DE4340001A1

DE4340001A1 - Verfahren zur Herstellung einer Form für ein Formteil und nach diesem Verfahren hergestellte Form

Info

Publication number: DE4340001A1
Application number: DE4340001A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Fried
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1993-11-24
Filing date: 1993-11-24
Publication date: 1995-06-01

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Form für ein Formteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und von einer nach diesem Verfahren hergestellten Form gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.

Stand der Technik

Derartige Formen werden beispielsweise in Sinterverfahren als Formen zur Herstellung von Formteilen aus pulverförmigen kerami schen oder metallischen Grundstoffen eingesetzt. Beim Sintern von Turbinenschaufeln werden an derartige Formen besondere Anforderungen gestellt. Diese Formen dürfen das Schrumpfen der in ihnen entstehenden Formteile keinesfalls behindern und sie müssen verhindern, daß die geringe Festigkeit dieser entstehen den Formteile während des Sinterns zu unzulässigen Deformationen derselben führt.

Aus der Patentschrift DE 32 11 083 C2 ist ein Verfahren zur Her stellung eines Teils aus einer Schlickermasse bekannt. Bei die sem Verfahren wird die Schlickermasse in eine Gießform gegossen und in dieser Gießform zu einem Grünling gefroren, danach wird der gefrorene Grünling aus der Gießform entnommen, getrocknet und anschließend zum fertigen Teil gesintert. Der Schlicker masse wurde vorab eine Wasserstoffbindungen bildende Verbindung zugemischt, welche die Ausbildung von großen Eiskristallen beim Gefrieren des Grünlings verhindert. Dieses Verfahren ist zur Herstellung von vergleichsweise komplizierten Teilen, wie bei spielsweise hohlen Formen für Turbinenschaufeln, nur dann einzu setzen, wenn vergleichsweise aufwendige, mehrteilige Gießformen benutzt werden. Das Entformen ist dann vergleichsweise aufwen dig, ebenso das Entfernen der sich entsprechend den Stoßfugen der Gießform auf dem Teil ausbildenden Gußgrate. Besonders bei komplizierten Hohlteilen läßt sich dieses Verfahren nicht mit vertretbarem Aufwand einsetzen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer Form für ein Formteil zu schaffen, welches mit einfachen Mitteln arbeitet und welches die Herstellung von Formen für vergleichsweise kom plizierte, einstückig ausgebildete Formteile erlaubt. Ferner soll eine nach diesem Verfahren geschaffene Form angegeben werden.

Das Verfahren zur Herstellung einer Form für ein Formteil, wel ches von einem Wachsmodell des Formteils ausgeht, weist folgende Verfahrensschritte auf:

a) Mischen eines Schlickers,
b) Vermischung des Schlickers mit einem organischen Binder zu einer Anwendung,
c) Eintauchen des Wachsmodells in die Anwendung,
d) Abscheidung von festen Partikeln der Anwendung und schichtförmige Anlagerung derselben am Wachsmodell,
e) Entnehmen des Wachsmodells mit der schichtförmigen Anlagerung aus der Anwendung,
f) gegebenenfalls Wiederholung der Verfahrensschritte c), d) und e) solange bis mehrere schichtförmige Anla gerungen eine hinreichend dicke Wandung bilden,
g) Einbringen des Wachsmodells mit der es umgebenden Wan dung in eine Trocknungsanlage und Trocknen der Wandung,
h) Ausschmelzen des Wachsmodells, so daß die Wandung als Schalenrohling zurückbleibt, und
i) Sintern des Schalenrohlings zur fertigen Form.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß auf vergleichsweise einfache Art Formen für vergleichsweise kompliziert ausgebildete Formteile, die auch Hinterschneidungen aufweisen können, mit einer hohen Formgenau igkeit erstellt werden können. Durch die die Anwendung beauf schlagenden Vibrationen wird die gleichmäßige Abscheidung von festen Partikeln der Anwendung und die schichtförmige Anlagerung derselben am Wachsmodell, insbesondere auch in etwaigen Hinter schneidungen wesentlich verbessert.

