DE3113294C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Spritz
gusses, insbesondere auf die Herstellung von thermo
plastischen Modellen für Investmentformen zum Gießen
von hohlen Rotorblättern und Leitblättern von Gastur
binen.
Das Gießverfahren mit "verlorenem Wachs" geht vermutlich
auf die Antike zurück. Bei diesem Verfahren wird zu
nächst ein Verlustmodell des aus Metall zu gießenden
Gegenstands hergestellt. Dieses Modell, welches aus ei
nem Material wie Wachs hergestellt ist und welches
schmelzbar oder lösbar ist, wird von einem keramischen
Formmaterial (dem "Investment") umgeben, welches die Ei
genschaft hat, seine Form beizubehalten. Nachdem das
keramische Material geformt worden ist, wird das Wachs
modell herausgeschmolzen, wobei im keramischen Material
ein Hohlraum mit den Formen des herzustellenden Gegen
stands verbleibt. Natürlich wird dabei die Schrumpfung
bei der Verfestigung des Materials des Modells und des
geschmolzenen Metalls berücksichtigt.
Die Maß- und Formgenauigkeit eines Gusses, verglichen mit einer Zeich
nung, hängt teilweise von der Genauigkeit ab, mit der
sowohl das Modell als auch die Form hergestellt werden.
Eine weitere Komplikation ergibt sich, wenn das gewünschte
Teil hohl sein soll. In einem solchen Fall muß ein Kern,
üblicherweise aus einem keramischen Material, im Zen
trum des Wachsmodells angeordnet werden. Mit Hilfe von
Fortsätzen, die von Wachs frei bleiben oder die nur von
wenig Wachs umgeben sind, wird der Kern beim Schmelzen
des Modells festgehalten. Die Wandstärke des hohlen Gegen
stands wird somit durch die Präzision festgelegt, mit
der der Kern innerhalb des Wachsmodells angeordnet ist.
Modelle werden häufig aus verschiedenen niedrig schmelzenden
Polymeren hergestellt. Thermoplaste, wie hart gefüllte
Wachse, werden bevorzugt. Die Modelle können durch die
verschiedensten Verfahren hergestellt werden. Am meisten
bevorzugt wird das Spritzgießen des geschmolzenen Wachses
in eine Präzisionsmetallform. Die Form läßt sich typi
scherweise entlang verschiedener Trennlinien öffnen, um
das Entfernen des festen Modells und das Einführen des
Kerns für das nächste Modell zu erleichtern. Im Falle
von Gasturbinenblättern sind diese Metallformen ziemlich
teuer, und zwar auf Grund der ungewöhnlichen und präzi
sen Formen dieser Teile. In ähnlicher Weise sind die ke
ramischen Kerne kompliziert und außerdem sind die Prä
zisionserfordernisse die gleichen. Die Kosten sind des
halb ebenfalls hoch.
Das Problem der Anordnung eines Kerns, insbesondere bei
der Herstellung von Turbinenblättern aus miteinander ver
bundenen Turbinenhälften ist allgemein bekannt. Siehe bei
spielsweise die US-PSen 40 78 598 und 40 68 702. Dabei
werden verschiedene Arten von Lokalisierungsmitteln in
Kombination mit anderen mechanischen Festhaltemitteln ver
wendet. Weitere Verbesserungen hinsichtlich der Lokali
sierung der Kerne und der Bauart der Formen sind in der
US-PS 42 83 835
beschrieben. Die vorliegende Erfindung hat sich als be
sondes brauchbar in Verbindung mit der in dieser Patent
anmeldung beschriebenen Erfindung erwiesen.
Das Spritzgießen von Polymeren ist eine gut entwickelte
Technik. Es gibt jedoch nur wenige hohle Teile, die mit
der hohen Präzision und mit der hohen Qualität spritzge
gossen worden sind, wie sie bei der Fabrikation von Gas
turbinenblättern erforderlich sind. Beispielsweise kann
die Wandstärke (d. h. die Modelldicke) eines Gasturbinen
blatts zwischen 1,3 und 0,55 mm variieren, wobei die
Festhaltetoleranz besser als ± 0,012 mm zu sein hat.
Dies scheint zunächst kein übermäßig strenges Erfordernis,
jedoch besitzt der geformte keramische Kern selbst Ab
weichungen, welche sich mit denjenigen des Spritzgußver
fahrens addieren. Da außerdem der Kern spröde und oftmals
brüchig ist, kann er nicht durch starke Klemmkräfte fest
gehalten werden, weshalb Verformungen und gewisse Bewe
gungen in der Form berücksichtigt werden müssen. Deshalb
ist das Problem einer genauen Modellherstellung wichtig,
wie Fachleute auf dem vorliegenden Gebiet genau wissen.
