein oder mehrere Signale von ausgewählten Sensoren einer Formwand einen Sollwert erreicht haben, wird über eine Steuerung, die die Signale der Sensoren empfängt und die Dampfzufuhr beeinflußt, die Dampfzufuhr zu dieser Formwand entsprechend vorgegebenen Parametern geändert, ohne den Schäum- und Sintervorgang selbst zu beenden,
– eine entsprechende Veränderung der Dampfzufuhr erfolgt auch an den anderen Formwänden bei Erreichen der Sollwerte der Signale derer ausgewählten Sensoren,
– bis von allen ausgewählten Sensoren aller Formwände die ihnen zugewiesenen Sollwerte an die Steuerung gelangt sind, und/oder bis eine Maximalzeit (t_max) abgelaufen ist, und/oder bis eine Vorgabe abgelaufen ist, die durch Erreichen eines der Sollwerte (S) initiiert wird, anschließend Einstellung der Dampfzufuhr zu den Formwänden; Abkühlenlassen des gesinterten und geschäumten Kunststoffteils; Öffnen des Formhohlraums; und Entnehmen des geschäumten und gesinterten Kunststoffteils für Schritt 2.

Anschließend läßt man das geschäumte Kunststoffteil erkalten, wobei dieses vorzugsweise durch Abkühlen der Dampfkammern durch Einbringen von Wasser erfolgt. Nach dem Abkühlen des Kunststoffteils wird der Formhohlraum geöffnet und das Kunststoffteil entnommen, das ggf. nach einer Zwischentrocknung und weiteren Prozeßschritten, wie beispielsweise nach Bearbeitung, Zusammenkleben mit anderen Schaumkernen, Überziehen mit einer Schlichte etc. zum Gießen des Gußteils eingesetzt wird.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in Schäumautomaten mit mehr als zwei Dampfkammern eingesetzt. Grundsätzlich können hierbei alle Signale, die von irgendeinem Sensor irgendeiner Formwand (oder Dampfkammer) ausgehen, als letztes Signal gewertet werden. Dies hat zur Folge, daß sämtliche Sensoren, die eingesetzt werden, den ihnen zugeordneten Sollwert signalisieren müssen, um den Prozeß in einen nächsten Schritt überzuleiten. Bei der Verwendung von einer Vielzahl von Dampfkammern (bzw. Formwänden) bzw. einer Vielfalt von Sensoren ist es jedoch zweckmäßig entweder eine Auswahl der Sensoren vorzubestimmen, die als letzte Sensoren in Betracht kommen, und/oder eine Anzahl von Sensoren hierfür festzulegen. Der letzte Sensor ist dann derjenige, mit dessen Meldung die Auswahl bzw. Anzahl erreicht ist. So kann beispielsweise festgelegt werden, daß an bestimmten Formwänden (Dampfkammern) immer der Sollwert erreicht werden muß, und/oder daß eine bestimmte Zahl (beispielsweise sieben von zehn eingesetzten Sensoren) der Sensoren den Sollwert erreicht haben muß, um in den nächsten Schritt überzuleiten. Hierbei können außerdem noch unterschiedliche Sensoren berücksichtigt werden, das heißt beispielsweise ist es möglich, das Kriterium des letzten Sensors auf Sensoren für die Temperatur und/oder den Dampfdruck zu legen, wo hingegen Schäumdrucksensoren zwar auch bei Erreichen des Sollwertes zu einer entsprechenden Beeinflussung der Dampfzufuhr zu der zugehörigen Dampfkammer führen, selbst jedoch nicht oder unter anderen Bedingungen als letzte Sensoren gewertet werden.