Eine vorteilhafte Beschleunigung der Ausbildung der schichtför migen Anlagerung wird dadurch erreicht, daß die Anwendung gekühlt und das Wachsmodell unterkühlt wird. Besonders gute Resultate erhält man, wenn die Anwendung bis auf etwa 0°C gekühlt wird, und wenn gleichzeitig das Wachsmodell vor dem Eintauchen auf -20°C unterkühlt wird.

Wird als Trocknungsanlage eine Gefriertrocknungsanlage einge setzt, so läßt sich der Trocknungsvorgang vorteilhaft beschleu nigen.

Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren Vor teile werden nachstehend anhand der Zeichnung, welche lediglich einen möglichen Ausführungsweg darstellt, näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2a und Fig. 2b aneinandergereiht ein zweites Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 3a und Fig. 3b aneinandergereiht ein drittes Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erfor derlichen Elemente sind in der Zeichnung nicht dargestellt.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Das Verfahren zur Herstellung einer Form für ein Formteil, wie es im Blockdiagramm gemäß Fig. 1 dargestellt ist, geht von einem Wachsmodell des Formteils aus. Es umfaßt folgende Verfahrens schritte:

a) Mischen eines Schlickers,
b) Vermischung des Schlickers mit einem organischen Binder zu einer Anwendung,
c) Eintauchen des Wachsmodells in die Anwendung,
d) Abscheidung von festen Partikeln der Anwendung und schicht förmige Anlagerung derselben am Wachsmodell,
e) Entnehmen des Wachsmodells mit der schichtförmigen Anlagerung aus der Anwendung,
f) Wiederholung der Verfahrensschritte c), d) und e) solange bis mehrere schichtförmige Anlagerungen eine hinreichend dicke Wandung bilden,
g) Einbringen des Wachsmodells mit der es umgebenden Wandung in eine Trocknungsanlage und Trocknen der Wandung,
h) Ausschmelzen des Wachsmodells, so daß die Wandung als Scha lenrohling zurückbleibt, und
i) Sintern des Schalenrohlings zur fertigen Form.

Bei diesem Verfahren zur Herstellung einer Form können die ver schiedenartigsten Grundstoffe für die Schlickerherstellung ein gesetzt werden. Die Wahl der Stoffe richtet sich nach dem vorge sehenen Verwendungszweck der Form, so können beispielsweise mehr oder weniger temperaturfeste Gießformen für das Vergießen von verschiedenen Metallegierungen hergestellt werden. Besonders eignen sich so hergestellte Formen auch für den Einsatz beim Sintern von Metall- oder Keramikpulvern. Die Materialzusammen setzung der Form wird dabei in der Regel so gewählt, daß die fertige Form bei Wärmebeaufschlagung im gleichen Ausmaß schrumpft wie das in ihr sich ausbildende Formteil.

Nach diesem Verfahren können lediglich vergleichsweise einfach geformte Formen hergestellt werden. Sobald komplizierter ausge bildete Formen, beispielsweise mit Hinterschneidungen versehene Hohlformen, verlangt werden, muß das Verfahren weitergebildet werden, wie dies in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben wird. Ebenso muß es weitergebildet werden, wenn nennenswerte Stückzahlen von Formteilen wirtschaftlich günstig gefertigt werden sollen.

1. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 2a und die Fig. 2b zeigen, wenn sie aneinandergereiht werden, ein schematisch dargestelltes Blockdiagramm einer Wei terbildung des Verfahrens zur Herstellung einer Form für ein Formteil aus einem Schlicker nach Fig. 1. Dieses Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

a) Mischen eines Schlickers,
b) Vermischung des Schlickers mit einem organischen Binder zu einer Anwendung,
c) Kühlung der Anwendung und Unterkühlung des Wachsmodells,
d) Eintauchen des Wachsmodells in die Anwendung, wobei die Anwendung mit Vibrationen beaufschlagt wird,
e) Abscheidung von festen Partikeln der Anwendung und schicht förmige Anlagerung derselben am Wachsmodell,
f) Entnehmen des Wachsmodells mit der schichtförmigen Anlagerung aus der Anwendung,
g) gegebenenfalls Wiederholung der Verfahrensschritte d), e) und f) so lange, bis mehrere schichtförmige Anlagerungen eine hinreichend dicke Wandung bilden,
h) Einbringen des Wachsmodells mit der es umgebenden Wandung in eine Gefriertrocknungsanlage und Trocknen der Wandung,
i) Ausschmelzen des Wachsmodells, so daß die Wandung als Schalenrohling zurückbleibt, und
j) Sintern des Schalenrohlings zur fertigen Form.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein pulverförmiges Keramik material, bezeichnet als Masse Nr. 406, welches nach einem der bekannten Verfahren durch die Firma Hutschenreuther, Keramische Rohstoffe und Massen, Werk Massemühle Wagner, D-8632 Neustadt, hergestellt wurde, verwendet. Das Keramikmaterial wird als Sprühkorn geliefert. Eine chemische Analyse ergab die folgende Zusammensetzung dieses Keramikmaterials:

SiO₂\|67,8%
Al₂O₃	25,4%
TiO₂	0,06%
Fe₂O₃	0,48%
CaO	0,71%
MgO	0,63%
K₂O	4,45%
Na₂O	0,15%

Dieses Keramikmaterial wird unter Beigabe von Wasser, dem ein Verflüssiger zugesetzt wird, zu einem Schlicker verarbeitet. Der Verflüssiger ist entsprechend der Härte des verwendeten Wassers anzupassen. Hier wurde als Verflüssiger eine Mischung der Ver flüssigungsmittel Gießfix 162/10 und Formsil D eingesetzt.

Anschließend wird dem Schlicker noch ein organischer Binder beigemischt, der durch die Strukturbezeichnung C_x×H_y×O_z gekenn zeichnet werden kann. Hier wurden beispielsweise 6 Gewichtspro zent Methylzellulose beigemischt und solange mit dem Schlicker verrührt, bis eine nicht mehr tropfende Anwendung entstand. Die Beimischung von Methylzellulose dient dazu, die Trockenschwin dung und damit eine Rissbildung beim Trocknen der Wandung auf dem Wachsmodell zu vermeiden. Wird der Anwendung zusätzlich feinkörniges Aluminiumoxidpulver beigemischt, so wird dadurch ebenfalls die Trockenschwindung reduziert.

Diese Anwendung wurde dann auf etwa 0°C abgekühlt. Das Wachsmo dell des Formteils wurde auf -20°C unterkühlt, ehe es in die gekühlte Anwendung getaucht wurde. Die Anwendung wurde während des Eintauchens mit Vibrationen beaufschlagt, um sicherzustel len, daß die Anwendung alle Teile der Oberfläche des Wachs modells benetzt, und daß sie in alle etwaigen Hinterschneidun gen am Wachsmodell eindringt und diese füllt. Auf diese Art ent steht eine formgenaue schichtförmige Anlagerung von festen Par tikeln aus der Anwendung um das Wachsmodell herum. Das Wachsmo dell wird dann langsam aus der Anwendung herausgezogen. Wenn die Schichtdicke der Anlagerung genügt, so daß eine genügend dicke Wandung des fertigen Formteils zu erwarten ist, dann wird der Eintauchvorgang nicht mehr wiederholt. Sollte dies nicht der Fall sein, so wird das Wachsmodell mit der schichtförmigen Anla gerung erneut und eventuell mehrmals in die Anwendung getaucht. Es ist auch möglich, das Wachsmodell mit der schichtförmigen Anlagerung zwischendurch zu trocknen und erneut zu unterkühlen, auch müßte dann die Anwendung ebenfalls weiter gekühlt werden.

