DE4310246A1

DE4310246A1 - Verfahren zur Herstellung leichter, biege- und verwindungssteifer Werkstücke aus Keramik

Info

Publication number: DE4310246A1
Application number: DE19934310246
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Wacker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-03-30
Filing date: 1993-03-30
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2013-03-31
Also published as: DE4310246C2; CH686251A5

Description

Bei Positionier- und Bestücksystemen, wie z. B. SMD-Bestückautomaten muß die Positio niereinheit in X- und Y-Richtung verfahren werden können. Für die X-, Y-Positionierachsen wird hierbei eine raumsparende Portalbauweise bevorzugt, bei welcher das Portal selbst bei spielsweise in X-Richtung verfahrbar ist, während eine im horizontalen Bereich des Portals angeordnete Schlitteneinheit das Verfahren der daran befestigten Positioniereinheit in Y- Richtung ermöglicht. Um für derartige Portale hohe Beschleunigungen mit geringen An triebs- bzw. Bremsleistungen zu erreichen, ist die bewegte Masse möglichst gering zu hal ten. Andererseits ergibt sich jedoch die Notwendigkeit, die Portale biege- und verwindungs steif zu gestalten.

Biege- und verwindungssteife Werkstücke werden meist als Schweißkonstruktionen oder als Gußteile ausgeführt, wobei gegebenenfalls aber auch Profile aus Stahl oder anderen Metallen eingesetzt werden können. Bei der Herstellung der biege- und verwindungssteifen Werkstücke durch Feingießen werden zunächst entsprechende Modelle bereitgestellt, wobei diese sogenannten "verlorenen" Modelle meist aus Wachsen, thermoplastischen Werkstof fen, Harnstoff oder deren Gemischen bestehen. Die Herstellung entsprechender Gießformen erfolgt dann durch wiederholtes Eintauchen der Modelle in eine zähflüssige Formkeramik und nachfolgendes Trocknen, wobei eine keramische Schale aus mehreren, fest miteinander verbundenen Schichten entsteht. Je nach Art des verwendeten Modellwerkstoffs werden die Modelle dann ausgeschmolzen, ausgelöst oder ausgebrannt. Anschließend wird die kerami sche Schale bei Temperaturen von über 1000°C gebrannt, wobei die für das nachfolgende Gießen erforderliche Festigkeit erreicht wird. Das Abgießen erfolgt in die noch heiße Form schale, wobei als Werkstoffe für das Vergießen beispielsweise Stähle verwendet werden. Nach der Entfernung bzw. Zerstörung der Formschale erfolgt eine Nachbearbeitung durch Schleifen und gegebenenfalls eine Wärmebehandlung.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein rationelles Verfahren zur Herstellung von Werkstücken zu schaffen, wobei diese Werkstücke einerseits eine möglichst hohe Biege- und Verwindungssteifigkeit und andererseits ein möglichst ge ringes Gewicht aufweisen sollen. Das Verfahren soll dabei insbesondere für die Herstellung leichter, biege- und verwindungssteifer Portale für Positionier- und Bestücksysteme geeig net sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist Ähnlichkeiten mit dem eingangs geschilderten Feingießen nach dem verlorenen Modell auf, wobei jedoch der beim Feingießen erforderli che Gießvorgang und das Entformen des Feingußteils entfallen. Das erfindungsgemäße Verfahren endet bereits beim Brennen der keramischen Schale, da diese Schale hier das Werkstück selbst bildet und nicht lediglich ein Hilfsmittel zur Herstellung von Feingußteilen ist. Bei der Herstellung des Modells werden dementsprechend die Wandstärke des herzustellenden Werkstücks und eine eventuelle Schwindung der Keramik berücksichtigt. Wie das Feingießen nach dem verlorenen Modell, bietet auch das erfindungsgemäße Verfah ren die Möglichkeit zu optimalem Gestalten, wobei insbesondere die konstruktiven Erfor dernisse für eine hohe Biege- und Verwindungssteifigkeit berücksichtigt werden können. Als weitere, mit der Erfindung erzielbare Vorteile sind die Eigenschaften der als Werkstoff verwendeten Keramik zu nennen, wobei hier insbesondere der hohe Elastizitätsmodul, das geringe spezifische Gewicht und die geringen thermisch bedingten Dehnungen hervorzuhe ben sind. Der bisher für biege- und verwindungssteife Werkstücke bevorzugte Stahl hat ei nen Elastizitätsmodul von ca. 2,1 × 10⁷ N/cm², einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 11 × 10^-6 m/m°C und ein spezifisches Gewicht von ca. 7,8 g/cm³. Keramik dagegen hat einen um Faktor 1,5 höheren Elastizitätsmodul, einen erheblich geringeren Wärmeausdeh nungskoeffizienten und ein um ca. 4 g/cm³ niedrigeres spezifisches Gewicht. Auf Grund dieser physikalischen Eigenschaften ist eine ca. dreifach höhere Steifigkeit bei gleichem Gewicht oder ein Drittel des Gewichts bei gleicher Steifigkeit bei der Konstruktion von biege- und verwindungssteifen Werkstücken möglich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfah ren lassen sich demgemäß unter Verwendung geeigneter Keramikwerkstoffe leichte, steife und wärmedehnungsarme Werkstücke in nahezu beliebigen Formen, insbesondere auch als Hohlkörper, herstellen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 ermöglicht eine gezielte Steuerung der Wandstärke der keramischen Schale bzw. des herzustellenden Werkstücks.

