DE4440397C1 - Verfahren zum Herstellen von Gußformen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gußformen.

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Gußformen ist das Formmaskenverfahren nach Croning, beschrieben in Meyers Lexikon Technik und exakte Naturwissenschaften, Bd. 2, Bibliographisches Institut Ag, Mannheim 1970, Seite 1150 ff. Bei diesem Verfahren werden von Modellteilen Masken abgenommen und zur Gußform zusam­ mengefügt, in die der Abguß erfolgt. Die aus Metall gefertigten und auf einer Metallplatte befestigten Modellteile werden dabei über die Platte auf 200°C bis 300°C vorgewärmt und das Formstoff­ gemisch bestehend aus Sand, Harz und Härter auf das Modellteil aufgebracht. Nachdem unter der Wärmeinwirkung der Modellplatte der Formstoff zu einer dünnen haftenden Schicht auf dem Modell zusam­ mengesintert ist, wird der überschüssige Formstoff abgekippt und die verbliebene Schicht unter Wärmeeinwirkung gehärtet und sodann die Maske abgenommen. Nach dem gleichen Prinzip werden die Kerne gefertigt. Die beiden Maskenhälften und die einzulegenden Kerne werden anschließend zu der Gußform zusammengefügt. Während des Gießvorganges verbrennt das Kunstharz und der Sand kann ab­ schließend von dem Gußstück abgeklopft werden.

Ein weiteres bekanntes Sandgußverfahren ist das Kastenformverfah­ ren, beschrieben in der oben genannten Referenz.

Die Formen für komplizierte Sandgußteile bestehen in der Regel aus zwei Maskenformen oder Formkästen mit einem oder mehreren einge­ legten Kernen. Jeder dieser Bestandteile der Form muß so einfach aufgebaut sein, daß er nach seiner Herstellung aus seiner Kernform oder Masken-Modellplatte entnommen werden kann. Durch diesen Zwang zur Vereinfachung steigt die Anzahl der notwendigen Kerne. Für komplizierte Gußteile, wie beispielsweise Zylinderköpfe im Moto­ renbau, sind zwischen fünf und zwanzig Einzelkerne erforderlich, die entweder einzeln in die beiden Formkästen eingelegt werden oder vorher zu einem Kernpaket zusammengesetzt werden.

Das bekannte Verfahren weist die folgenden Nachteile auf:

• 1. Für jeden Kern muß eine mindestens zweiteilige Kernform herge­ stellt werden, was speziell im Prototypenstadium äußerst zeit- und arbeitsaufwendig ist. Für die Maskenformen wird eine beheizbare Modellplatte benötigt.
• 2. Jede Fügestelle zwischen den Kernen bzw. zwischen der Masken­ form und dem Kern ist mit Toleranzen behaftet, so daß die Gesamt­ genauigkeit des Aufbaus für präzise zu fertigende Gußteile nicht ausreicht.
• 3. Die konstruktive Ausführung der Fügestellen bzw. Kernlager zur Festlegung der Position jedes Kernes stellt einen zusätzlichen Aufwand dar.

Ein unter dem Namen Selektives Lasersintern bekanntes Verfahren ist aus der DE 43 00 478 C1 bekannt. Mit diesem Verfahren können dreidimensionale Objekte durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten des zu bildenden Objekts aus pulverförmigem verfestigbarem Material durch Einwirkung von Laserstrahlung an je­ weils den dem Objekt entsprechenden Stellen jeder Schicht erzeugt werden. Die Erzeugung von dreidimensionalen Objekten durch Laser­ sintern von Metall- oder Keramikpulver ist bekannt.