Es ist nötig, daß das Spritzgießen rasch durchgeführt
wird, damit das heiße Material alle kleineren Hohlräume
auffüllen kann. Dies erfordert hohe Drücke. Wenn jedoch
der Druck erhöht wird, dann können Druckunterschiede
am Kern verursachen, daß dieser aus seiner Lage geschoben
wird, wobei ein unpräzises Teil erhalten wird. Der Kern
kann dabei sogar brechen. Zur Erhöhung der Fließfähig
keit kann die Temperatur erhöht werden. Dann ergeben sich
aber Probleme mit der Schrumpfung, weshalb die Tempera
tur beschränkt werden muß. Die Form, mit welcher das
Modell hergestellt wird, besteht notwendigerweise aus
mehreren Teilen, die voneinander getrennt und präzise
fest miteinander verbunden werden müssen, wobei sie die
Innendrücke des Formungsverfahrens des thermoplastischen
Kunststoffs aushalten müssen. Es ist deshalb erwünscht,
daß die Anzahl der einzelnen Teile der Form beschränkt
ist. Schließlich müssen Vorkehrungen getroffen werden,
den Kern sowohl vor dem Schließen der Form als auch wäh
rend des Spritzgußprozesses festzuhalten. Diese Vorkeh
rungen sollten aber die Herstellung eines genauen Modells
nicht stören.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich nun mit der Zu
führung des geschmolzenen Polymers zur Form und der Ver
teilung desselben in der Form. Der Ausdruck "Verteilung"
bezieht sich auf die Art und Weise, mit der das geschmol
zene Material in die verschiedenen Teile des Hohlraums
der Form gebracht wird. Typischerweise wird das Material
in die Form an einem einzigen Punkt eingebracht und dann
mit Hilfe von Kanälen verteilt. Siehe beispielsweise
die US-PSen 22 79 380 und 15 16 667. Typischerweise werden
einzelne Teile durch einzelne Speisekanäle beschickt,
natürlich können bei größeren Teilen auch komplexere
Speisekanalsysteme verwendet werden. Da Gasturbinenblätter
auf dem Gebiete des Spritzgusses als verhältnismäßig klein
gelten, war es bisher üblich, einen einzigen Speisekanal
hierfür zu verwenden.
Trotz der Anstrengungen und der bekannten Technologie
wurden Veränderungen in der Wanddicke der Modelle über
das optimal Wünschenswerte hinaus festgestellt. Weiter
hin ergeben Runzellinien und dergleichen, entlang denen
das Polymer innerhalb der Form fließt, in der Oberfläche
des Modells und des damit hergestellten Teils Uneben
heiten, wodurch die erreichbare Toleranz weiter beeinflußt
wird. Demgemäß besteht ein Bedarf für ein verbessertes
Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen Präzi
sionsmodellen, die keramische Kerne enthalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2
so weiterzubilden, daß die Qualität eines dünnwan
digen Wachsmodells verbessert und eine
Verschiebung und/oder ein Bruch eines verhältnismäßig zer
brechlichen keramischen Kerns in der Form vermieden
wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und
2 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen beschrieben.
Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vor
richtung, bei denen ein erhärtbares Material, wie
z. B. Wachs, Polymer oder Metall, zu beiden Seiten des Kerns eingespritzt wird.
Vorzugsweise erfolgt dies im Falle von dünnwandigen Gas
turbinenblättern mit Hilfe von Speisekanälen, die im wesentlichen parallel
zur Längsachse des zu gießenden Teils bzw. des Kerns verlaufen. Bei der besten Aus
führungsform gemäß der Erfindung werden die Speisekanäle
von einem gemeinsamen Sockel außen an der Form beschickt,
während Wachs von einer einzigen Düse mit einer einzigen
Austrittsöffnung zugeführt wird. Die Düse besitzt an ihrer
Spitze einen Entlastungskanal, so daß, wenn die Düse und
der Sockel in Anlage aneinander gebracht und
miteinander ausgerichtet sind, ein Hohlraum vor
handen ist, in welchem Wachs von der Düsenbohrung zu den
einzelnen Speisekanälen fließt. Bei der praktischen Anwen
dung der Erfindung wird zwischen den Speisekanälen im
Sockel keine feste Materialbrücke ausgebildet, wie dies an
und für sich zu erwarten wäre. Infolgedessen ist die Ent
nahme des Modells und der daran befestigten Speisekanäle
aus der Form leicht durch eine Längsbewegung des Modells
vom Sockel weg entlang der Formoberfläche möglich. Dies
vermeidet die Notwendigkeit einer Trennung des Körpers,
der die Speisekanäle enthält, wodurch die Formkonstruktion
vereinfacht wird. Bei einer Weiterbildung der
Erfindung kann der Fluß zu den verschiedenen Teilen der
Form dadurch kontrolliert werden, daß man den Durchmes
ser oder die Form der Speisekanäle verändert.
