DE4440397C2 - Verfahren zum Herstellen von Gußformen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gießformen.

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Gieß­ formen ist das Formmaskenverfahren nach Croning, be­ schrieben in Meyers Lexikon Technik und exakte Na­ turwissenschaften, Bd. 2. Bibliographisches Institut Ag, Mannheim 1970, Seite 1150 ff. Bei diesem Verfahren werden von Modellteilen Masken abgenommen und zur Gußform zusammengefügt, 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 Formstoffge­ misch bestehend aus Sand, Harz und Härter auf das Modellteil aufgebracht. Nachdem unter der Wärmein­ wirkung der Modellplatte der Formstoff zu einer dün­ nen haftenden Schicht auf dem Modell zusammengesin­ tert ist, wird der überschüssige Formstoff abgekippt und die verbliebene Schicht unter Wärmeeinwirkung gehär­ tet und sodann die Maske abgenommen. Nach dem glei­ chen Prinzip werden die Kerne gefertigt. Die beiden Maskenhälften und die einzulegenden Kerne werden anschließend zu der Gußform zusammengefügt. Wäh­ rend des Gießvorganges verbrennt das Kunstharz und der Sand kann abschließend von dem Gußstück abge­ klopft werden.

Ein weiteres bekanntes Sandgußverfahren ist das Ka­ stenformverfahren, beschrieben in der oben genannten Referenz.

Die Formen für komplizierte Sandgußteile bestehen in der Regel aus zwei Maskenformen oder Formkästen mit einem oder mehreren eingelegten Kernen. Jeder dieser Bestandteile der Form muß so einfach aufgebaut sein, daß er nach seiner Herstellung aus seiner Kern­ form oder Masken-Modellplatte entnommen werden kann. Durch diesen Zwang zur Vereinfachung steigt die Anzahl der notwendigen Kerne. Für komplizierte Guß­ teile, wie beispielsweise Zylinderköpfe im Motorenbau, sind zwischen fünf und zwanzig Einzelkerne erforder­ lich, die entweder einzeln in die beiden Formkästen ein­ gelegt werden oder vorher zu einem Kernpaket zusam­ mengesetzt werden.

Das bekannte Verfahren weist die folgenden Nach­ teile auf:

• 1. Für jeden Kern muß eine mindestens zweiteilige Kernform hergestellt werden, was speziell im Pro­ totypenstadium äußerst zeit- und arbeitsaufwendig ist. Für die Maskenformen wird eine beheizbare Modellplatte benötigt.
• 2. Jede Fügestelle zwischen den Kernen bzw. zwi­ schen der Maskenform und dem Kern ist mit Tole­ ranzen behaftet, so daß die Gesamtgenauigkeit 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 be­ kanntes Verfahren ist aus der DE 43 00 478 C1 bekannt. Mit diesem Verfahren können dreidimensionale Objek­ te durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten des zu bildenden Objekts aus pulverförmigem verfestigbarem Material durch Einwirkung von Laser­ strahlung an jeweils den dem Objekt entsprechenden Stellen jeder Schicht erzeugt werden. Die Erzeugung von dreidimensionalen Objekten durch Lasersintern von Metall- oder Keramikpulver ist bekannt.