Aus der US 42 47 508 ist ein Formverfahren zum Bilden eines drei­ dimensionalen Objektes in Schichten durch selektives Aufschmelzen des zur Bildung des Objektes verwendeten Materials mittels eines Laserstrahles bekannt. Als Material ist unter anderem Sand oder mit thermoplastischem Kunststoff beschichteter Sand beschrieben. Bei dem beschriebenen Verfahren handelt es sich um einen typischen Sinterprozeß, bei dem es unter Temperatureinwirkung zum Aufschmel­ zen und Zusammenbacken der Partikel des verwendeten Materials kommt. Die dazu erforderliche Laserleistung ist dem Schmelzpunkt des Sandes entsprechend sehr hoch.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von Gußformen aus warmhärtenden Formstoffen anzugeben, bei dem eine beliebig komplizierte Gußform schnell und kostengünstig herge­ stellt werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.

Das Verfahren hat den Vorteil, daß beliebig komplizierte Gußformen ohne vorherige Anfertigung von Modellteilen und ohne vorherige Anfertigung von Kernformen hergestellt werden können. Das Verfah­ ren eignet sich besonders gut für Anwendungen, bei denen in kurzer Zeit kleine Stückzahlen von komplexen Bauteilen benötigt werden, wie beispielsweise im Prototypenbau der Motorenentwicklung. Der Kernformen- und Modellplattenbau mit Werkzeugkonstruktion, das Zusammensetzen der Kerne und der Arbeitsaufwand für das Aufteilen des Gesamtkerns in konventionell herstellbare Einzelkerne entfal­ len vollständig. Insgesamt ergibt sich eine erhebliche Zeiterspar­ nis bei gleichzeitig erhöhter Genauigkeit der Gesamtform.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Figur.

Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Vor­ richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, weist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einen auf seiner Oberseite offenen Behälter 1 auf, der bis einem Niveau bzw. einer Oberfläche 2 mit einem Formstoff 3 gefüllt ist. In dem Behälter 1 befindet sich ein Träger 4 mit einer im wesentlichen ebenen und horizontalen Träger­ platte 5, die parallel zur Oberfläche 2 angeordnet ist und mittels einer nicht gezeigten Höheneinstellvorrichtung senkrecht zur Ober­ fläche 2 bzw. zur Trägerplatte 5 auf und ab verschoben und posi­ tioniert werden kann.

Auf der Trägerplatte 5 ist die zu bildende Gußform 6 angeordnet, wobei diese jeweils aus einer Mehrzahl von Schichten 6a, 6b, 6c, 6d, die sich jeweils parallel zur Oberfläche 2 und zur Träger­ platte 5 erstrecken, aufgebaut ist.

Über dem Behälter 1 ist eine nicht gezeigte Vorrichtung zum Glät­ ten der Oberfläche 2 des Formstoffes 3 angeordnet.

Oberhalb des Behälters 1 ist eine Bestrahlungseinrichtung 7 in Form eines Infrarot-Lasers, angeordnet, die einen gerichteten Lichtstrahl 8 abgibt. Der gerichtete Laserstrahl 8 wird über eine Ablenkeinrichtung 9, beispielsweise einen Drehspiegel, als abge­ lenkter Strahl 10 auf die Oberfläche 2 des Formstoffes 3 in dem Behälter 1 abgelenkt. Eine Steuerung 11 steuert die Ablenkeinrich­ tung 9 derart, daß der abgelenkte Strahl 10 auf jede gewünschte Stelle der Oberfläche 2 des Formstoffes 3 in dem Behälter 1 auf­ trifft. Die Steuerung 11 ist mit einem Computer verbunden, der der Steuerung 11 die entsprechenden Daten zur Verfestigung der Schich­ ten (6a, 6b, 6c, 6d) der Gußform 6 liefert.

Bei dem Verfahren zur Herstellung der Gußform 6 wird in einem ersten Schritt in dem Computer ein CAD-Modell eines zu fertigenden Gußteiles erzeugt. Auf die Konstruktion des Gußteiles wird dabei im CAD-Modell das Schwindmaß entsprechend dem zu verwendenden Guß­ werkstoff aufgegeben. Gießtechnologisch erforderliche zusätzliche Geometrien werden in dem CAD-Modell des Gußteiles berücksichtigt, z. B. Einguß-, Steiger- und Anschnittsystem.

