DE3007964A1 - METHOD FOR PRODUCING MOLDED PARTS - Google Patents
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Description
Verfahren zur Herstellung von FonnteilenProcess for the production of moldings
.Die Jcrfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen, wie beispielsweise Formen, Kerne, Bauteile oder sonstige Körper, die im wesentlichen aus einem körnigen oder pulverförmigen Füllstoff und einem die Füllstoff teile hen verfestigenden Bindemittel bestehen und gegebenenfalls aweckbestimmte Zusätze enthalten» Im besonderen bezieht aich die trfindung auf ein Verfahren, in dessen Verlauf die in einem Formwerkzeug konfigurierte Formmasse in wenigen Sekunden bis Minuten verfestigt wird. Derartige Formteile finden Verwendung in der metallurgischen und Gießereiindustrie, im Bauwesen wie auch in der Elektrotechnik und anderen technischen Zweicen.The invention relates to a process for the production of Molded parts, such as molds, cores, components or any other body consisting essentially of a granular or powdered filler and one of the fillers parts hen solidifying binders exist and optionally contain certain additives » In particular, the finding relates to a procedure in the course of this, the molding compound configured in a molding tool solidifies in a few seconds to minutes will. Such molded parts are used in the metallurgical and foundry industries, as well as in construction in electrical engineering and other technical branches.
Die bekannten Verfahren zur Herstellung von Formteilen lassen sich nach der Art der Verfestigungsreaktion in zwei Kategorien einteilen, von denen die erste jene Verfahren umfaßt, die auf rein chemischen Reaktionen irreversibler Art basieren, wie beispielsweise PoIyadditions- und PoIykondensationsreaktionen, und die andere die Verfahren, die auf physikochemischen Reaktionsabläufen reversibler und irreversibler Natur beruhen. Unter praktischen Gesichta-The known processes for the production of molded parts can be divided into two according to the type of solidification reaction Divide categories, the first of which includes those processes that rely on purely chemical reactions to be irreversible Type, such as polyaddition and polycondensation reactions, and the other the processes which are more reversible and based on physicochemical reaction processes irreversible in nature. Under practical face-
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punkten ist den Verfahren der zweiten Kategorie der Vorzug zu geben, da die der ersten Kategosie gewöhnlich toxische Stoffe, wie beispielsweise Isocyanate und Amine, und aggressive Stoffe, wie Säuren und Ammoniumverbindungen,, benutzen, die besondere arbeitshygienische und antikorrosive Vorkehrungen erfordern, deren beträchtlicher Aufwand die Herstellungskosten stark erhöht. Zudem ist die Lagerfähigkeit der verwendeten Bindemittel begrenzt oder an die Einhaltung besonderer Bedingungen gebunden. Die Bindemittel mit reversiblem Verfestigungsmechanismus bringen demgegenüber noch die Vorteile vereinfachter Wartung der Aggregate und unmittelbarer Wiederverwendung der bei der Aufbereitung und der Verarbeitung der Formmasse zwangsläufig anfallenden Abfallforinmassö mit sich.The method of the second category is to be given preference, as those of the first category are usually used toxic substances such as isocyanates and amines, and aggressive substances such as acids and Use ammonium compounds, which require special industrial hygiene and anti-corrosive precautions, the considerable expense of which greatly increases the manufacturing costs. In addition, the shelf life of the used Limited binding agent or subject to compliance with special conditions. The binders with reversible solidification mechanism bring the advantages of simplified maintenance of the Aggregates and immediate reuse of the during preparation and processing of the molding compound inevitably arising waste format with it.