Aus der US 42 47 508 ist ein Formverfahren zum Bil­ den eines dreidimensionalen Objektes in Schichten durch selektives Aufschmelzen des zur Bildung des Ob­ jektes verwendeten Materials mittels eines Laserstrah­ les 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 Aufschmelzen und Zusammenbacken der Partikel des verwendeten Mate­ rials kommt. Die dazu erforderliche Laserleistung ist dem Schmelzpunkt des Sandes entsprechend sehr hoch.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Her­ stellen von Gießformen aus warmhärtenden Formstof­ fen anzugeben, bei dem eine beliebig komplizierte Gieß­ form schnell und kostengünstig hergestellt 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 kompli­ zierte Gießformen ohne vorherige Anfertigung von Mo­ dellteilen und ohne vorherige Anfertigung von Kernfor­ men hergestellt werden können. Das Verfahren eignet sich besonders gut für Anwendungen, bei denen in kur­ zer Zeit kleine Stückzahlen von komplexen Bauteilen benötigt werden, wie beispielsweise im Prototypenbau der Motorenentwicklung. Der Kernformen- und Mo­ dellplattenbau mit Werkzeugkonstruktion, das Zusam­ mensetzen der Kerne und der Arbeitsaufwand für das Aufteilen des Gesamtkerns in konventionell herstellba­ re Einzelkerne entfallen vollständig. Insgesamt ergibt sich eine erhebliche Zeitersparnis bei gleichzeitig er­ höhter Genauigkeit der Gesamtform.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, weist eine Vorrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens einen auf seiner Oberseite offenen Behälter 1 auf, der bis zu 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 Trägerplatte 5, die parallel zur Oberfläche 2 angeordnet ist und mit­ tels einer nicht gezeigten Höheneinstellvorrichtung senkrecht zur Oberfläche 2 bzw. zur Trägerplatte 5 auf und ab verschoben und positioniert werden kann.

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

Über dem Behälter 1 ist eine nicht gezeigte Vorrich­ tung zum Glätten der Oberfläche 2 des Formstoffes 3 angeordnet.

Oberhalb des Behälters 1 ist eine Bestrahlungsein­ richtung 7 in Form eines Infrarot-Lasers angeordnet, die einen gerichteten Lichtstrahl 8 abgibt. Der gerichte­ te Laserstrahl 8 wird über eine Ablenkeinrichtung 9, beispielsweise einen Drehspiegel, als abgelenkter Strahl 10 auf die Oberfläche 2 des Formstoffes 3 in dem Behäl­ ter 1 abgelenkt. Eine Steuerung 11 steuert die Ablenk­ einrichtung 9 derart, daß der abgelenkte Strahl 10 auf jede gewünschte Stelle der Oberfläche 2 des Formstof­ fes 3 in dem Behälter 1 auftrifft. Die Steuerung 11 ist mit einem Computer verbunden, der der Steuerung 11 die entsprechenden Daten zur Verfestigung der Schichten (6a, 6b, 6c, 6d) der Gießform 6 liefert.

Bei dem Verfahren zur Herstellung der Gießform 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 Gußwerkstoff aufgegeben. Gießtechnologisch erforder­ liche zusätzliche Geometrien werden in dem CAD-Mo­ dell 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 Gießform 6 erzeugt. Diese durch Invertierung erhaltenen Daten stellen ein Negativ des gewünschten Gußteiles dar. Dabei werden die Hohlräu­ me des späteren Gußteiles, die sogenannten Kerne, bei der Bildung des Negatives mit berücksichtigt und kön­ nen dann bei der Herstellung der Gießform als integrier­ te Kerne zusammen mit der Formmaske hergestellt werden.

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

Das CAD-Modell der anzufertigenden Gießform 6 wird sodann im Computer 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 Com­ puter vorhandene Modell der anzufertigenden Gieß­ form durch das Verfahren des selektiven Aushärtens einer Komponente des Formstoffes mittels Laserstrah­ lung als dreidimensionales Objekt erzeugt.

Bei dem Verfahren wird die Trägerplatte 5 zuerst in dem Behälter 1 so positioniert, daß zwischen der Ober­ seite der Trägerplatte 5 und der Oberfläche 2 des Form­ stoffes 3 in dem Behälter 1 ein gerade der vorgesehenen Schichtdicke entsprechender Abstand vorliegt. Die sich über der Trägerplatte 5 befindliche Schicht des Form­ stoffes 3 wird mittels des von der Bestrahlungseinrich­ tung 7 erzeugten und über die Ablenkeinrichtung 9 und die Steuereinrichtung 11 gesteuerten Laserstrahles 8, 10 an vorgegebenen, dem der Gießform 6 entsprechenden Stellen bestrahlt, wodurch der Formstoff 3 sintert und so eine der Gießform 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 Gießform 6 entsprechenden Stellen. Die Schichten haben eine Dicke von 0.1 mm bis 0.2 mm. Der nicht vom Laserstrahl ge­ troffene Formsand einer jeweiligen Schicht wird nicht verfestigt und dient zum Stützen der darüberliegenden Schichten. Der nichtverfestigte Formsand ist anschlie­ ßend wiederverwendbar.

