DE19936734C1 - Verfahren zur Herstellung eines Metall- oder Keramikwerkstücks - Google Patents

Abstract

In einem Verfahren zur Herstellung eines Metall- und Keramikwerkstoffes wird ein metallischer oder keramischer Schlicker zur Bildung eines Grünkörpers unter Druck in eine poröse Gießform eingegossen. Dabei entweicht das Lösungsmittel durch die poröse Gießform und der Grünkörper wird anschließend entformt. Dabei ist vorgesehen, daß die Gießform während des Druckgießens außenseitig mit einem Füllstoff hinterfüllt ist und die poröse Gießform beispielsweise aus einem gesintertem Polymerpulver besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall- oder Keramikwerkstücks, wobei ein metallischer oder keramischer Schlicker (flüssige Suspension mit festen me­ tallischen oder keramischen Pulverpartikeln und einem Lö­ sungsmittel) zur Bildung eines Grünkörpers unter Druck in eine poröse Gießform eingegossen wird, die während des Druckgießens außenseitig mit einem Füllstoff hinterfüllt ist, und wobei das Lösungsmittel entweicht und der Grünkör­ per anschließend entformt wird.

Insbesondere bei Kleinserien oder bei der Herstellung von Prototypen für ein Metall- oder Keramikwerkstück ist es schwierig, diese schnell und kostengünstig herzustellen. Zwar können die Werkstücke auf rechnergesteuerten Werkzeug­ maschinen aus Halbzeugen des gewünschten Werkstoffs einzeln herausgearbeitet werden, diese Vorgehensweise ist aber sehr zeitaufwendig und dementsprechend kostenintensiv. Außerdem ist die Ausbildung von komplizierten Hinterschnitten häufig schwierig oder sogar unmöglich.

Aus der DE 41 20 706 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Sinterwerkstücken aus metallischem oder keramischem Ma­ terial bekannt. Bei dem dort beschriebenen sogenannten Naß­ pulvergießen wird ein metallischer oder keramischer Schlic­ ker unter Atmosphärendruck in eine abgedichtete, hohle Si­ likonform gegossen und gesintert. Dabei tritt das Problem einer nicht ausreichenden Schrumpfkompensation sowie einer sehr niedrigen Trocknungsgeschwindigkeit auf, wodurch das Verfahren langsam und unwirtschaftlich ist.

Um die vorgenannten Probleme zu lösen, ist es bekannt, zur Herstellung eines Metall- oder Keramikwerkstücks eine ab­ schnittsweise poröse Gießform zu verwenden und den Schlic­ ker unter erhöhtem Druck in die Gießform einzufüllen, wobei das Lösungsmittel durch die Gießform hindurch entweicht. Aufgrund des Entweichens des Lösungsmittels, das infolge des erhöhten Drucks durch die poröse Gießform hindurch nach außen gedrückt wird, lassen sich sehr hohe Trocknungsge­ schwindigkeiten erzielen, wobei der erhöhte Druck den wei­ teren Vorteil mit sich bringt, daß Volumenänderungen in­ folge Schrumpfung oder Schwindens während des Gießens zu­ verlässig ausgeglichen werden. Ferner wird dadurch gewähr­ leistet, daß die erzeugten Grünlinge eine homogene Gefüge­ struktur besitzen. Gemäß der JP 4-70023 A wird ein gleichar­ tiger Effekt erzielt, indem die Außenseite der porösen Gießform, die während des Gießvorgangs außenseitig mit ei­ nem Füllstoff hinterfüllt ist, mit einem Unterdruck beauf­ schlagt wird.