Das Wachsmodell mit der angelagerten Wandung wird in eine Gefriertrocknungsanlage eingebracht, in welcher während 5 Stun den die Wandung getrocknet wird. Die Wandung ist danach trocken und rissfrei. Anschließend wird das Wachsmodell mit der angela gerten Wandung in einen Autoklaven eingebracht, wo das Wachs des Wachsmodells zum Schmelzen gebracht wird und aus der selbsttra genden Wandung herausfließt. Die Wandung bleibt als Schalenroh ling zurück und wird in einem Ofen bei 950°C gesintert, wobei die verwendeten Binder ausgetrieben werden. Es ist auch möglich, beim Hochfahren der Temperatur des Sinterofens beispielsweise bei 350°C solange zu verweilen, bis die Restfeuchte aus der Wan dung ausgetreten ist. Bei diesem Sintern herrscht in dem Ofen eine oxidierende Atmosphäre. Nach dem Sintervorgang ist aus dem Schalenrohling eine feste, hochporöse Form geworden, deren Hohl raum dem Formteil entspricht. Bei der Herstellung des Wachsmo dells wurde bereits das Schwinden des in die fertige Form einge füllten Materials berücksichtigt, so daß das Wachsmodell und damit auch das Innere der fertigen Form stets etwas größer ist als das zuletzt dieser Form entnommene fertige Formteil. Diese Form kann jetzt mit einem entsprechenden Metallpulver gefüllt werden und das Formteil kann durch einen Sintervorgang den nöti gen Zusammenhalt und die gewünschte Festigkeit erhalten. Bei diesem Sintervorgang schwindet die Form im gleichen Umfang wie das Formteil.

Derartige mitschrumpfende Formen sind besonders dort von Vor teil, wo Formteile mit vergleichsweise komplizierten Formen formschlüssig zu stützen sind.

2. Ausführungsbeispiel

Das Wachsmodell des Formteils wurde bei diesem Ausführungsbei spiel aus einem Wachs erstellt, in welches kleine Gasperlen ein gelagert sind. Dieses Wachs läßt sich leichter und schneller ausschmelzen.

Für dieses in den Fig. 3a und 3b dargestellte Verfahren wurde ebenfalls das bereits oben beschriebene pulverförmige Keramikma terial, bezeichnet als Masse Nr. 406, welches nach einem der bekannten Verfahren durch die Firma Hutschenreuther, Keramische Rohstoffe und Massen, Werk Massemühle Wagner, D-8632 Neustadt, hergestellt wurde, verwendet. Dieses Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