Die fertige Gießform wird nach Abschluß des Baupro­ zesses aus dem umgebenden lockeren Sandbett ent­ nommen. Der noch unverfestigte Formsand im Inneren der Form wird durch die Eingußöffnung und/oder durch die speziell zum Entfernen des nichtverfestigten Sandes vorgesehenen Öffnungen in der Form 6 abgesaugt, her­ ausgeschüttet oder herausgeblasen. Beim späteren Gie­ ßen fließt Gußwerkstoff in diese Öffnungen, der jedoch nach Erkalten abgeschnitten bzw. entfernt wird.

Die fertige Gießform kann zur Verbesserung der Oberflächengüte nachbearbeitet werden, beispielsweise durch thermisches Nachhärten.

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 Verfestigens 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 Sintervorgang grundsätzlich unter­ schiedlichen Vorgang, der in einer thermisch induzier­ ten irreversiblen chemischen Reaktion von Bestandtei­ len 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 ausmachen kann, ist an der in dem Ver­ festigungsprozeß 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 La­ serleistung ausreicht und daß Probleme wie Material­ schwund und Verzug beim Verfestigen praktisch nicht auftreten bzw. stark reduziert sind. Die in dem Harzma­ terial 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 Gußtei­ les verbrennt das Harz und der unversehrt gebliebene Sand kann von dem Gußteil entfernt werden.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, können Hohlräume 20 des späteren Gußteils, die sogenannten Kerne der Gießform 6, bei dem Verfahren gleichzeitig mit der Gieß­ form 6 selbst und integriert mit dieser erzeugt werden. Das herkömmliche Einlegen der Kerne in die Masken­ form entfällt damit.

Das hat den Vorteil einer höheren Genauigkeit ge­ genüber dem bekannten Verfahren, bei dem beim Ein­ setzen bzw. Einlegen des Kerns oder der Mehrzahl von Kernen Formsand abgescheuert wird was zu einer ver­ schlechterten Paßgenauigkeit führt.

Da die Herstellung einer Mehrzahl von Einzelkernen für einen komplizierten Gesamtkern entfällt, kann eine beträchtliche Zeitersparnis bei der Herstellung von Pro­ totypen erzielt werden. Beispielsweise benötigt die Her­ stellung einer Sandform für einen Prototypen eines Öl­ pumpengehäuses für einen PKW mittel Lasersintern et­ wa 30 Stunden, während bei dem bekannten Sandguß­ verfahren etwa vier Wochen für den Modellteilbau und den Kernbau veranschlagt werden müssen.

Modifikationen des Verfahrens sind denkbar. Bei­ spielsweise können auch zweiteilige Sandformen herge­ stellt werden, die anschließend wie bei dem herkömmli­ chen Verfahren zusammengesetzt werden. Auch ist es möglich, komplizierte Kerne für bereits bestehende Maskenformen einteilig herzustellen, bei denen bisher nur die Zerlegung in mehrere Einzelkerne und anschlie­ ßendes Zusammensetzen zu einem Kernpaket möglich war. Die Entfernung des noch unverfestigten Formsan­ des kann auch durch nachträglich in die Sandform ge­ bohrte Öffnungen erfolgen.