Die vorliegende Erfindung schafft ein einfaches und trotz
dem wirksames Mittel für die Verbesserung der Herstellung
von Modellen. Runzellinien und Fließlinien werden
beseitigt, und die Oberflächenbeschaffenheit und die
Modelldetails werden verbessert. Die Gefahr einer Verschiebung
und/oder eines Bruchs des Kerns infolge von unausgewogenen Drücken während des Spritzgießens wird wesentlich verringert.
Natürlich hat eine Verbesserung der Modelle auch ge
nauere Teile zur Folge, weshalb die Gesamtkosten des
Herstellungsverfahrens verringert werden.
Die Erfindung eignet sich beim Spritzguß von Modellen
mit Kernen zur Herstellung der verschiedensten hohlen
Gegenstände, insbesondere solcher mit sehr dünnen Wan
dungen. Die Erfindung hat sich als besonders brauchbar
als Teil eines neuen Konzepts zur Herstellung von Turbi
nenblättern erwiesen. Dieses neue Konzept besteht darin,
daß zunächst ein hohler in entgegengesetzte Hälften trenn
barer Gegenstand gegossen wird, worauf dann diese Hälften
getrennt und in einen fertigen Gegenstand vereinigt wer
den. So kann eine größere Kompliziertheit in den inneren
Formen durch den Kern gestattet werden. Außerdem ist ei
ne leichte Überprüfung des inneren Hohlraums möglich.
Schließlich sind Kerne mit größerem Querschnitt und mit
größerer Steifheit verwendbar.
Eine Investmentgießform und ein Investmentgießverfahren,
welche sich auf das obige Konzept beziehen, sind in der
US-PS 39 81 344 beschrieben. Eine besonders zweckmäßige
Art und Weise zur Herstellung eines einheitlichen Mo
dellzusammenbaus, von dem eine akkurate Form hergestellt
werden kann, ist in der US-PS 40 62 396 beschrieben.
Auf beide US-PSen wird hier ausdrücklich Bezug genommen.
Es können die verschiedensten Vorrichtungen zum Spritz
gießen von Modellen verwendet werden. Gemäß der
Erfindung wird eine handelsübliche Maschine verwendet.
Die Maschine besitzt ein erhitztbares Reservoir für z. B. ge
schmolzenes Wachs, welches unter Druck zu einer Düse ge
führt wird. Die Modellform ist durch eine mehrteilige
Metallform, die in die Maschine einsetzbar ist, defi
niert. Ein keramischer Kern wird in der Form angeordnet,
die dann geschlossen und mit der Düse verbunden wird.
Die Maschine übt auf die Form einen Druck aus, damit
sie in geschlossenem Zustand gehalten wird, währenddes
sen Wachs durch die Düse unter kontrollierten Tempera
tur-, Druck- und Fließbedingungen in die Form eingespritzt
wird. Üblicherweise wird der Druck des flüssigen Wachses
am Formeneingang aufrechterhalten, bis das Modell sich
verfestigt hat, um zusätzliches Wachs zu liefern, wenn
sich das Modell verfestigt und schrumpft.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrich
tung zum Spritzgießen von Modellen in einer
Metallform;
Fig. 2 einen Schnitt durch den Hohlraum der Form
von Fig. 1 im Bereich eines Turbinenblatts,
wobei der keramische Kern und das dünnwan
dige Modell zu sehen sind;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung von
Fig. 1, wobei die einzelnen Teile zusammen
gefügt sind; und
Fig. 4 eine andere Ausführungsform der Düse von
Fig. 1.
Gemäß Fig. 1 ist eine mehrteilige Form 20 von verhältnis
mäßig einfacher Gestalt aus drei primären Elementen zusam
mengefügt. Ein erster Formenteil 22 und ein zweiter For
menteil 24 passen so zusammen, daß sie einen Hohlraum
28 bilden, der die äußeren Dimensionen des Modells für
das gewünschte Gasturbinenblatt definiert. Ein drittes
Teil, nämlich ein Speisekanalkörper 26 überführt Wachs
von einem Aufnahmepunkt zu den anderen beiden Formentei
len, die während des Einspritzens von Wachs fest mitein
ander verklemmt sind. Die Elemente können auseinander
genommen werden, wenn ein Zugang zum Hohlraum gewünscht
wird. Dies geschieht automatisch mit Hilfe von hydrauli
schen Zylindern, Gleitern, Führungen und dergleichen,
die nicht dargestellt sind. Geschmolzenes Wachs wird in
einem Reservoir (Quelle) 30 bevorratet und tritt von einer Düse
32 aus, die mit dem Reservoir verbunden ist. Die Düse
paßt mit einem Sockel 34 zusammen, der auf der Oberfläche
des Speisekanalkörpers 26 der Form angebracht ist.