Den Kriterien des letzten Signals kann auch eine Zeitsteuerung übergelagert sein, so daß entweder das letzte Signal oder ein vorgegebener Zeitablauf oder beide zusammen erfüllt sein müssen, damit der nächste Schritt eingeleitet wird. Weiterhin kann auch noch eine Vorgabe dem letzten Signal bzw. der Zeitsteuerung übergelagert sein, wobei diese Vorgabe wiederum mit den Sensorsignalen verknüpft ist. Dies ermöglicht dann eine Steuerung derart, daß wenn ein oder mehrere vorbestimmter Sensoren einen Sollwert erreichen, beispielsweise eine Zeitvorgabe ausgelöst wird, die wiederum wie oben beschrieben mit den Sollwertsignalen verknüpft werden kann. Zusätzlich oder anstatt einer solchen Zeitvorgabe kann auch eine bestimmte Auswahl an Sensoren durch die Vorgabe ausgewählt werden, die dann hinsichtlich des letzten Signals abgefragt werden. Schließlich kann auch noch als Vorgabe eine Veränderung des Sollwertes bei einem oder mehreren der vorhandenen Sensoren festgelegt werden.
Der Begriff "Sollwert" steht hier nicht nur für einen einzelnen Wert, sondern beinhaltet auch einen zeitlichen Verlauf des Meßwertes (des Sensorsignals) bzw. kann durch einen zeitlichen Verlauf des Meßwertes bestimmt sein.
Durch diese Verfahrensweise wird erreicht, daß insbesondere bei der Verwendung einer Vielzahl von Sensoren, die einer für sie jeweils spezifischen Dampfzufuhr unterliegen, der Schäumprozeß besonders gleichmäßig und/oder definiert vollzogen durchgeführt wird. Mit der Erfindung können insbesondere Schäumautomaten gesteuert werden, die mindestens drei Dampfkammern haben. Vorzugsweise werden mit dem Verfahren drei bis fünfzehn Dampfkammern angesteuert. Entsprechend werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise Signale von Sensoren von mindestens drei Formwänden, die individuell mit Dampf beaufschlagbar sind, zur Beaufschlagung dieser Formwände individuell mit Dampf verarbeitet.
Bevorzugt wird das Verfahren derart durch geführt, daß der Verlauf der Temperatur an der Formwand, der Schäumdruck und/oder der Dampfdruck nach Erreichen des Sollwertes in etwa konstant, das heißt bei +/– 10% und insbesondere bei +/– 5%, bei der Temperatur auf +/– 10 K und insbesondere auf +/– 5 K, gehalten wird. Hierdurch wird wiederum erreicht, das der Schäumling ausgesprochen homogen ist, das heißt er ist praktisch in all seinen Bereichen genügend geschäumt und gesintert und nirgends überhitzt. Mit den bisherigen Verfahren, bei denen beispielsweise auch sehr aufwendig das Schäumende aus einem Kurvenverlauf, beispielsweise des Schäumdrucks oder der Temperatur, ermittelt wird, ist eine solche gleichmäßige Schäumung nur selten zu erreichen. Dennoch können die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren, die beispielsweise bestimmte Dampftemperaturen beinhalten bzw. das Schäumende aus einem Kurvenverlauf ermitteln, mit der vorliegenden Verfahrensweise kombiniert werden. So können auch bei der vorliegenden Erfindung aus einem zeitlichen Verlauf von Schaumqualitätsmeßwerten (insbesondere Schäumdruck bzw. Temperatur) steuerungsrelevante Größen (Zeiten, Drücke) hergeleitet werden, die mit für die Steuerung des Prozesses (den Fortgang des Prozesses) herangezogen werden. Diese neuen steuerungsrelevanten Größen können beispielsweise zu einer Veränderung von Sollwerten (auch an dem Sensor, an dem die Schaumqualitätsmeßwerte abgefragt werden) verwendet werden, auch eine Überlagerung im Sinne einer Prozeßzeit (wie oben beschrieben) ist möglich.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Die Figur zeigt ein Diagramm mit Druck- und Temperaturverläufen in vier Dampfkammern.