Anschließend werden aus den so erzeugten CAD-Modelldaten durch Invertieren im Computer die Daten der anzufertigenden Gußform 6 erzeugt. Diese durch Invertierung erhaltenen Daten stellen ein Negativ des gewünschten Gußteiles dar. Dabei werden die Hohlräume des späteren Gußteiles, die sogenannten Kerne, bei der Bildung des Negatives mit berücksichtigt und können dann bei der Herstellung der Gußform als integrierte Kerne zusammen mit der Formmaske her­ gestellt werden.

Im CAD-Modell der zu fertigenden Gußform werden zusätzlich zu den gießtechnologisch erforderlichen Öffnungen weitere Öffnungen im zu bildenden Objekt vorgesehen, um später das Entfernen bzw. Aus­ schütten des nicht verfestigten Materials zu erleichtern. Diese Öffnungen werden jeweils an den für das Entfernen des Materials am besten geeigneten Stellen vorgesehen.

Das CAD-Modell der anzufertigenden Gußform 6 wird sodann im Compu­ ter in Schichten zerlegt mit einer Dicke, die der Korngröße des verwendeten Formstoffes angepaßt werden. Üblicherweise wird eine Schichtdicke gewählt, die etwa dem Doppelten der mittleren Korn­ größe entspricht. Im nächsten Schritt wird das im Computer vorhan­ dene Modell der anzufertigenden Gußform durch das Verfahren des selektiven Aushärtens einer Komponente des Formstoffes mittels Laserstrahlung als dreidimensionales Objekt erzeugt.

Bei dem Verfahren wird die Trägerplatte 5 zuerst in dem Behälter 1 so positioniert, daß zwischen der Oberseite der Trägerplatte 5 und der Oberfläche 2 des Formstoffes 3 in dem Behälter 1 ein gerade der vorgesehen Schichtdicke entsprechender Abstand vorliegt. Die sich über der Trägerplatte 5 befindliche Schicht des Formstoffes 3 wird mittels des von der Bestrahlungseinrichtung 7 erzeugten und über die Ablenkeinrichtung 9 und die Steuereinrichtung 11 gesteu­ erten Laserstrahles 8, 10 an vorgegebenen, dem der Gußform 6 ent­ sprechenden Stellen bestrahlt, wodurch der Formstoff 3 sintert und so eine der Gußform entsprechende feste Schicht 6a bildet. Das Bilden von weiteren Schichten 6b, 6c, 6d erfolgt sukzessive durch Absenken der Trägerplatte 5 um einen der jeweiligen Schichtdicke entsprechenden Betrag und erneutes Bestrahlen an den der Gußform 6 entsprechenden Stellen. Die Schichten haben eine Dicke von 0.1 mm bis 0.2 mm. Der nicht vom Laserstrahl getroffene Formsand einer jeweiligen Schicht wird nicht verfestigt und dient zum Stützen der darüberliegenden Schichten. Der nichtverfestigte Formsand ist anschließend wiederverwendbar.

Die fertige Gußform wird nach Abschluß des Bauprozesses aus dem umgebenden lockeren Sandbett entnommen. Der noch unverfestigte Formsand im Inneren der Form wird durch die Eingußöffnung und/oder durch die speziell zum Entfernen des nichtverfestigten Sandes vor­ gesehenen Öffnungen in der Form 6 abgesaugt, herausgeschüttet oder herausgeblasen. Beim späteren Gießen fließt Gußwerkstoff in diese Öffnungen, der jedoch nach Erkalten abgeschnitten bzw. entfernt wird.

Die fertige Gußform kann zur Verbesserung der Oberflächengüte nachbearbeitet werden, beispielsweise durch thermisches Nachhär­ ten.