Zu der zweiten Kategorie ist das aus der Zeitschrift Litejnoe proizvodatvo (1971) 11, Seiten 11 bis 12 und der DD-PS 101 304 bekanntgewordene Verfahren zu rechnen, nach dem ein Formstoffgemisch aus einem Füllstoff und einem gelösten Bindemittel hergestellt, das Formstoffgemisch in die gewünschte Form gebracht und anschließend zur Verfestigung des Formstoffgemisches das Lösungsmittel vermittels Trocknung bei 180 bis 200 0C bzw. mit Hilfe durch das Formteil hindurchgeleiteter Luft ausgetrieben wird. Dabei werden selbst bei Verwendung konzentrierter Bindemitte llösungen recht erhebliche Lösungsmittelmengen in das Formstoffgemisch eingetragen* Durch diesen relativ hohen Lösungsmittelanteil in der Formmasse werden wiederum der Zeitbedarf und der energetische Aufwand für das Austreiben des Lösungsmittels und damit die Herstellungskosten nachteilig beeinflußt· Dies führte dazu, der Formmasse Adsorbenzien für das Lösungsmittel zuzusetzen zu dem Zweck, einen Teil des Lösungs-The second category includes the process known from the magazine Litejnoe proizvodatvo (1971) 11, pages 11 to 12 and DD-PS 101 304, according to which a molding material mixture is produced from a filler and a dissolved binder and the molding material mixture is converted into the desired one Shaped and then to solidify the molding material mixture, the solvent is expelled by drying at 180 to 200 0 C or with the aid of air passed through the molded part. Even if concentrated binder solutions are used, considerable amounts of solvent are introduced into the molding material mixture To add adsorbents for the solvent for the purpose of removing part of the solvent
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mittels bereits innerhalb der Formmasse; zu binden und somit die Verfestigungszeit zu verring- !Trotz dieses zusätzlichen Aufwandes können aber die erreichten Verfestigungszeiten nicht befriedigen· I/in weiterer wesentlicher Mangel dieses Verfahrens besteht in der Verwendung relativ teurer Lösungsmittel, die, zudem in höheren Anteilen in der Formmasse enthalten, nur durch aufwendige Kondensationsvorrichtungen zurückgewonnen werden können.means already within the molding compound; to tie and thus reducing the setting time! Despite this However, the hardening times achieved cannot satisfy additional effort I / Another essential shortcoming of this process is the use of relatively expensive solvents, which, moreover, are contained in higher proportions in the molding compound, only through expensive condensation devices can be recovered.
Eine Möglichkeit, die durch das Lösungsmittel entstehenden Aufwendungen zu verringern, ist in der DE-0& 2405432 beschrieben» Danach werden nur solche Bindemittel oder Bindemittelkombinationen verwendet, die in Wasser löslich, quellbar oder dispergierbar 3ind· Obgleich dieser Maßnahme" ein wirtschaftlicher Vorteil nicht abzusprechen ist, wird durch dieses Verfahren der isnbesondere zeitaufwendige Trocknungsprozeß mittels durch das Formteil geleiteter, gegebenenfalls erwärmter Luft nicht ' entbehrlich· Dies ist umso schwerwiegender, da Wasser weitaus schwieriger aus dem Formteil austreibbar ist als Lösungsmittel mit niedrigerem Kochpunkt und infolge der hohen Verdampfun^senthalpie von Wasser dafür große Energiemengen aufgebracht werden müssen·One possibility to reduce the expenses incurred by the solvent is in DE-0 & 2405432 described »According to this, only those binders or binder combinations are used that are soluble in water, swellable or dispersible 3ind though these Measure "not denying an economic advantage is, this method makes the drying process, which is particularly time-consuming, by means of the molded part Ducted, possibly heated air cannot be dispensed with · This is all the more serious because water is far more difficult to drive out of the molded part than solvents with a lower boiling point and as a result the high evaporation enthalpy of water for it large amounts of energy have to be applied
Die Erfindung bezweckt, den Zeitbedarf und die Kosten für die Herstellung von Formteilen aus einer im wesentlichen einen Füllstoff und ein Bindemittel enthaltenden härtbaren Formmasse zu verringern·The invention aims to reduce the time required and the costs for the production of molded parts from an essentially to reduce a curable molding compound containing filler and a binder
Die li-rfindung geht von der Auigabe aus, für die Herstellung von Formteilen aus einer Formmasse mit einem löslichen oder dispergierbaren Bindemittel ein Ver-The invention is based on the output for the production of molded parts from a molding compound with a soluble or dispersible binder