Die Gießform soll dabei einerseits möglichst schnell und einfach herzustellen sein, andererseits muß sie den beim Druckgießen einwirkenden Lasten sicher widerstehen können. Die letztgenannte Anforderung führt in der Regel zu relativ großen, stabilen Gießformen, deren Herstellung und Entfor­ mung relativ aufwendig und schwierig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Druckschlickergießen zu schaffen, mit dem sich Werkstücke schnell und in einfacher Weise herstellen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren zur Herstellung eines Metall- oder Keramikwerkstücks gemäß An­ spruch 1 gelöst. Auch erfindungsgemäß ist die Gießform wäh­ rend des Druckgießens außenseitig mit einem Füllstoff hin­ terfüllt, der die Gießform abstützt und seinerseits porös ist. Auf diese Weise braucht die Gießform nur eine relativ geringe Eigenstabilität zu besitzen, da die beim Druck­ schlickergießen auf die Gießform einwirkenden Druckkräfte großflächig an den hinterfüllten Füllstoff abgegeben werden können. Bei dem Füllstoff kann es sich beispielsweise um Sand, Sandstrahlmaterial oder Glaskugeln handeln. Dabei wird der Füllstoff während des Druckgießens unter einer Druck-Vorspannung gehalten. Dies kann beispielsweise da­ durch erfolgen, daß der Füllstoff von einem Gehäuse umgeben ist und mit einer Schraubvorrichtung oder einer Federspann­ vorrichtung mittels einer Druckplatte unter Vorspannung gehalten ist, wodurch ein Ausbrechen des Füllstoffs beim Druckschlickergießen verhindert wird.

Vorzugsweise wird der Füllstoff vor dem eigentlichen Gieß­ vorgang verdichtet, was beispielsweise mit Hilfe eines Rüttlers erfolgen kann. Dadurch ist gewährleistet, daß der Füllstoff nahezu inkompressibel ist und die Gießform außen­ seitig formschlüssig abstützt.

Da die Gießform über eine möglichst große Fläche hinter­ füllt sein sollte, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Füllstoff die Gießform außenseitig im Bereich des Bodens und der Seitenwände vollständig umgibt. Auf der Oberseite ist in der Regel eine unverformbare Abdeckplatte vorgese­ hen.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die poröse Gießform aus gesintertem Polymerpulver insbesondere aus Po­ lystyrol hergestellt. Dies erfolgt dadurch, daß ein Modell des herzustellenden Werkstücks, das insbesondere aus Sili­ kon besteht, in einem Ofen vollständig mit dem Polymerpul­ ver gegebenenfalls unter Hinzugabe von Füllstoffen über­ deckt wird. Dabei wird das Polymer so ausgewählt, daß die Sintertemperatur kleiner als die Zersetzungstemperatur des Silikons ist und eine Versinterung in einer porösen Struk­ tur erreicht werden kann. Dabei muß die gesinterte Gießform eine ausreichende Durchlaßporösität besitzen und das Poly­ merpulver muß in einer Körnung vorliegen, so daß keine zu großen Poren entstehen. Nach Möglichkeit sollte das Poly­ merpulver hydrophob sein, damit für die Entformung nach dem eigentlichen Druckschlickergießen Lösungsmittel in einfa­ cher Weise in die Form eindringen kann. Das Lösungsmittel setzt die Festigkeit der Gießform soweit herab, daß ein me­ chanisches Entfernen der Gießform von dem Grünkörper mög­ lich ist. Bei Polystyrolformen kann man als Lösungsmittel beispielsweise Aceton verwenden.

Zum Sintern des Polymerpulvers wird die Ofentemperatur auf einen Wert knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Poly­ mers eingestellt. Nach der Versinterung wird die poröse Gießform abgekühlt und anschließend das Silikonmodell aus der verfestigten Polymer-Gießform herausgezogen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 die Herstellung eines Silikonmodells,

Fig. 2 die Abformung des Silikonmodells zur Bil­ dung der porösen Gießform,

Fig. 3 den Einbau einer Gießform in eine Druck­ schlickergußanlage und

Fig. 4 den Zustand während des Druckschlicker­ gießens.

Die Figuren zeigen ein sogenanntes Rapid-Tooling-Verfahren zur Herstellung von insbesondere Keramiken, wobei die Figu­ ren die einzelnen Verfahrensschritte zeigen.

Zunächst wird eine Urform 25 hergestellt, was in konventio­ neller Weise oder durch bekannte Rapid-Prototyping-Techno­ logien erfolgen kann. Die Urform 25 kann bis zu einem ge­ wissen Grade auch Hinterschnitte aufweisen. Anschließend wird in einem entsprechend geformten Gehäuse 24 die Urform 25 mit Hilfe von Silikon 26 abgeformt, wodurch sich ein Mo­ dell 21 des auszubildenden Werkstücks ergibt.