a) Mischen eines Schlickers,
b) Vermischen des Schlickers unter Zugabe eines organischen Bin ders zu einer teigigen Paste
c) Vermischung der Paste mit zusätzlicher Tonsubstanz zu einer Anwendung,
d) Eintauchen des Wachsmodells in die Anwendung, wobei die Anwendung mit Vibrationen beaufschlagt wird,
e) Abscheidung von festen Partikeln der Anwendung und schicht förmige Anlagerung derselben am Wachsmodell,
f) Entnehmen des Wachsmodells mit der schichtförmigen Anlagerung aus der Anwendung,
g) gegebenenfalls Wiederholung der Verfahrensschritte d), e) und f) solange bis mehrere schichtförmige Anlagerungen eine hinreichend dicke Wandung bilden,
h) Einbringen des Wachsmodells mit der es umgebenden Wandung in eine Trocknungsanlage und Trocknen der Wandung,
i) Ausschmelzen des Wachsmodells, so daß die Wandung als Scha lenrohling zurückbleibt, und
j) Sintern des Schalenrohlings zur fertigen Form.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde der Schlicker zu einer Paste mit teigiger Konsistenz verarbeitet unter der Zugabe eines Binders. Dabei wurden 8 Gewichtsprozent Polyäthylenglykol mit der Bezeichnung Darvan C und 2 Gewichtsprozent Tetrahydrofur furylalkohol C₅H₁₀O₂ als Binder verwendet. Als zusätzliche Ton substanz wurde dieser Paste Kaolin zugemischt. Auf eine Kühlung des Wachsmodells konnte hier verzichtet werden, ebenso brauchte die fertige Anwendung nicht gekühlt werden. Das Wachsmodell kann mit einer die Bepetzung fördernden Schicht versehen werden. Die Anwendung wurde jedoch während des Eintauchens des Wachsmodells mit Vibrationen beaufschlagt, um eine gute Benetzung desselben zu erreichen, und um auch Hinterschneidungen mit der Anwendung aufzufüllen. Da die Anwendung dickflüssig ist, dürfte es in der Regel nicht nötig sein, den Eintauchvorgang mehrmals durchzufüh ren. Nach dem Herausziehen des Wachsmodells mit der es umgeben den Wandung wird es in eine Gefriertrocknungsanlage eingebracht und dort für zwei Stunden belassen. Anschließend folgt das Aus schmelzen des Wachses, welches bei diesem vergleichsweise leicht schmelzenden, mit Gasblasen durchsetzten Wachs in einem Ofen erfolgt, ein Autoklav ist hier nicht nötig. Beim nachfolgenden Sintervorgang wurde bei 300°C eine Haltezeit eingehalten, um die Restfeuchtigkeit aus der Wandung austreten zu lassen. Zum Fertigsintern wurde die Temperatur bis auf 900°C gesteigert, diese Temperatur genügte, um die Binderanteile zu verdampfen. Die so entstandene Form weist eine formstabile und rissfreie Wand auf.

3. Ausführungsbeispiel

Das Verfahren zur Herstellung einer Form, wie es in den Fig. 2a und 2b schematisch dargestellt ist, kann auch mit anderen Kera mikmaterialien durchgeführt werden. Bei diesem Ausführungsbei spiel wird ein pulverförmiges Keramikmaterial, bezeichnet als Porzellanmasse Nr. 111 915, welches nach einem der bekannten Verfahren durch die Firma Hutschenreuther, Keramische Rohstoffe und Massen, Werk Schmelitz, D-8593 Tirschenreuth, hergestellt wurde, verwendet. Das Keramikmaterial wird als Sprühkorn gelie fert. Eine chemische Analyse ergab die folgende Zusammensetzung dieses Keramikmaterials:

SiO₂\|64,6%
Al₂O₃	23,6%
TiO₂	0,09%
Fe₂O₃	0,48%
CaO	0,12%
MgO	0,15%
K₂O	3,83%
Na₂O	0,16%

Dieses Keramikmaterial wird unter Beigabe von Wasser, dem ein Verflüssiger zugesetzt wird, zu einem Schlicker verarbeitet. Der Verflüssiger ist entsprechend der Härte des verwendeten Wassers anzupassen. Hier wurde als Verflüssiger eine Mischung der Ver flüssigungsmittel Gießfix 162/10 und Formsil D eingesetzt. Anschließend wird dem Schlicker noch ein organischer Binder beigemischt, hier wurden 3 Gewichtsprozent Polyäthylenglykol mit der Bezeichnung Darvan C beigemischt und solange mit dem Schlicker verrührt, bis eine nicht mehr tropfende Anwendung ent stand. Diese Anwendung wurde dann, wie bereits beschrieben, weiter verarbeitet.

Das Wachsmodell des Formteils weist eine vergleichsweise glatte Oberfläche auf. Es kann sich nun als notwendig erweisen, diese Oberfläche vor dem Eintauchen in die Anwendung griffiger und weniger feuchtigkeitsabstoßend zu machen, um deren Benetzung durch die Anwendung zu verbessern, so daß eine Blasenbildung an der Oberfläche nicht auftreten kann. Zu diesem Zweck wird die Oberfläche hauchdünn mit einem der im Verfahren eingesetzten organischen Binder oder mit einem Klebstoff beschichtet. Mit Xylol oder ähnlich wirkenden Stoffen läßt sich die Oberfläche besonders einfach und wirksam besprühen. Durch diese Maßnahme kann die nötige Verweildauer des Wachsmodells in der Anwendung vorteilhaft verkürzt werden.