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fahi'en zu schaffen^ das den für die Lösung bzw. Dispersion erforderlichen Anteil an Lösungsmittel bzw. Dispergens erheblich verringert, das einen gesonderten Trocknungs- bzw. Verfestigungsprozeß ein-' schließlich der dafür erforderlichen Aggregate vermeidet und dennoch nach der Formgebung eine Verfestigung der Formmasse'binnen weniger Sekunden bis weniger Minuten erlaubt·able to create ^ that for the solution resp. Dispersion required proportion of solvent or dispersant significantly reduced, which is a separate Avoids drying or solidification process including the necessary units and yet solidification of the molding compound within a few seconds after shaping less minutes allowed
Gemäß der Erfindung werden Formteile dadurch hergestellt, daß die die Formmasse bildenden Stoffe, ein Füllstoff mit gegebenenfalls feuerfesten oder anderen Eigenschaften, ein lösliches oder disper gier bares Binde*· mittel, ein Lösungsmittel oder Dispergens und erforderlichenfalls zweckbestimmte Zusätze, bei erhöhter Teiaperatür und erhöhtem Druck zu einer homogenen Masse vermischt v/erden, in der das Verhältnis der Bindemittelmasse zu dem Volumen des Lösungsmittels dem der Sättigungskonzentration bei der erhöhten Temperatur bzv;. die Bindemitte !dispersion ihren Koaleszen2,bedingunben angenähert ist, daß die homogene Formmasse in die gewünschte Form gebracht wird und daß während der .formgebung oder unmittelbar anschließend die auf die Formmasse wirkende erhöhte Temperatur und der erhöhte Druck aufgehoben werden. ·According to the invention, molded parts are produced by adding the substances forming the molding compound, a filler with possibly refractory or other properties, a soluble or dispersible binding agent, a solvent or dispersant and, if necessary, specific additives, at increased temperature and pressure mixed to a homogeneous mass, in which the ratio of the binder mass to the volume of the solvent that of the saturation concentration at the elevated temperature or v ;. the binder! dispersion their Koaleszen2, bedingun b s is approximated that the homogeneous molding composition is brought into the desired shape, and in that immediately thereafter, the force acting on the molding material elevated temperature and the elevated pressure will be lifted during or .formgebung. ·
Die infolge der erhöhten Temperatur sich zu höheren Werten verschiebende Sättigungükonzentration der Bindemittellösung erlaubt die Aufbereitung einer verarbeitungsfähigen Formmasse, die einen mit zunehmender Temperatur geringer werdenden Lösungsmittelanteil enthält. Die dabei anwendbare Temperatur wird nach oben hin durch ft her- [die mische Belastbarkeit der in dieser Hinsicht empfindlichsten Komponente der Formmasse begrenzt. In der liege 1 wird dies das Bindemittel sein. Zweckmäßig wird die Tempera-* ■ tür in Abhängigkeit von den Ligenschaften der verwendeten Stoffe, beispielsweise der Löslichkeit desThe saturation concentration of the binder solution, which shifts to higher values as a result of the increased temperature, allows the preparation of a processable molding compound which contains a proportion of solvent that decreases with increasing temperature. The temperature that can be used is limited upwards by ft her- [the mixed load capacity of the most sensitive component of the molding compound in this regard. In the couch 1 this will be the binding agent. The temperature is expedient depending on the properties of the substances used, for example the solubility of the
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Bindemittels im Lösungsmittel, von der gewünphten Ver- fs festigungsbeschwindigkeit der i'ormteile und von der erforderlichen Bindemitte!konzentration in den Formteilen gewählt. 'Vorteilhaft ist es mit liücksicht auf den nachfolgend noch zu erläuternden Verfestigungmechanismus, die Formmasse bei einer !Temperatur oberhalb des Kochpunktes des Lösungsmittels bzw. des Dispergens aufzubereiten. Hierbei ist es möglich, die die Formmasse bildenden stoffe vor dem Irischen odei" während des Vermischens auf die gewünschte i'eiuperatur zu erwärmen.Binder in the solvent from the gewünphten comparison fs Firmness b eschwindigkeit the i'ormteile and concentration elected by the required binder! In the moldings. With regard to the solidification mechanism to be explained below, it is advantageous to prepare the molding compound at a temperature above the boiling point of the solvent or the dispersant. It is possible here to heat the substances forming the molding compound to the desired temperature before the Irish or during mixing.