Fig. 2 zeigt den mit Wachs 35 gefüllten Hohlraum 28 des
Turbinenblattmodells. Das Wachs 35 umgibt einen kera
mischen Kern 36, der über die gesamte Länge des Blatts
verläuft und der es schließlich ermöglicht, das hohle
Gußstück in zwei Teile zu spalten. Die Dicke des Wachs
modells im gezeigten Querschnitt beträgt typischerweise
0,5 bis 1,3 mm. Das typische gezeigte Modell besitzt
eine Länge von 24 cm und eine Breite von 6 cm. Der tat
sächliche Blatteil besitzt eine Länge von ungefähr
14 cm. Der Gesamtvolumen des Modells macht ungefähr
180 cm3 aus. Es ist deshalb klar, daß ein beträchtliches Ma
terialvolumen eingespritzt werden muß und daß ein großer
Teil desselben durch einen verhältnismäßig engen
Raum zwischen dem Kern und der Formwandung hindurch muß.
Bei dem Längsschnitt von Fig. 3 durch die in Fig. 1 ge
zeigte Vorrichtung ist die Düse 32 am Speisekanalkörper 26
angeschlossen. Es ist ersichtlich, daß der Kern 36 in
nerhalb der Form mit mehreren Lokalisierungsstiften 38
und 38′ festgehalten wird. Die Funktion und die Anordnung
dieser Stifte ist näher in der weiter oben angegebenen
Patentanmeldung beschrieben. Die Stifte dienen dazu, den
Kern in drei Ebenen zu lokalisieren. Da jedoch der Kern
aus einem spröden keramischen Material besteht und kleine
Abweichungen aufweist, müssen innerhalb der Form Vorkeh
rungen getroffen sein, um diese beiden Merkmale zu be
rücksichtigen, so daß das Teil nicht bricht. Wie zu sehen
sind die Stifte 38 federbelastet. In anderen Fällen sind
alle Stifte unbeweglich, wobei sie jedoch einen solchen
Abstand aufweisen, daß sie einen Kern mit den maximalen
dimensionalen Abweichungen aufnehmen können. Dies hat
zur Folge, daß eine gewisse Anzahl von Kernen lose sitzt
und deshalb verschoben werden kann. In beiden Fällen wur
de jedoch festgestellt, daß (a) der Kern beim Einspritzen
von Wachs in die Form einer gewissen Bewegung unterliegt,
der Abstand zwischen der Wandung des Blatts und dem Kern
im Hohlraum der Form verhältnismäßig klein ist und
schwierig zu füllen ist, weshalb das Fließen behindert
wird und zu Runzellinien führen kann, und (c) der Kern
während des Spritzgusses oftmals verbogen oder sogar ge
brochen wird, und zwar insbesondere zwischen den Loka
lisierungsstiften. Der Kern 36 wird außerdem durch einen
Kühlstab 40, von dem weiter unten die Rede sein wird,
locker gehalten.
Die Düse 32 besitzt eine zentrale Bohrung 42, die mit
dem geschmolzenen Wachs 44 in Verbindung steht, das
sich im Reservoir 30 befindet. Ein längsbeweglicher
Drosselstab 46 kontrolliert das Fließen des Wachses aus
der Düsenaustrittsöffnung 48. Der Drosselstab 46 wird
durch einen hydraulischen Zylinder o. dgl. (nicht darge
stellt) bewegt. Die Düse ist außerdem mit einem Heiz
element 50 ausgerüstet, um die Düse über dem Schmelz
punkt des darin enthaltenen Wachses zu halten. Das
Düsenende besitzt eine Halbkugelform. Das gleiche gilt
für den Sockel 34 im Speisekanalkörper 26. Die Spitze
der Düse ist typischerweise etwas erweitert oder abge
schnitten, wie dies durch einen Oberflächenabschnitt 51 dargestellt wird
(Größenordnung 0,01 mm), um zu vermeiden, daß die Düsen
spitze aufsitzt. Es soll vielmehr eine Anlagelinie zwi
schen der Düse und dem Sockel bestehen, da sich dies zur
Erzielung einer guten Abdichtung als wünschenswert er
wiesen hat. Wenn also die beiden Teile in der Spritzguß
maschine dicht aneinandergedrückt werden, dann wird
eine Metall-auf-Metall-Dichtung erzielt, welche den Aus
tritt von Wachs verhindert, auch wenn eine geringe Fehl
ausrichtung vorliegt. Mit dem Sockel 34 sind zwei gerade
Speisekanäle 52 und 52′, die einen kreisförmigen Quer
schnitt aufweisen, ausgerichtet. Die Speisekanäle, die
einen Durchmesser von ungefähr 8 mm aufweisen, besitzen
in Richtung auf das Modell einen sich leicht erweitern
den Durchmesser (entlang der Achse beträgt der eingeschlos
sene Winkel ungefähr 60′′). Die Speisekanäle münden am
Sockel mit zwei Öffnungen 54 und 54′ und reichen auf der
anderen Seite bis zu dem Modell an der Wurzel des Tur
binenblatts. Es ist ersichtlich, daß die Speisekanäle
parallel zur Längsachse des Turbinenblatts (± einige
Grad) verlaufen und daß ein Speisekanal zu beiden Sei
ten der Längsprojektion der mittleren Kontur des Kerns
angeordnet ist. Es ist weiter zu beobachten, daß der
Kühlstab zwischen den Punkten angeordnet ist, an denen
die Speisekanäle in den Hohlraum der Form münden. Die
Art und Weise, wie die Düsenaustrittsöffnung 48 mit
den Speisekanalöffnungen 54 und 54′ in Verbindung steht,
ist bemerkenswert. Eine Rinne 56 (siehe insbesondere
Fig. 1) ist in die Vorderseite der Düse eingearbeitet,
derart, daß sie die Düsenaustrittsöffnung 48 schneidet.