In dem Beispiel werden alle Dampfkammern gleichzeitig mit Dampf beaufschlagt. In einem (nicht dargestellten) Schäumautomaten sind um eine Sinterkammer herum vier Dampfkammern angeordnet, die ausgebildet sind, ein in die Sinterkammer angebrachtes schäum- und sinterbares Kunststoffmaterial zum Schäumen und Sintern zu erhitzen. Die vier Dampf kammern sind individuell ansteuerbar und sind ausgerüstet mit eigenen Zuleitungen für Dampf, Wasser und Luft sowie Entsorgungsleitungen für diese Medien. Jede Dampfkammer ist außerdem ausgerüstet mit einem Temperatursensor, der in einer Formwand angeordnet ist, die die Dampfkammer von der Sinterkammer trennt. Hierdurch mißt der Temperatursensor im wesentlichen die Temperatur des mit der Formwand in Kontakt stehenden Kunststoffschaums. Weiterhin sitzt in jeder Formwand ein Schäumdrucksensor, der den Druck des sich expandierenden Kunststoffschaums auf die jeweilige Formwand aufnimmt. In jeder Dampfkammer selbst ist ein Dampfdrucksensor angeordnet zur Ermittlung des jeweils an der zugehörigen Formwand vorherrschenden Dampfdruckes.
In einer Steuerung wird ein Sollwert für jeweils die Temperatur ST, den Schäumdruck SSD und den Dampfdruck SDD für jede Dampfkammer DK1 – 4 individuell vorgegeben. Die Steuerung ist hierbei derart programmiert, daß wenn einer der Sollwerte S in einer der Dampfkammern DK erreicht ist, sie den Dampfdruck zu der jeweiligen Dampfkammern DK derart beeinflußt, daß der erreichte Sollwert innerhalb geringer Toleranzen beibehalten wird. Hierdurch ergibt sich für die Temperatur (durchgezogene Kurve), den Schäumdruck (Strichpunktkurve) und den Dampfdruck (gestrichelte Kurve) ein Verlauf derart, daß dieser von einem Grundwert (Raumtemperatur, Umgebungsdruck) je nach weiteren Vorgaben in der Steuerung steiler oder flacher auf den Sollwert S ansteigen, um dann auf diesem zu verharren. Dies wird für alle vorgegebenen Werte bei den Dampfkammern DK1 und DK2 bei x erreicht, bei den Dampfkammern DK3 und DK4 würde der Schäumdruck SD den zugehörigen Sollwert SSD erst außerhalb des Prozeßschrittes erreichen (l), dessen Ende mit t_PS gekennzeichnet ist. Das Ende des Prozeßschrittes t_PS des Bedampfens der Dampfkammern und damit des Schäumens und Sinterns des Kunststoffmaterials wird der Steuerung signalisiert durch Erreichen (o) des Sollwertes der Temperatur ST4 in der Dampfkammer DK4. Ferner ist noch eine Zeitsteuerung t_max vorgesehen. Das Ende des Prozeßschrittes t_PS wird also erreicht, wenn entweder in allen Dampfkammern DK die Temperatur T und der Dampfdruck DD die zugehörigen Sollwerte S erreicht haben oder wenn die Maximalzeit für den Prozeßschritt t_max abgelaufen ist. Die Schäumdrücke SD spielen nur insofern eine Rolle, als daß sie ihre Sollwerte SSD nicht überschreiten sollen, ein Nichterreichen dieser Sollwerte ist verhältnismäßig unkritisch.
Mit diesen Vorgaben für die Steuerung wird ein sehr gleichmäßig geschäumtes Kunststoffteil bei einer sehr kurzen, meist unterhalb der maximalen Prozeßzeit liegenden Schäumdauer erreicht. Wie in der Figur nach unten gestrichelt angedeutet ist, kann dieses Verfahren auf praktisch beliebig viele Dampfkammern DK erweitert werden, wobei wiederum jede Dampfkammer nahezu optimal hinsichtlich der erforderlichen Dampfmenge für den an der jeweiligen Kammer stattfindenden Schäumprozeß angesteuert werden kann.