Ua das Lösungsmittel bzw. Dispergens infolge Verdunstung bzw. bei einer Temperatur oberhalb des Kochpunkfces infolge Verdampfung unter Normaldruck in den gasförmigen Zustand übex'geht und dadurch einerseits fortlaufend das Gleichgewicht der LOsUn0 bzw. der Dispersion und damit die Herstellung einer formbaren l'Ormmasse gestört, andererseits die der Formmasse zugeführte Wärme entzogen werden würde, ist es gemäß der Erfindung erforderlich, die Aufbereitung der Formmasse unter der Wirkung eines erhöhten Druckes vorzunehmen, der mit Bucksicht auf einen möglichst geringen Anteil des Lösungsmittels bzw. Disper^ens in der Gasphase vorteilhaft gi'ölier zu v.ählen ist als der sich bei der angewandten Temperatur einstellende Dampfdruck des Lösun^s— mittels bzw. des Dispergeii3.Among other things, the solvent or dispersant turns into the gaseous state as a result of evaporation or at a temperature above the boiling point as a result of evaporation under normal pressure and thus on the one hand continuously disrupts the equilibrium of the LOsUn 0 or the dispersion and thus the production of a malleable mass , on the other hand, the heat supplied to the molding compound would be withdrawn, it is necessary according to the invention to prepare the molding compound under the effect of an increased pressure, which is advantageous with a view to the lowest possible proportion of the solvent or dispersion in the gas phase Oilier is to be counted as the evolving vapor pressure of the solvent or the dispersing agent at the applied temperature.
Unter den vorstehend erläuterten üedinbiin^en der Temperatur, des Druckes und der Liasseverhältnisse von Bindemittel/Lösungsmittel bzw. Bindemittel/Dispergens wird ein Phasengleichgewicht zwischen gasförmigen und flüssigeiii Zustand des Lösungsmittels bzw. Dispergens erreicht, das einei'seits die ge.vünschte Benetzung der Füllstoffteilchen in der Formmasse mit dem Bindemittel ermöglicht aber andererseits den plastischen bzw. verarbeitungsfähigen Zustand der Formmasse an die Aufrechterhaltung der Temperatur- und Druckbedingung bindet. Dabei liegtUnder the conditions of temperature discussed above, the pressure and the ratio of binder / solvent or binder / dispersant a phase equilibrium between gaseous and liquid egg State of the solvent or dispersant reached, on the one hand, the desired wetting of the filler particles in the molding compound with the binder, on the other hand, enables the plastic or processable The condition of the molding compound is linked to the maintenance of the temperature and pressure conditions. It lies
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es im. ^ahuen der Lrfindung, die für die Benetzung der Füllstoffteilchen erforderliche Lösung bzv.. Dispersion des j-iindeiuituels wa.hj.-end des Liscnens aller koLiponenten der Formmasse oder unter der Temperatur- und Druckbedinuung ^eraa-ii der Lrfindung zunächst für sich herzustellen und bis zur endoültigen Verwendung Luiter Aufrechterhai tang dieser Ledin^n^en zu bevorraten.it in. ^ ahuen the Lrfindung, the time required for the wetting of the filler solution BZV .. dispersion of the j-iindeiuituels wa.hj.-end of the Liscnens koLiponenten all of the molding material or of the temperature and Druckbedin u ung ^ eraa-ii of Lrfindung initially for manufacture and to the end o ültigen use Luiter Aufrechterhai tang this Ledin ^ n ^ s to stockpile.
Der Mechanismus der Verfestigung der zu Pormteilen verarbeiteten Formmasse erklärt sich dadurch, daß" eine Störung dos Phasen^.leichgewichtes durch Verringerung der l'oi.iLeratur und/oder/Drucke α zu einem instabilen [ Zustai.d der Lösung bsv.. Dispersion führt, wobei dieThe mechanism of the solidification of the processed molding material to Pormteilen explained by the fact that "a fault dos phases ^ .leichgewichtes α by reducing the l'oi.iLeratur and / or / prints results in an unstable [Zustai.d the solution BSV dispersion .. , where the
enkuntj ein Uucrsclueiteii der oättitjUn^ükonder Lösung und die Uruckaenlcunt; zusätzlich un üc'ijci'ileuniijten ubtxoang des flüssigen Lösunbsittela in aie ^u^pfphase zui- i-Olge haben. Die Zustandsbewirk«η eine Viskosität^eruöhun.^ der Bindeiij und im weiteren Verlauf den übergang in die feste Phase, bei Ver\vondunb einer uindemitteldisporijion wird durch Veränderung aer Te;;iperatur und desenkuntj a Uucrsclueiteii the oättitjUn ^ ükonder solution and the Uruckaenlcunt; additionally un üc'ijci'ileuniijten ubtx o nes of the liquid Lösun b sittela in aie ^ u ^ pfphase zui- i-Olge have. The Zustandsbewirk "η eruöhun a viscosity ^. ^ The Bindeiij and in the further course of the transition into the solid phase, b vondun at Ver \ a uindemitteldisporijion is by varying aer Te ;; iperatur and
cl.--.t-; ILonzentratiousverhülfcxiis so verschoben, daß cjiic-nzLiedintjunü der Dispersion und damit die Vorfeati: iiU · der i-'oriatiasse erreicht v/ird.cl .--. t-; ILonzentratiousverhülfcxiis shifted so that cjiic-nzLiedintjunü the dispersion and thus the Vorfeati: IIU · i-'oriatiasse achieved v / ill.