Diese Rinne stellt eine Oberflächenausnehmung 56 in der Düse dar und
bildet somit mit dem Sockel einen Hohlraum 58, durch
welchen Wachs von der Düse in jeden der Speisekanäle
fließen kann. Die Rinne verläuft senkrecht zur Längs
achse und besitzt bei einem Kugelradius der Düse von
17 mm einen halbkreisförmigen Querschnitt mit einem Ra
dius von ungefähr 4,4 mm. Die Rinne besitzt eine Tiefe
(ungefähr 2,2 mm) und eine Länge (25 mm), wie sie gerade
nötig sind, um die beiden Öffnungen, die einen Abstand
von 9 mm aufweisen, zu verbinden, so daß die Rinne, deren
effektive Breite natürlich in radialer Richtung abnimmt,
an der Öffnung ausreichend breit ist, um das Wachs voll
ständig zuzuführen. Die erforderlichen Merkmale der
Rinne sind weiter unten näher beschrieben.
Die Betriebsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung
wird nun näher erläutert. Der Speisekanalkörper 26 wird
mit dem zweiten Formteil 24 in Anlage gebracht. Der Kern
36 wird in die Form eingeführt. Die Lokalisierung des
Kerns wird durch die Stifte bewerkstelligt. Das Festhalten
vor dem Schließen wird, wenn es die Modellform und ihre
Lage erfordert, durch das Ende 64 des Kühlstabs 40 unter
stützt. Als nächstes wird der zweite Formteil 22 der
Form mit den anderen Teilen in Anlage gebracht, wobei
der Kern im Hohlraum der Form durch die Wirkung der
Stifte lokalisiert wird. Die Form besitzt vorzugsweise
eine Temperatur von etwa 27°C. Die mehrteilige Form 20
wird dann dicht gegen die Düse gepreßt. Wachs, wie z. B.
KC 401 - Formenwachs auf Mineralbasis (Kindt Collins, Inc.,
Cleveland, Ohio), welches einen Schmelzpunkt von ungefähr
73°C aufweist, wird mit einer Temperatur zwischen 77 und
93°C, vorzugsweise 82°C, und einem Druck zwischen 100
und 1500 kPa, vorzugsweise ungefähr 1300 kPa zur Düse
geführt. Der Drosselstab 46 wird zurückgezogen, damit
das Wachs in den Hohlraum 58, durch die Öffnungen 54, 54′,
durch die Speisekanäle 52, 52′ in den Hohlraum 28 der
Form fließen kann. Der Drosselstab wird offen gelassen,
bis ausreichend Zeit verstrichen ist, typischerweise
etwa 120s, um das Wachs verfestigen zu lassen. Der Kühl
stab 40 verringert das Volumen des Wachses im
Wurzelteil des Turbinenblatts und beschleunigt seine Ver
festigung durch Abführung von Wärme in den Speisekanal
körper 26 und dann zur Umgebung. Natürlich verfestigt
sich auch das Wachs in den Speisekanälen. Auf Grund der
Temperatur der Düse wird angenommen, daß das Wachs im
Hohlraum 58, der zwischen der Düse und dem Sockel ausge
bildet ist, sich nicht vollständig verfestigt, obwohl
sich sicherlich eine feste Haut dort bildet, wo das Wachs
im Hohlraum die kalte Sockeloberfläche berührt. Hierauf
wird der Drosselstab 46 vorwärts bewegt, um die Düse
zu schließen. Die Düse wird dann vom Speisekanalkörper
getrennt. Nach diesem Vorgang wird festgestellt (ver
mutlich als Folge von Kapillarwirkung), daß das halb
geschmolzene Wachs im Hohlraum 58 in der Rinne 56 der
Düse festgehalten wird. Infolgedessen liegt kein verfestig
tes Material vor, welches die beiden Speisekanal
öffnungen 54, 54′ verbindet. Als nächstes wird der Spei
sekanalkörper 26 von den nach wie vor miteinander ver
bundenen Formteilen 22 und 24 getrennt. Da die Speise
kanäle sich leicht verjüngen und parallel zum Kühlstab
und zur Achse der Teile verlaufen und da eine gewisse
Schrumpfung stattfindet und da außerdem im Sockel kein
verbindendes Material vorliegt, bleiben die in den
Speisekanälen gebildeten Stäbchen mit dem Rest des Mo
dells verbunden und werden deshalb aus den Speisekanälen
herausgezogen. Es ist ersichtlich, daß keine Notwendig
keit besteht, die Speisekanalkörper zu teilen, da ein
Rückstand, der die Speisekanäle an den Öffnungen ver
bindet, nicht vorliegt. Hierauf können die anderen bei
den Formteile 22 und 24 voneinander getrennt und das
Modell von Hand entnommen werden, und zwar mit oder ohne
Hilfe von Auswurfstiften, die in der Technik allgemein
bekannt sind.