Die Weiterbildung nach Anspruch 3 bietet durch das wiederholte Eintauchen des Modells in den Keramikschlicker und das nachfolgende Trocknen eine besonders einfache und wirt schaftliche Möglichkeit, die keramische Schale herzustellen, wobei auch hier die Wand stärke durch die Anzahl der Eintauchvorgänge relativ genau beeinflußt werden kann.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 bietet die Möglichkeit, die Keramik mit anderen Werk stoffen zu kombinieren, wobei insbesondere das Ausgießen der Hohlräume gemäß Anspruch 5 zusätzliche Möglichkeiten der Gestaltung und der Bearbeitung erschließt. So können bei spielsweise durch das Ausgießen mit Kunststoff oder durch das Eingießen von Metallteilen Lagerungen oder Gewindebohrungen erzeugt werden.

Die Weiterbildung nach Anspruch 6 bietet die Möglichkeit, an besonders beanspruchten Stellen des Werkstücks durch das Ausgießen mit Metall eine weitere Erhöhung der Biege- und Verwindungssteifigkeit zu erreichen, wobei hier gemäß Anspruch 7 Stahl als Werkstoff bevorzugt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im fol genden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 ein für die Herstellung eines Portals geeignetes Modell,

Fig. 2 das Modell gemäß Fig. 1 nach dem Erzeugen einer keramischen Schale,

Fig. 3 das fertige, aus Keramik bestehende Werkstück nach dem Ausschmelzen des Mo dells und dem Brennen der keramischen Schale,

Fig. 4 einen Querschnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Modell,

Fig. 5 einen Querschnitt durch das in Fig. 3 dargestellte Werkstück,

Fig. 6 eine Variante mit einem Querschnitt durch ein als Hohlkörper ausgebildetes Modell und

Fig. 7 einen Querschnitt durch das mit dem in Fig. 6 dargestellten Modell hergestellte Werkstück.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen in stark vereinfachter schematischer Darstellung verschiedene Verfahrensstadien bei der Herstellung eines aus Keramik bestehenden Portals. Gemäß Fig. 1 wird zunächst beispielsweise aus Wachs ein Modell M1 erzeugt, das bereits die er wünschte Portalform aufweist, aber gemäß Fig. 4 als Vollkörper ausgebildet ist. Das Mo dell M1 hat gegenüber dem herzustellenden Werkstück Außenabmessungen, die um die er wünschten Wandstärken des Werkstücks verringert sind. Neben der Wandstärke des Werk stücks wird bei der Herstellung des Modells M1 auch noch eine gegebenenfalls auftretende Schwindung der Keramik berücksichtigt.

