DE4310247A1

DE4310247A1 - Verfahren zur Herstellung leichter, biege- und verwindungssteifer Werkstücke durch Verbundguß

Info

Publication number: DE4310247A1
Application number: DE19934310247
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: CH686781A5; DE4310247C2

Description

Bei Positionier- und Bestücksystemen, wie z. B. SMD-Bestückau tomaten muß die Positioniereinheit in X- und Y-Richtung ver fahren werden können. Für die X-, Y-Positionierachsen wird hierbei eine raumsparende Portalbauweise bevorzugt, bei wel cher das Portal selbst beispielsweise in X-Richtung verfahr bar ist, während eine im horizontalen Bereich des Portals angeordnete Schlitteneinheit das Verfahren der daran befe stigten 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 halten. 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 Me tallen 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 Werkstoffen, 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, aus gelöst oder ausgebrannt. Anschließend wird die keramische 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 Formschale, 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.

Aus der DE-A-23 54 254 und der DE-B-27 50 290 sind bereits Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbundkörpern bekannt, bei welchen gegebenenfalls unter Verwendung eines Modells zunächst eine erste Gießform hergestellt wird. In die erste Gießform wird dann ein Keramikschlicker eingegossen, worauf der resultierende keramische Formkörper aus der ersten Gießform herausgenommen, getrocknet und gebrannt wird. An schließend wird der keramische Formkörper in eine zweite Gießform eingesetzt und zur Fertigstellung des Metall-Kera mik-Verbundkörpers mit Metall umgossen.

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 geringes Gewicht aufweisen sollen. Das Verfahren soll dabei insbesondere für die Herstellung leichter, biege- und verwindungssteifer Portale für Positionier- und Bestücksysteme geeig net sein.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die beim eingangs geschilderten Feingie ßen als Gießform verwendete keramische Schale nicht zerstört werden muß, sondern als keramische Außenschale eines durch Verbundguß erzeugten Verbundkörpers einen Teil des herzustellenden Werkstücks bilden kann. Das Entformen kann dabei entfallen. Trotz dieser Vereinfachung bietet auch das erfindungsgemäße Verfahren in gleicher Weise wie das Feingießen die Möglichkeit zu optimalem Gestalten, wobei insbesondere die konstruktiven Erfordernisse für eine hohe Biege- und Verwindungssteifigkeit berücksichtigt werden kön nen. Der Hauptvorteil, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstüc ke liegt jedoch in den Materialeigenschaften, der für die Außenschale verwendeten Kera mik, wobei hier insbesondere der hohe Elastizitätsmodul und das geringe spezifische Ge wicht hervorzuheben sind. So haben die meisten keramischen Werkstoffe gegenüber Stahl einen um Faktor 1,5 höheren Elastizitätsmodul und ein um ca. 4 g/cm³ niedrigeres spezifi sches Gewicht. Auf Grund dieser physikalischen Eigenschaften kann die keramische Außen schale je nach dem Verhältnis zwischen Keramik und Kernwerkstoff in einem hohen Maße zu der geforderten Biege- und Verwindungssteifigkeit beitragen, wobei sich gleichzeitig das geringe spezifische Gewicht der Keramik günstig auf das Gesamtgewicht des Verbundkör pers auswirkt. Mit der Erfindung lassen sich somit unter Verwendung geeigneter Keramiken leichte und steife Werkstücke in nahezu beliebigen Formen, insbesondere auch als Hohlfor men, herstellen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 ermöglicht eine gezielte Steuerung der Wandstärke der keramischen Schale.

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 keramische Schale mit Me tall zu einem Keramik-Metall-Verbundkörper zu kombinieren, wobei gemäß Anspruch 5 Stahl für den Kern dieses Verbundkörpers bevorzugt wird.

Die Weiterbildung nach Anspruch 6 sieht vor, die keramische Schale mit Keramik zu füllen, wobei hier dann für den gesamten Verbundkörper die Vorteile der Keramik im Hinblick auf einen hohen Elastizitätsmodul, auf ein geringes spezifisches Gewicht und auf geringe ther misch bedingte Dehnungen realisiert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgen den näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellendes Werkstück in perspekti vischer Darstellung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das zur Herstellung des in Fig. 1 dargestellten Werkstücks verwendete Modell,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine mit dem in Fig. 2 dargestellten Modell hergestellte keramische Schale nach dem Entfernen des Modells und nach dem Brennen und

Fig. 4 einen Querschnitt durch den fertigen Verbundkörper nach dem Vergießen der in Fig. 3 dargestellten keramischen Schale.