Experimentell wurde gefunden, daß das Einspritzen des
Wachses durch zwei Speisekanäle in der eben beschriebenen
Art das Auftreten von Kernbrüchen stark verringert und
gleichzeitig ein vollständiges Auffüllen des Modells,
auch an dünnwandigen Stellen, ergibt, ohne daß Runzelli
nien anwesend sind, die bei Verwendung eines einzigen
Speisekanals auftreten. Wenn die einander gegenüberlie
genden Seiten des Kerns ungleiche Volumina aufweisen
oder wenn es anderweitig vorteilhaft erscheint, dann kann
der Fluß zu den beiden Seiten des Kerns durch unterschied
liche Bemessung der Speisekanaldurchmesser beeinflußt wer
den. Hierzu ist es auch möglich, verschiedene Durchmes
ser an den Öffnungen 54 und 54′ vorzusehen. Die Form eines
hohlen Turbinenblatts macht es insbesondere nötig, das
Einspritzen zu beiden Seiten der Wurzelenden oder der
spitzen Enden durchzuführen, um ein Auffüllen des Modells
mit möglichst wenig hydrostatischen Kräften am Kern zu
erzielen. Bei Teilen mit unterschiedlicher oder mit
komplizierterer Formgebung, wie z. B. bei solchen mit mehr
als einem Kern, können mehr als zwei entsprechend den
Prinzipien der vorliegenden Erfindung angeordnete Speise
kanäle zweckmäßig sein. Für Kunststoffe mit einer gewissen
Dehnfähigkeit müssen die Speisekanäle nicht vollständig
gerade oder parallel zur Achse des Teils verlaufen. Sie
müssen lediglich ein Ausziehen der Gußstäbchen ermögli
chen.
Die erfindungsgemäße Kombination aus Düse und Sockel
kann auch mit Speisekanalkörpern und Formen verwendet
werden, bei denen die Gußstäbchen nicht entlang der
Längsachse herausgezogen, sondern durch Teilen des Spei
sekanalkörpers entfernt werden können. Gegebenenfalls
kann der Speisekanalkörper ein integraler Teil einer
oder beider Formteile sein. Gegebenenfalls können auch
mehr als drei Elemente für die mehrteilige Form ver
wendet werden. In einem solchen Fall gestattet es die
Erfindung, Polymer durch gesonderte Speisekanäle ein
zuführen, ermöglicht es aber gleichzeitig, die Gußstäbchen
und die damit verbundenen Gegenstände nach der Ver
festigung zu entnehmen, ohne daß die Gußstäbchen abge
brochen werden. Dies beschleunigt und vereinfacht die Her
stellung.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Düse
verhältnismäßig einfach ist und nur eine einzige Boh
rung besitzt, daß aber trotzdem mehrere Speisekanäle
damit beschickt werden können. Wenn mehr als zwei Spei
sekanäle vorgesehen sind, dann muß natürlich die Form
der Rinne 56 in der Spitze unter Umständen verändert
werden. Fig. 4 zeigt beispielsweise zwei Rinnen 60 und
62, die im rechten Winkel zueinander verlaufen, so daß
die Düse für die Beschickung von vier Speisekanälen ge
eignet ist. Es wurden bisher noch nicht viele Formen
für diese Ausnehmungen an der Düse über die in den Zeich
nungen gezeigten hinaus untersucht. Da jedoch beobachtet
wurde, daß in der Ausnehmung geschmolzenes Wachs aus dem
Hohlraum festgehalten wird, ist es wahrscheinlich, daß
die Ausnehmung eine bestimmte Form aufweisen muß, da
mit die erwünschte Kapillarwirkung eintritt. Es wurde
beobachtet, daß eine vollständig flache Ausnehmung,
wie sie beispielsweise durch eine Abflachung der Spitze
entsteht (beispielsweise durch eine beträchtliche Aus
dehnung der Ausnehmung, welche den Raum 51 erzeugt), nicht
wirksam ist. Es entsteht eine Brücke zwischen den Spei
sekanalöffnungen 54, 54′. Daraus wurde das Prinzip abge
leitet, daß die Oberfläche der Ausnehmung in der Düse
größer sein muß als die anliegende Oberfläche des Teils
des Sockels, mit dem zusammen die Ausnehmung den Hohlraum
58 bildet. Daraus folgt logisch, daß das Verhältnis der
Düsenoberfläche zur Sockeloberfläche (das sind die Ober
flächen der Teile, welche den Hohlraum bilden) möglichst
groß sein soll, um den Effekt zu steigern. Infolgedessen
wird angenommen, daß ein Kanal oder eine andere Ausneh
mung an der Spitze und nicht nur ein einfaches Abschnei
den der Spitze nötig ist, damit die obigen Kriterien er
reicht werden.