Das Silikonmodell 21 wird in einen Ofen 22 (siehe Fig. 2) eingesetzt und mit einem Polymerpulver 23 vollständig über­ deckt. Der Ofen 22 wird bis knapp unterhalb der Schmelztem­ peratur des Polymers erwärmt, so daß dieses zu einer porö­ sen Form versintert. Nach der Versinterung werden die Bau­ teile abgekühlt und anschließend wird das Silikonmodell 21 aus der verfestigten Polymer-Gießform 23 herausgezogen, die als poröse Gießform für das Druckschlickergießen dient.

In den Fig. 3 und 4 ist eine entsprechend hergestellte poröse Gießform 11 nur schematisch als Quader oder Kreiszy­ linder dargestellt. Selbstverständlich besitzt die Gießform 11 in der Regel davon abweichende, kompliziertere Formge­ bungen.

Die Gießvorrichtung umfaßt einen Rütteltisch 14, auf den eine Metallplatte 13 aufgelegt ist, die eine Einfüllöffnung 16 besitzt. Die Gießform 11 wird mit ihrem offenen Ende im Bereich der Einfüllöffnung 16 unter Bildung einer umlaufen­ den Verbindungslinie 15 mit der Metallplatte 13 verklebt. Die Gießvorrichtung besitzt desweiteren eine geschlossene Gehäusewandung 17, die oberseitig einen Querträger 18 auf­ weist, an dem eine Presse 19 angebracht ist, die untersei­ tig eine Druckplatte 20 trägt. In den zwischen der Außen­ seite der Gießform 11 und der Gehäusewandung 17 gebildeten Zwischenraum wird ein Füllmaterial 12, beispielsweise Sand, eingefüllt, das durch Aktivierung des Rütteltischs 14 eine Verdichtung erhält. Es entsteht ein nahezu inkompressibler, formschlüssiger Stützkörper, der die poröse Form außensei­ tig im wesentlichen vollständig abstützt. Mittels der Presse 19 wird über die Druckplatte 20 eine Druck-Vorspann­ kraft auf den Füllstoff 12 aufgebracht, so daß dieser unter Druck-Vorspannung gehalten ist.

Anschließend wird das Gehäuse mit der eingesetzten Gießform 11 von dem Rütteltisch 14 abgenommen und umgedreht, worauf­ hin der metallische oder keramische Schlicker durch die Einfüllöffnung 16 unter Druck in die Gießform 11 vergossen wird. Nach ausreichender Vorverfestigung des Gußkörpers wird die Vorrichtung geöffnet, der Füllstoff 12 entleert und die Gießform 11 zusammen mit dem Gußkörper entfernt.

Die Trennung der Gießform 11 von dem Gußkörper erfolgt durch Benetzen oder Eintauchen der Gießform in ein Lösungs­ mittel. Dabei sind die Materialien so abgestimmt, daß das Lösungsmittel die Festigkeit der Gießform 11 derart herab­ setzt, daß ein mechanisches Entfernen der Gießform 11 von dem Gußkörper möglich ist. Wenn die Gießform 11 aus Poly­ styrol besteht, kann als Lösungsmittel Aceton verwendet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine kostengünstige und einfache Herstellung der porösen Gießformen möglich und es sind eine große Anzahl von Abformungen zu erzielen. Auch komplexe Formen sind realisierbar, und es lassen sich hohe Drücke beim Druckschlickergießen einstellen, so daß auch die Ausbildung relativ großer, massiver Werkstücke möglich ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Metall- oder Keramik­ werkstücks, wobei ein metallischer oder keramischer Schlicker zur Bildung eines Grünkörpers unter Druck in eine poröse Gießform (11) eingegossen wird, die wäh­ rend des Druckgießens außenseitig mit einem Füllstoff (12) hinterfüllt ist, und wobei das Lösungsmittel ent­ weicht und der Grünkörper anschließend entformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (12) während des Druckgießens unter Druck-Vorspannung gehalten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoff (12) Sand oder Glaskugeln verwendet wer­ den.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Füllstoff (12) verdichtet ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (12) die Gießform (11) außenseitig im Bereich des Bodens und der Seiten­ wände vollständig umgibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Gießform (11) aus ge­ sintertem Polymerpulver, insbesondere Polystyrol be­ steht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Festigkeit der Form (11) nach der Konsolidierung des Schlickers durch Aufbringen ei­ nes Lösungsmittels verringert und anschließend das Werkstück entformt wird.