DE4310246C2 - Verfahren zur Herstellung leichter, biege- und verwindungssteifer Werkstücke aus Keramik - Google Patents

Description

Bei Positionier- und Bestücksystemen, wie z. B. SMD- Bestückautomaten muß die Positioniereinheit in X- und Y-Richtung verfahren werden können. Für die X-, Y-Positionierachsen wird hierbei eine raumsparende Portalbauweise bevorzugt, bei welcher das Portal selbst beispielsweise 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 Antriebs- bzw. Bremsleistungen zu erreichen, ist die be­ wegte Masse möglichst gering zu halten. Andererseits ergibt sich jedoch die Notwendigkeit, die Portale biege- und verwindungssteif 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 ent­ sprechende Modelle bereitgestellt, wobei diese soge­ nannten "verlorenen" Modelle meist aus Wachsen, thermo­ plastischen Werkstoffen, Harnstoff oder deren Ge­ mischen bestehen. Die Herstellung entsprechender Gießformen erfolgt dann durch wiederholtes Eintau­ chen 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 Modellwerk­ stoffs werden die Modelle dann ausgeschmolzen, ausge­ löst oder ausgebrannt. Anschließend wird die kerami­ sche Schale bei Temperaturen von über 1000°C ge­ brannt, wobei die für das nachfolgende Gießen erfor­ derliche Festigkeit erreicht wird. Das Abgießen erfolgt in die noch heiße Formschale, wobei als Werkstoffe für das Vergießen beispielsweise Stähle verwendet werden. Nach der Entfernung bzw. Zerstörung der Formschale erfolgt eine Nachbearbeitung durch Schleifen und gege­ benenfalls eine Wärmebehandlung.

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

Das erfindungsgemäße Verfahren weist Ähnlichkeiten mit dem eingangs geschilderten Feingießen nach dem verlorenen Modell auf, wobei jedoch der beim Feingießen erforderliche 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 verlorenen Formkörpers 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 Verfahren die Möglichkeit zu optimalem Gestalten, wobei insbesondere die konstruktiven Erfordernisse für eine hohe Biege- und Verwindungssteifigkeit berücksich­ tigt werden können. Als weitere, mit der Erfindung er­ zielbare Vorteile sind die Eigenschaften der als Werk­ stoff verwendeten Keramik zu nennen, wobei hier ins­ besondere der hohe Elastizitätsmodul, das geringe spe­ zifische Gewicht und die geringen thermisch bedingten Dehnungen hervorzuheben sind. Der bisher für biege- und verwindungssteife Werkstücke bevorzugte Stahl hat einen Elastizitätsmodul von ca. 2,1 × 10⁷ N/cm², einen Wärmeaustauschungskoeffizienten von ca. 11 × 10^-6 m/mK und ein spezifisches Gewicht von ca. 7,8 g/cm³. Keramik dagegen hat einen um Faktor 1,5 höheren Elastizitätsmodul, einen erheblich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten 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 Konstruk­ tion von biege- und verwindungssteifen Werkstücken möglich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich demgemäß unter Verwendung geeigneter Keramik­ werkstoffe 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 verlorenen Formkörpers in den Keramik­ schlicker und das jeweils nachfolgende Trocknen eine besonders einfache und wirtschaftliche Möglichkeit, die kera­ mische 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 Mög­ lichkeit, die Keramik mit anderen Werkstoffen zu kom­ binieren, wobei insbesondere das Ausgießen der Hohl­ räume gemäß Anspruch 5 zusätzliche Möglichkeiten der Gestaltung und der Bearbeitung einschließt. So können beispielsweise das Ausgießen mit Kunststoff oder durch das Eingießen von Metallteilen Lagerungen oder Gewindebohrungen erzeugt werden.

Die Weiterbildung nach Anspruch 6 bietet die Mög­ lichkeit, an besonders beanspruchten Stellen des Werk­ stücks durch das Ausgießen mit Metall eine weitere Erhöhung der Biege- und Verwindungssteifigkeit zu er­ reichen, wobei hier gemäß Anspruch 7 Stahl als Werk­ stoff bevorzugt wird.