Neben Rinnen können auch andere Formen diese Kriterien
erfüllen. Beispielsweise können diese Kriterien erfüllt
werden, wenn die Austrittsöffnung 48 der Düse konisch
nach außen bis zu einem Durchmesser erweitert wird, der
ausreicht, die Öffnungen zu umschreiben. Eine solche
Formgestaltung ist aber für zwei Öffnungen nicht die beste,
da eine Rinne vergleichsweise weniger Sockeloberfläche
freigibt und deshalb ein besseres Verhältnis von freier
Düsenoberfläche zu freier Sockeloberfläche erreicht
wird. Um die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah
rens weiter zu verbessern, sollte der Sockel hoch poliert
sein und periodisch mit einem Entformungsmittel, wie
z. B. einem Silikonöl, bespritzt werden.
Die Erfindung kann auch in einer Düsen/Form-Verbindung
verwendet werden, bei der kein Sockel vorhanden ist,
wenn eine andere Ausrichtungs- und Abdichtungsmöglichkeit
vorgesehen wird. Beispielsweise kann die Form einfach
eine flache Oberfläche mit zwei Öffnungen und die Düse
eine flache Spitze, die an der flachen Oberfläche an
liegt, aufweisen. Die Düse wird dann eine rinnenartige
Ausnehmung im flachen Spitzenteil aufweisen, damit
das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Eine Abdichtung könnte durch eine Standardflächendich
tung erreicht werden, wie z. B. durch einen O-Ring. Die
Ausrichtung kann dabei leicht erreicht werden. Die
Erfindung kann auch in solchen Fällen nützlich sein, wo
nur mit einer einzigen Eintrittsöffnung in die Form
gearbeitet wird, beispielsweise, wenn eine Ausrichtung
nicht erreicht werden kann und wenn eine Preßfahnenbil
dung an der Eintrittsöffnung der Form vermieden werden
muß.
Durch die vorliegende Erfindung werden Kernbrüche und
Kernverschiebungen verringert. Außerdem werden gleichför
mige und von Runzellinien freie Modelle erhalten. Dies
ist der gleichmäßigen Verteilung des Wachses zuzuschrei
ben, das durch die Speisekanäle zu beiden Seiten der
Kernlinie zugeführt wird. Die Formkonstruktion wird ver
einfacht, da es nicht nötig ist, daß der Speisekanal
körper geöffnet werden kann, um eine Entfernung des Ma
terials im Speisekanal zu gestatten. Außerdem muß der
Arbeiter keine restliche Brücke zwischen den Speise
kanälen entfernen. Die Erfindung erleichtert also die
Massenproduktion von Modellen.
Wie bereits erwähnt, wurde festgestellt, daß sich die
Erfindung auf die Herstellung von anderen hohlen Prä
zisionsteilen anwenden läßt. Sie kann aber auch auf
Teile angewendet werden, die nicht hohl sind oder die
durch Kerne od. dgl. getrennt sind. Die Erfindung ist in
gleicher Weise nützlich zum Einspritzen anderer Mate
rialien als Wachs, einschließlich von Thermoplasten,
anderen Polymeren und sogar Metallen.