Als Formstoff ist auch Zirkonsand, Olivinsand, Chro­ mitsand, Schamotte, Korund oder Carbonsand, die je­ weils entweder rein oder in beliebigen Verhältnissen mit einem oder mehreren der anderen Stoffe gemischt ver­ wendet werden können und die jeweils mit einem geeig­ neten Binder versetzt sind, denkbar. Der Binder ist übli­ cherweise 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-Formal­ dehydharze, Phenol-modifizierte Furanharze, Phenol- Formaldehydharze oder Furfurylalkohol-Phenol-For­ maldehydharz, die jeweils flüssig, fest, granuliert oder pulverförmig vorliegen können. Auch die Verwendung von Epoxidharzen ist denkbar. Bisher sind Epoxidharze in der Gießerei auch im Einsatz, werden aber durch Amin-Begasung ausgehärtet. Bei der thermischen Aus­ härtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hät­ ten sie jedoch den Vorteil der sofortigen Aushärtung bis auf Endfestigkeit.

Da unterschiedliche Bindermaterialien jeweils auch ein unterschiedliches Absorptionsvermögen für elektro­ magnetische Strahlung aufweisen, ist es zweckmäßig bei der Nachbehandlung der Gießform ein selektives Nach­ verfestigen mit unterschiedlichen, dem Absorptionsver­ mögen des jeweiligen Bindermaterials angepaßten Wel­ lenlängen durchzuführen. Beispielsweise kann die Nach­ härtung der Gießformen durch Mikrowellenbestrahlung im Mikrowellenofen erfolgen. Es ist jedoch auch bei­ spielsweise möglich, nacheinander oder gleichzeitig ver­ schiedene Nachhärtungsverfahren anzuwenden, bei­ spielsweise 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 (16)

1. Verfahren zum Herstellen von Gießformen aus warmhärtendem Formstoff mit den Schritten:
Erzeugen eines Computermodells der herzustellenden Gießform (6), wobei zuerst mittels eines Computers ein Modell eines mit der Gießform herzustellenden Gußteiles erzeugt wird und anschließend die Daten der herzustellenden Gießform durch Invertieren des Mo­ delles für das Gußteil erhalten werden;
sukzessives Verfestigen einzelner übereinanderliegender Schich­ ten (6a, 6b, 6c, 6d) des warmhärtbaren Formstoffes (3) an je­ weiligen der Gießform (6) entsprechenden Stellen mittels ent­ sprechend den Daten des Computermodells der Gießform gesteuerter Einwirkung elektromagnetischer Strahlung,
wobei als Formstoff Sand verwendet wird, der mit einem warmhär­ tenden Harzbinder versetzt ist und
der Harzbinder die Eigenschaft aufweist, daß bei der Verfesti­ gung des Formstoffes in dem Harzbinder ein von der elektroma­ gnetischen Strahlung initiierter chemischer Abbindeprozeß ab­ läuft und der Sand chemisch nicht an der Reaktion beteiligt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Formsand Quarzsand mit einem Überzug aus Phenolharz aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gießform mit in­ tegriertem Kern (20) erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (6) ein­ teilig erzeugt wird.

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

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß unverfestigter Form­ stoff (3) nach der Verfestigung über in der Gießform vorgesehene Öffnungen entfernt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern getrennt er­ zeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein einteiliger Kern für eine Gießform (6) erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromagneti­ sche Strahlung Laserstrahlung verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Strahlung eines Infrarot-Lasers (7) verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform ther­ misch nachgehärtet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform durch Bestrahlung mit Mikrowellen nachgehärtet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen beim Erzeugen des Computermodelles der Gießform (6) erzeugt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Formsand Quarz­ sand, Zirkonsand, Olivinsand, Chromitsand, Scha­ motte, Korund- oder Carbonsand umfaßt, der je­ weils mit einem geeigneten warm- oder heißhärt­ baren Harzbinder versetzt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der warm- oder heißhärtbare Harz­ binder ein Harz aus der Gruppe der Furan-, Harn­ stoff- oder Aminoharze, Novolake oder Resole, Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Furfurylalkohol- Harnstoff-Formaldehydharze, Phenol-modifizier­ ten Furanharze, Phenol-Formaldehydharze oder Furfurylalkohol-Phenol-Formaldehydharze um­ faßt, die jeweils in flüssiger, fester, granulierter oder pulverförmiger Form vorliegen können.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Harzbinder ein Epoxidharz ver­ wendet wird.