Als Formstoff 3 wird ein warmhärtender Formstoff beispielsweise Formsand bestehend aus Quarzsand mit einem Überzug aus Phenolharz verwendet. Der bei dem Verfahren ablaufende Prozeß des Verfesti­ gens des Formstoffes 3 beruht auf einem von der Laserstrahlung initiierten chemischen Abbindeprozeß in der Harzhülle auf dem Quarzkorn. Es handelt sich dabei um einen von dem bekannten Sin­ tervorgang grundsätzlich unterschiedlichen Vorgang, der in einer thermisch induzierten irreversiblen chemischen Reaktion von Bestandteilen des Harzes besteht. Bei dem selektiven Aushärten des Formstoffes erfolgt die Verfestigung also nur durch Verfestigung des Harzes. Der Sand, der etwa 90 bis 95% des Formstoffes ausma­ chen kann, ist an der in dem Verfestigungsprozeß ablaufenden chemischen Reaktion überhaupt nicht beteiligt. Ein Vorteil gegenüber dem in der US 42 47 508 beschriebenen Aufschmelzen von Sand besteht darin, daß eine wesentlich geringere Laserleistung ausreicht und daß Probleme wie Materialschwund und Verzug beim Verfestigen praktisch nicht auftreten bzw. stark reduziert sind. Die in dem Harzmaterial ablaufenden Reaktionen werden durch den Laser nur initiiert und durch die thermische Nachbehandlung zu Ende gebracht, so daß eine völlige Aushärtung des Harzes die Folge ist. Beim späteren Gießen des Gußteiles verbrennt das Harz und der unversehrt gebliebene Sand kann von dem Gußteil entfernt werden.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, können Hohlräume 20 des späte­ ren Gußteils, die sogenannten Kerne der Gußform 6 bei dem Verfah­ ren gleichzeitig mit der Gußform 6 selbst und integriert mit die­ ser erzeugt werden. Das herkömmliche Einlegen der Kerne in die Maskenform entfällt damit.

Das hat den Vorteil einer höheren Genauigkeit gegenüber dem bekannten Verfahren, bei dem beim Einsetzen bzw. Einlegen des Kerns oder der Mehrzahl von Kernen Formsand abgescheuert wird, was zu einer verschlechterten Paßgenauigkeit führt.

Da die Herstellung einer Mehrzahl von Einzelkernen für einen kom­ plizierten Gesamtkern entfällt, kann eine beträchtliche Zeiter­ sparnis bei der Herstellung von Prototypen erzielt werden. Bei­ spielsweise benötigt die Herstellung einer Sandform für einen Pro­ totypen eines Ölpumpengehäuses für einen PKW mittel Lasersintern etwa 30 Stunden, während bei dem bekannten Sandgußverfahren etwa vier Wochen für den Modellteilbau und den Kernbau veranschlagt werden müssen.

Modifikationen des Verfahrens sind denkbar. Beispielsweise können auch zweiteilige Sandformen hergestellt werden, die anschließend wie bei dem herkömmlichen Verfahren zusammengesetzt werden. Auch ist es möglich, komplizierte Kerne für bereits bestehende Masken­ formen einteilig herzustellen, bei denen bisher nur die Zerlegung in mehrere Einzelkerne und anschließendes Zusammensetzen zu einem Kernpaket möglich war. Die Entfernung des noch unverfestigten Formsandes kann auch durch nachträglich in die Sandform gebohrte Öffnungen erfolgen.

Als Formstoff ist auch Zirkonsand, Olivinsand, Chromitsand, Scha­ motte, Korund oder Carbonsand, die jeweils entweder rein oder in beliebigen Verhältnissen mit einem oder mehreren der anderen Stoffe gemischt verwendet werden können und die jeweils mit einem geeigneten Binder versetzt sind, denkbar. Der Binder ist üblicher­ weise ein warm- oder heißhärtender Harzbinder, der sowohl als Überzug für den Sand als auch in Form von selbständigen Partikeln, die mit dem Sand gemischt sind, verwendet werden kann. Beispiele für geeignete Harze sind neben dem Phenolharz, Furan-, Harnstoff- oder Aminoharze, Novolake oder Resole, Harnstoff-Formaldehydharze, Furfurylalkohol-Harnstoff-Formaldehydharze, Phenol-modifizierte Furanharze, Phenol-Formaldehydharze oder Furfurylalkohol-Phenol- Formaldehydharz, die jeweils flüssig, fest, granuliert oder pulverförmig vorliegen können. Auch die Verwendung von Epoxidhar­ zen ist denkbar. Bisher sind Epoxidharze in der Gießerei auch im Einsatz, werden aber durch Amin-Begasung ausgehärtet. Bei der thermischen Aushärtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hätten sie jedoch den Vorteil der sofortigen Aushärtung bis auf End­ festigkeit.