Claims (9)
1. Spritzgußverfahren unter Verwendung einer Düse mit
einer einzigen Öffnung und einer Form mit mehreren Öffnun
gen, dadurch gekennzeichnet, daß festes Material daran
gehindert wird, zwischen den Öffnungen (48, 54, 54′) eine
Brücke zu bilden, indem in der Düse (32) eine Oberflächen
ausnehmung (56) geschaffen wird, die, wenn die Düse (32) mit
der Form (20, 26) in Anlage gebracht wird, mit einem Ober
flächenabschnitt (51) der Form einen Flüssigkeitshohlraum
(58) bildet, der die Öffnungen (48, 54, 54′) verbindet,
wobei die Oberflächenausnehmung (56) eine größere Oberfläche
als der Oberflächenabschnitt (51) der Form (20) aufweist.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Spritzgußverfahrens
nach Anspruch 1, mit einem Hohlraum (28) in einer mehrteili
gen Form (20), wobei ein Modell aus festem, jedoch schmelz
baren Material, insbesondere thermoplastischem Polymer,
Wachs oder Metall hergestellt wird und wobei in dem Modell
genau ein dünner keramischer Kern (36) angeordnet ist, so
daß ein dünnwandiger Gegenstand, wie z. B. ein hohles Turbi
nenblatt, definiert wird, gekennzeichnet durch
eine Quelle (30) für das geschmolzene Material;
eine Düse (32) mit einer zentralen Bohrung, die bis zu einer Öffnung (48) an ihrer Spitze verläuft und eine Oberflächen ausnehmung (56) aufweist, welche die Öffnung (48) schneidet, wobei die Düse (32) mit der Quelle (30) für die Zuführung des Materials zur Spitze verbunden ist;
einen Sockel (34) in der Formoberfläche, wobei der Sockel (34) mindestens zwei Öffnungen (54, 54′) aufweist und wobei der Sockel (34) so geformt ist, daß er die Düse (32) auf nimmt und eine flüssigkeitsdichte Abdichtung damit bildet;
wobei die Oberflächenausnehmung (56) der Düse (32), wenn sie am Sockel (34) anliegt, einen Hohlraum (58) definiert, der den zentralen Teil der Düse (32) mit den Öffnungen (54, 54′) der Form (20) verbindet; und
eine Einrichtung für die Zuführung des Materials gesondert von jeder Sockelöffnung (54, 54′) zum Modellhohlraum in der Form (20).
eine Quelle (30) für das geschmolzene Material;
eine Düse (32) mit einer zentralen Bohrung, die bis zu einer Öffnung (48) an ihrer Spitze verläuft und eine Oberflächen ausnehmung (56) aufweist, welche die Öffnung (48) schneidet, wobei die Düse (32) mit der Quelle (30) für die Zuführung des Materials zur Spitze verbunden ist;
einen Sockel (34) in der Formoberfläche, wobei der Sockel (34) mindestens zwei Öffnungen (54, 54′) aufweist und wobei der Sockel (34) so geformt ist, daß er die Düse (32) auf nimmt und eine flüssigkeitsdichte Abdichtung damit bildet;
wobei die Oberflächenausnehmung (56) der Düse (32), wenn sie am Sockel (34) anliegt, einen Hohlraum (58) definiert, der den zentralen Teil der Düse (32) mit den Öffnungen (54, 54′) der Form (20) verbindet; und
eine Einrichtung für die Zuführung des Materials gesondert von jeder Sockelöffnung (54, 54′) zum Modellhohlraum in der Form (20).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung für die Zuführung des Materials von den
Öffnungen zu dem Modellhohlraum Speisekanäle (52, 52′)
umfaßt, welche in den Modellhohlraum (28) am Ende des Gegen
standes zu beiden Seiten einer Verlängerung der Mittelebene
des Kerns (36) münden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Speisekanäle (52, 52′) parallel in einem Speiseka
nalkörper (26) angeordnet sind, so daß das darin verfestigte
Material durch Bewegung des daran haftenden Modells in
Richtung auf den Modellhohlraum (28) herausgezogen werden
kann, damit ein einstückiger Speisekanalkörper (26) ver
wendet werden kann.
5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Einrich
tung aufweist, mit der die Strömungsgeschwindigkeit, mit der
das Material zu den einzelnen Punkten im Modellhohlraum (28)
geführt werden kann, anpaßbar ist, so daß ein gleichförmi
gerer Gegenstand entsteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Querschnittsflächen oder die Öffnungen (54, 54′) der
Speisekanäle (52, 52′) in Anpassung an unterschiedliche
Volumina der Hohlraumabschnitte zu beiden Seiten des Kerns
(36) unterschiedlich groß sind.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (32) eine kreuzför
mige Oberflächenausnehmung (56) aufweist, die mit vier
Speisekanälen korrespondiert.
8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (32) halbkugelförmig
und der Sockel (34) entsprechend konkav geformt sind.
9. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch eine Kombination,
bestehend aus einer einzigen Düsenöffnung (48) mit einer
Ausnehmung (58) und mehreren Formöffnungen (54, 54′), wobei
die Düse (32) und die Form (20), wenn sie aneinander anlie
gen, einen Flüssigkeit führenden Hohlraum (58) bilden und
wobei der Teil der Düse (32), der den Hohlraum (58) defi
niert, eine größere Oberfläche aufweist als der anliegende Oberflächen
abschnitt (51) der Form (20), welche den Hohlraum (58) definiert.
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