Das Verfahren ist auch in einem Bedampfungschritt anwendbar, bei dem nur eine oder einzelne Dampfkammern mit Dampf beaufschlagt werden und eine oder weitere andere Dampfkammern der Aufnahme von Dampf und Kondensat dienen und diese Abführen. Nach dem Ende der Bedampfung schließen sich die verfahrensüblichen Schritte des Abkühlens (Einbringen von Wasser in die Dampfkammern), das Entformen und das Einsetzen des Schaumstoffkörpers in eine mit Sand gefüllte Gießbox an, in der dann das Gußteil, vorteilhaft ein Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine, gegossen wird.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Gußteils aus einem Metall mit einer bestimmten Form, mit den Schritten: Herstellen eines geschäumten Kunststoffteils, das eine Form hat, die die Form des Gußteils bestimmt; Einbetten des Kunststoffteils in ein festes, hitzebeständiges Material; Einbringen des Metalls in flüssigem Zustand in das Kunststoffteil; Substituieren des Kunststoffteils durch das Metall unter Bildung des Gußteils; Abkühlenlassen des Gußteils zumindest an dessen Außenbereichen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls; Entnehmen des abgekühlten Gußteils aus dem hitzebeständigen Material; Einfüllen von schäumbarem und sinterbarem Kunststoffmaterial in einen Formhohlraum, der die Form des Kunststoffteils bestimmt und mindestens zwei separat mit Dampf beaufschlagbare Formwände hat, die je mit mindestens einem Temperatur- und/oder Schaumdruck- und/oder Dampfdrucksensor korrespondieren; Beaufschlagen der mindestens zwei Formwände wechselseitig oder gleichzeitig mit Dampf; Erhitzen der mindestens zwei Formwände und des Kunststoffmaterials mit dem Dampf; Schäumen und Sintern des Kunststoffmaterials durch das Erhitzen unter Bildung des geschäumten und gesinterten Kunststoffteils in Abhängigkeit von Signalen aus den Sensoren dadurch gekennzeichnet, daß – wenn ein oder mehrere Signale von ausgewählten Sensoren einer Formwand einen Sollwert erreicht haben, wird über eine Steuerung, die die Signale der Sensoren empfängt und die Dampfzufuhr beeinflußt, die Dampfzufuhr zu dieser Formwand entsprechend vorgegebenen Parametern geändert, ohne den Schäum- und Sintervorgang selbst zu beenden, – eine entsprechende Veränderung der Dampfzufuhr erfolgt auch an den anderen Formwänden bei Erreichen der Sollwerte der Signale derer ausgewählten Sensoren, – bis von allen ausgewählten Sensoren aller Formwände die ihnen zugewiesenen Sollwerte an die Steuerung gelangt sind, und/oder bis eine Maximalzeit (t_max) abgelaufen ist, und/oder bis eine Vorgabe abgelaufen ist, die durch Erreichen eines der Sollwerte (S) initiiert wird, anschließend Einstellung der Dampfzufuhr zu den Formwänden; Abkühlenlassen des gesinterten und geschäumten Kunststoffteils; Öffnen des Formhohlraums; und Entnehmen des geschäumten und gesinterten Kunststoffteils für Schritt 2.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von mindestens drei Formwänden Signale von Sensoren in der Steuerung verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Signale von mindestens der Temperatur und dem Dampfdruck in der Steuerung verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebenen Parameter derart sind, daß der erreichte Sollwert bei Drücken innerhalb von +/– 10%, insbesondere innerhalb von +/– 5% und/oder bei der Temperatur innerhalb von +/– 10 K und insbesondere innerhalb von +/– 5 K gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem zeitlichen Verlauf der oder einzelner Signale steuerungsrelevante Größen hergeleitet werden, die zur Steuerung des weiteren Prozesses herangezogen werden.