Ein Formstoff, bestehend aus einem metallischen Pulver, das mit einem der oben genannten Gießereiharze versetzt ist, ist ebenfalls zur Herstellung von Gußformen bzw. Modellen oder auch Dauerformen denkbar.

Da unterschiedliche Bindermaterialien jeweils auch ein unter­ schiedliches Absorptionsvermögen für elektromagnetische Strahlung aufweisen, ist es zweckmäßig bei der Nachbehandlung der Gußform ein selektives Nachverfestigen mit unterschiedlichen, dem Absorp­ tionsvermögen des jeweiligen Bindermaterials angepaßten Wellenlän­ gen durchzuführen. Beispielsweise kann die Nachhärtung der Gußfor­ men durch Mikrowellenbestrahlung im Mikrowellenofen erfolgen. Es ist jedoch auch beispielsweise möglich, nacheinander oder gleich­ zeitig verschiedene Nachhärtungsverfahren anzuwenden, beispiels­ weise UV-Bestrahlung, Mikrowellenbestrahlung oder Erhitzen.

Als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist jede zur Durchführung des Lasersinterns verwendbare Vorrichtung denkbar.

Insbesondere ist es nicht erforderlich einen Behälter zur Aufnahme des Formstoffes zu verwenden, der Formstoff kann auch schichtweise direkt auf den Träger aufgebracht werden.

Claims (18)

1. Verfahren zum Herstellen von Gußformen aus warmhärtendem Form­ stoff mit den Schritten:
Erzeugen eines Computermodells der zu herzustellenden Gußform (6);
Sukzessives Verfestigen einzelner übereinanderliegender Schichten (6a, 6b, 6c, 6d) eines warmhärtbaren Formstoffes (3) an jeweiligen der Gußform (6) entsprechenden Stellen mittels entsprechend dem Computermodell gesteuerter Einwirkung elektromagnetischer Strah­ lung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Formstoff (3) Formsand verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formsand Quarzsand mit einem Überzug aus Phenolharz aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gußform mit integriertem Kern (20) erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform (6) einteilig erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Gußform (6) mit einem Einguß erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß unverfestigter Formstoff (3) nach der Verfestigung über in der Gußform vorgesehene Öffnungen entfernt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern getrennt erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein einteiliger Kern für eine Gußform (6) erzeugt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromagnetische Strahlung Laserstrahlung verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlung eines Infrarot-Lasers (7) verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform thermisch nachgehärtet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform durch Bestrahlung mit Mikrowellen nachgehärtet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen beim Erzeugen des Computermodelles der Gußform (6) erzeugt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Formsand Quarzsand, Zirkonsand, Olivinsand, Chromitsand, Schamotte, Korund- oder Carbonsand umfaßt, der jeweils mit einem geeigneten warm- oder heißhärtbarem Harzbinder versetzt ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der warm- oder heißhärtbare Harzbinder ein Harz aus der Gruppe der Furan-, Harnstoff- oder Aminoharze, Novolake oder Resole, Harn­ stoff-Formaldehyd-Harze, Furfurylalkohol-Harnstoff-Formaldehyd­ harze, Phenol-modifizierten Furanharze, Phenol-Formaldehydharze oder Furfurylalkohol-Phenol-Formaldehydharze umfaßt, die jeweils in flüssiger, fester, granulierter oder pulverförmiger Form vor­ liegen können.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Harzbinder ein Epoxidharz verwendet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verfestigung des Formsandes ein vom Laser initiierter chemischer Abbindeprozeß in dem Harz abläuft und der Sand chemisch nicht an der Reaktion beteiligt ist.