Die Form kann aus verschiedenen Materialzusammensetzungen beste hen, die jeweils ein unterschiedliches Schrumpfverhalten aufwei sen. Die Form kann im hier interessierenden Bereich dem Schrumpfverhalten des in ihr zu sinternden Materials angepaßt werden. Zusätzlich können die in den Ausführungsbeispielen ange gebenen Fertigungsparameter individuell variiert werden, wodurch eine noch bessere Anpassung an das Schrumpfverhalten des zu sin ternden Materials möglich wird. Folgende Parameter können bei spielsweise variiert werden: Zusammensetzung und Körnung des pulverförmigen Materials, Menge und Art des Verflüssigers und des Binders, Dicke der Wandung des Schalenrohlings, Sintertempe ratur, Sinterdauer, Form der Aufheiz- und Abkühlrampen beim Sintern der Form. Zudem können auch unterschiedliche Bindemittel und unterschiedliche Verflüssigungsmittel eingesetzt werden. Es steht demnach eine breite Palette von dem jeweiligen Einsatzbe reich angepaßten mitschrumpfenden Formen zur Verfügung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Form für ein Formteil, welches von einem Wachsmodell des Formteils ausgeht und welches folgende Verfahrensschritte aufweist:

a) Mischen eines Schlickers,
b) Vermischung des Schlickers mit einem organischen Binder zu einer Anwendung,
c) Eintauchen des Wachsmodells in die Anwendung,
d) Abscheidung von festen Partikeln der Anwendung und schichtförmige Anlagerung derselben am Wachsmodell,
e) Entnehmen des Wachsmodells mit der schichtförmigen Anlagerung aus der Anwendung,
f) gegebenenfalls Wiederholung der Verfahrensschritte c), d) und e) solange bis mehrere schichtförmige Anlage rungen eine hinreichend dicke Wandung bilden,
g) Einbringen des Wachsmodells mit der es umgebenden Wandung in eine Trocknungsanlage und Trocknen der Wandung,
h) Ausschmelzen des Wachsmodells, so daß die Wandung als Schalenrohling zurückbleibt, und
i) Sintern des Schalenrohlings zur fertigen Form.

2. Verfahren zur Herstellung einer Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Anwendung gekühlt und das Wachsmodell unterkühlt wird, und
- daß die Anwendung vor dem Eintauchen und/oder während des Eintauchens des Wachsmodells durch Vibrationen beaufschlagt wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer Form nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Anwendung bis auf etwa 0°C gekühlt wird, und
- daß das Wachsmodell vor dem Eintauchen auf -20°C unter kühlt wird,

4. Verfahren zur Herstellung einer Form nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß als Trocknungsanlage eine Gefriertrocknungsanlage eingesetzt wird.

5. Verfahren zur Herstellung einer Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Wachsmodell vor dem Eintauchen in die Anwendung mit einer die Haftung der schichtförmigen Anlagerung verbessernden Schicht versehen wird.

6. Verfahren zur Herstellung einer Form nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß als Material für die die Haftung verbessernde Schicht ein organischer Binder oder ein organischer Kleber oder Xylol verwendet wird.

7. Verfahren zur Herstellung einer Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Anwendung zusätzlich feinkörniges Aluminiumoxid pulver beigemischt wird.

8. Form, hergestellt nach einem der Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Form bei Wärmebeaufschlagung im gleichen Ausmaß schrumpft wie das in ihr sich ausbildende Formteil.

9. Form nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Form bei einem Sintervorgang oder bei einem Gießvorgang einsetzbar ist.