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

Es zeigt

Fig. 1 einen für die Herstellung eines Portals geeigneten verlorenen Festkörper,

Fig. 2 den verlorenen Formkörper gemäß Fig. 1 nach dem Erzeugen einer keramischen Schale,

Fig. 3 das fertige, aus Keramik bestehende Werk­ stück nach dem Ausschmelzen des verlorenen Formkörpers und dem Brennen der keramischen Schale,

Fig. 4 einen Querschnitt durch den in Fig. 1 darge­ stellten verlorenen Formkörper im oberen Brückenbereich,

Fig. 5 einen Querschnitt durch das in Fig. 3 darge­ stellte Werkstück im oberen Brückenbereich,

Fig. 6 eine Variante mit einem Querschnitt durch einen als Hohlkörper ausgebildeten verlorenen Formkörper und

Fig. 7 einen Querschnitt durch den mit dem in Fig. 6 dargestellten verlorenen Formkörper 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 Formkörper M1 erzeugt, der bereits die erwünschte Por­ talform aufweist, aber gemäß Fig. 4 als Vollkörper aus­ gebildet ist. Der Formkörper M1 hat gegenüber dem herzu­ stellenden Werkstück Außenabmessungen, die um die erwünschten Wandstärken des Werkstücks verringert sind. Neben der Wandstärke des Werkstücks wird bei der Herstellung des Formkörpers M1 auch noch eine gegebe­ nenfalls auftretende Schwindung der Keramik berück­ sichtigt.

Der in Fig. 1 gezeigte Formkörper M1 wird durch wieder­ holtes Eintauchen in einen Keramikschlicker und jeweils nach­ folgendes Trocknen mit einer keramischen Schale S1 versehen, die in Fig. 2 zur Sichtbarmachung des darunter­ liegenden Formkörpers M1 teilweise aufgebrochen darge­ stellt ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Gebilde wird dann zur Ent­ fernung des Formkörpers M1 erwärmt, bis der Formkörperwerk­ stoff schmilzt. Damit der geschmolzene Formkörperwerk­ stoff austreten kann, sind die vertikalen Portalabschnitte nach unten offen oder mit in der Zeichnung nicht erkennbaren 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 ge­ schlossene Kastenquerschnitt des Werkstücks W1 ist aus der teilweise aufgebrochenen Darstellung und ins­ besondere aus dem in Fig. 5 gezeigten Querschnitt er­ sichtlich.

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 kompli­ ziertere Formen realisiert werden. So können beispiels­ weise auch Verstärkungsrippen oder Hohlräume reali­ siert werden, wobei die Hohlräume nachfolgend, bei­ spielsweise zur Erzeugung von Gewinden, mit einem leichter bearbeitbaren Material, wie Stahl, gefüllt werden können.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Variante. Hier wird ge­ mäß dem in Fig. 6 dargestellten Querschnitt ein als Hohlkörper ausgebildeter Formkörper M2 verwendet. Durch entsprechende Öffnungen dieses Formkörpers M2 können dessen Innenflächen und Außenflächen mit Keramik beschichtet werden. Hierdurch entsteht das nach dem Aufschmelzen des Formkörpers M2 und nach dem Brennen der keramischen Schale in Fig. 7 im Querschnitt dargestellten Werkstück W2. Dieses Werkstück W2 ist zur weiteren Erhöhung der Biege- und Verwindungs­ steifigkeit doppelwandig ausgebildet, wobei zwischen diesen beiden Wandungen erforderliche Verbindungs­ stege in dem dargestellten Querschnitt nicht zu erkennen sind. Die doppelwandige 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 den je­ weiligen Formkörper geeignet sind.

Claims (7)

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

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

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die keramische Schale (S1; S2) durch wiederholtes Beschichten mit dem Keramikschlicker und jeweils nachfolgendes Trocknen aus mehreren, fest miteinander verbundenen Schichten aufgebaut wird.

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

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schale (S1; S2) mit Hohlräumen zur Aufnahme nichtkeramischer Werkstoffe versehen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hohlräume nach dem Brennen mit einem nichtkeramischen Werkstoff ausgegossen werden.

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

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