2cj i;achot;uhexid ist die iirfinaung an zwei Ausführunjsbei— spielen näher erläutert. 2 c j i; achot; uhexid the application is explained in more detail using two examples.
jJei;jpiel Ί:jJei; jpiel Ί:
Zur iiersuelluno einer üiebereiformmasse wurden 2955 S eines Quarzjandes mit 4>> q Polyvinylalkohol und 57,5 cnr .Vasser tjemischt. Der Quarzsand zeichnete sich durch einen Jchläiunistoffgehalt (Feinanteile mit einer Korngröße von weniger uli? o,o2 mm) von bis zu 1 γό, eine mittlere Lorngröüe von 0,25 his 0,315 mm, einen GleichnäßigkeitsgradFor iiersuellun o a üiebereiformmasse 2955 S a Quarzjandes 4 >> q polyvinyl alcohol and 57.5 cnr .Vasser were tjemischt. The quartz sand was characterized by a glacial content (fines with a grain size of less than 0.2 mm) of up to 1 γό, an average size of 0.25 to 0.315 mm, a degree of uniformity
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von 60 bis 70 % und einen Wassergehalt bis zu o,3 % aus. Die Mischung der Stoffe zu einer bildsamen Formmasse erfolgte in einer beheizbaren und hermetisch verschließbaren Mischeinrichtung bei einer Temperatur von wenigstens I30 0G bis etwa 200 0G und einem Druck von etwa 540 kPa. Die fertige Formmasse wurde anschließend mittels Druckluft in ein Formwerkzeug geschossen. Die so hergestellten zylindrischen Prüfkörper mit einem Druckmesser von 50 mm und einer Höhe von 50 mm erhärteten innerhalb von 10 Sekunden im Formwerkzeug. Nach einer Zeit von weiteren 20 Sekunuen wiesen axe Prüfkörper folgende Festi^keitswerte auf:from 60 to 70 % and a water content of up to 0.3 % . The mixture of substances to a pliable molding material was carried out in a heatable and hermetically sealable mixing device at a temperature of at least I30 0 G G 0 to about 200 and a pressure of about 540 kPa. The finished molding compound was then shot into a molding tool using compressed air. The cylindrical test specimens produced in this way with a pressure gauge of 50 mm and a height of 50 mm hardened in the mold within 10 seconds. After a period of another 20 seconds, ax test specimens showed the following strength values:
Druckfestigkeit (LiPa) 5,7 7,1 8,3 Biegefestigkeit (IJPa) 4,9 4,4 4,3Compressive strength (LiPa) 5.7 7.1 8.3 Flexural strength (IJPa) 4.9 4.4 4.3
2955 g des im Beispiel 1 beschriebenen Quarzsandes wurden mit 45 g eines wasserlöslichen Stärkebinders und 60 cnr Wasser in der bereits bezeichneten Weise gemischt.2955 g of the quartz sand described in Example 1 were with 45 g of a water-soluble starch binder and 60 cnr of water in the manner already described mixed.
Die aus der Formmasse hergestellten Prufkörpor härteten innerhalb von I5 Sekunden. Die erreichten Festigkeitswerte, sind nachstehend aufgeführt: The test bodies produced from the molding compound hardened within 15 seconds. The strength values achieved are listed below:
Druckfestigkeit (LiPa) 5,3 4,2 5,0 Biegefestigkeit (LiPa) 2,7 2,6 2,3Compressive strength (LiPa) 5.3 4.2 5.0 Flexural Strength (LiPa) 2.7 2.6 2.3
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