Fig. 1 zeigt stark vereinfacht in perspektivischer Darstellung ein Werkstück W, das als Portal mit einem horizontalen Abschnitt und zwei vertikalen Schenkeln ausgebildet ist. Das Werkstück W soll dabei aus Gewichtsgründen als Hohlkörper ausgebildet sein, wobei diese Hohlform in Fig. 1 jedoch nicht zu erkennen ist.

Zur Herstellung des in Fig. 1 aufgezeigten Werkstücks W wird zunächst, beispielsweise aus Wachs, ein hohles Modell M angefertigt, dessen Querschnittsform aus Fig. 2 ersicht lich ist.

Das Modell M wird anschließend durch wiederholtes Eintauchen in einen Keramikschlicker und nachfolgendes Trocknen mit einer keramischen Schale S versehen, die sowohl die In nenwandung als auch die Außenwandung des im Bereich der vertikalen Schenkel nach un ten offenen Modells M überzieht.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die keramische Schale S, nach dem Ausschmelzen des Modells M und nach dem Brennen der Keramik. Zur Herstellung einer stabilen Form sind die inneren und äußeren Wandungsteile der keramischen Schale S beispielsweise durch in der Zeichnung nicht näher dargestellte Stege stellenweise miteinander verbunden.

Nach dem Brennen der keramischen Schale erfolgt das Abgießen mit Stahl in die noch heiße Schale, wobei der in Fig. 4 im Querschnitt dargestellte Verbundkörper bzw. das fertige Werkstück W gemäß Fig. 1 entsteht. Zwischen den inneren und äußeren Wandungsteilen der keramischen Schale bildet der Stahlguß nach dem Erkalten eine in Fig. 4 mit Z be zeichnete Zwischenschicht. Wird für die keramische Schale S beispielsweise Zirkoniumdi oxid verwendet, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient und dessen Elastizitätsmodul im Bereich von Stahl liegt, so ergibt sich bei entsprechender Gewichtsersparnis eine besonders innige und feste Verbindung zwischen dem aus Stahl bestehenden Kern und der keramischen Schale des Verbundkörpers.

Das Vergießen der keramischen Schale kann aber auch mit Nichtmetallen, beispielsweise mit thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffen oder mit Gießharzen vorgenom men werden.

Im Hinblick auf eine gewünschte hohe Biege- und Verwindungssteifigkeit in Verbindung mit einem möglichst geringen Gewicht des Werkstücks W ist es besonders vorteilhaft, die keramische Schale S mit einem keramischen Werkstoff auszugießen und das gesamte Gebilde anschließend zu brennen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können für die Herstellung der keramischen Schale 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 jeweilige Modell geeignet sind. Die vor stehend aufgeführten keramischen Werkstoffe können auch für das Ausgießen der kerami schen Schale verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung leichter, biege- und verwindungssteifer Werkstücke (W) durch Verbundguß, bei welchem

- aus einem ausschmelzbaren, auslösbaren und/ausbrennbaren Werkstoff ein Modell (M) hergestellt wird,
- das Modell (M) durch Beschichten mit einem Keramikschlicker und anschließendes Trocknen mit einer keramischen Schale (S) versehen wird,
- der Modellwerkstoff entfernt wird,
- die keramische Schale (S) gebrannt wird und
- die keramische Schale (S) zur Erzeugung eines Verbundkörpers mit keramischer Außen schale mit einem verfestigbaren Werkstoff vergossen wird, wobei
- die Wandstärke der keramischen Schale (S) bei der Herstellung des Modells (M) be rücksichtigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schale (S) durch wiederholtes Beschichten mit dem Keramikschlicker und nachfolgendes Trocknen aus mehreren, fest miteinander verbundenen Schichten aufge baut wird.

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

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schale (S) mit Metall vergossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schale (S) mit Stahl vergossen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schale (S) mit einem keramischen Werkstoff vergossen wird und daß das gesamte Gebilde nachfolgend gebrannt wird.