Das in Fig. 1 gezeigte Modell M1 wird durch wiederholtes Eintauchen in einen Keramik schlicker und nachfolgendes Trocknen mit einer keramischen Schale S1 versehen, die in Fig. 2 zur Sichtbarmachung des darunterliegenden Modells M1 teilweise aufgebrochen dar gestellt ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Gebilde wird dann zur Entfernung des Modells M1 erwärmt, bis der Modellwerkstoff schmilzt. Damit der geschmolzene Modellwerkstoff austreten kann, sind die vertikalen Portalabschnitte nach unten offen oder mit in der Zeichnung nicht er kennbaren Löchern versehen.

Fig. 3 zeigt das fertige Werkstück W1, nach dem Brennen der keramischen Schale S1, das bei Temperaturen über 1000°C vorgenommen wird. Der zur Erzielung einer hohen Biege- und Verwindungssteifigkeit geschlossene Kastenquerschnitt des Werkstücks W1 ist aus der teilweise aufgebrochenen Darstellung und insbesondere aus dem in Fig. 5 gezeigten Quer schnitt ersichtlich.

Das in den Fig. 3 und 5 aufgezeigte Werkstück W1 bildet die einfachste Form eines hohlen Portals. Durch die optimale Gestaltungsfreiheit des erfindungsgemäßen Verfahrens können jedoch auch weitaus kompliziertere Formen realisiert werden. So können beispiels weise auch Verstärkungsrippen oder Hohlräume realisiert werden, wobei die Hohlräume nachfolgend, beispielsweise zur Erzeugung von Gewinden, mit einem leichter bearbeitbaren Material, wie Stahl, gefüllt werden können.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Variante. Hier wird gemäß dem in Fig. 6 dargestellten Querschnitt ein als Hohlkörper ausgebildetes Modell M2 verwendet. Durch entsprechende Öffnungen dieses Modells M2 können dessen Innenflächen und Außenflächen mit Keramik beschichtet werden. Hierdurch entsteht das nach dem Aufschmelzen des Modells M2 und nach dem Brennen der keramischen Schale in Fig. 7 im Querschnitt dargestellten Werk stück W2. Dieses Werkstück W2 ist zur weiteren Erhöhung der Biege- und Verwindungs steifigkeit doppelwandig ausgebildet, wobei zwischen diesen beiden Wandungen erforderli che Verbindungsstege in dem dargestellten Querschnitt nicht zu erkennen sind. Die doppel wandige Querschnittsform kann ebenfalls bei einem Portal verwendet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können keramische Werkstoffe aus der Gruppe der Oxide (Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂) der Nitride (Si₃N₄, TiN, BN) der Carbide (SiC, TiC, B₄C) und der Boride (TiB₂) verwendet werden, sofern sie für das schichtweise Aufbringen auf das jewei lige Modell geeignet sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung leichter, biege- und verwindungssteifer Werkstücke (W1; W2) aus Keramik, bei welchem

- aus einem ausschmelzbaren, auslösbaren und/oder ausbrennbaren Werkstoff ein Modell (M1; M2) hergestellt wird,
- das Modell (M1; M2) durch Beschichten mit einem Keramikschlicker und anschließendes Trocknen mit einer keramischen Schale (S1; S2) versehen wird,
- der Modellwerkstoff entfernt wird und
- das Werkstück (W1; W2) durch Brennen der keramischen Schale (S1; S2) fertiggestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schale (S1; S2) durch wiederholtes Beschichten mit dem Keramik schlicker und nachfolgendes Trocknen aus mehreren, fest miteinander verbundenen Schich ten aufgebaut wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schale (S1; S2) durch wiederholtes Eintauchen in den Keramikschlicker und nachfolgendes Trocknen aufgebaut wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die keramische Schale (S1; S2) mit Hohlräumen zur Aufnahme nicht keramischer Werkstoffe versehen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, die Hohlräume nach dem Brennen mit einem nicht keramischen Werkstoff ausgegossen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume mit Metall ausgegossen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume mit Stahl ausgegossen werden.