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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Vollformgießen und insbesondere Vollformgießen unter
Einsatz eines dimensional selbststabilisierten Modells aus Polystyrolschaum.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Vollformgießen ist
ein gut bekanntes Verfahren zum Herstellen metallischer Gussstücke komplexer Form,
wobei ein expandiertes polymeres Schaummodell in eine typischerweise
ungebundenen Gießereisand enthaltene
Form eingebettet wird und geschmolzenes Metall in die Form eingegossen
wird, um das Modell in der Form zu verdampfen und zu verdrängen. Die
Dimensionen des Gussstücks
spiegeln die Originaldimensionen des Schaumstoffmodells, das durch
das Metall ersetzt wird, genau wieder. Folglich ist es wichtig,
dimensional so akkurate und so stabile Modelle wie möglich einzusetzen.
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Das
polymere Schaummodell wird durch Formen von vorexpandiertem Polystyrol
oder anderen Polymer-Kugeln in einer Modellform erhalten, um dem
Modell die gewünschte
Gestaltung zu verleihen. Beispielsweise enthält ein herkömmlich eingesetztes Material
zum Herstellen polymerer Schaummodelle rohe, expandierbare Polystyrol-(EPS-)Kugeln,
welche ein Treibmittel enthalten, das typischerweise meistens normales Pentan
zusammen mit anderen ebenfalls anwesenden Alkanen enthält (beispielsweise
werden einige rohe Kugeln mit bis zu 30 Gew.-% anderer Alkane als
normales Pentan angeboten), und, welche eine Größenverteilung der rohen Kugeln
mit über
90% der Kugeln mit einem Durchmesser in dem Bereich von ungefähr 0,2 bis 0,5
mm aufweisen. Diese werden als T-Kugeln bezeichnet und werden benötigt, um
eine zufrieden stellende Modelloberfläche bereitzustellen, und, um
die Bildung von dünnwandigen
Modellen zu ermöglichen,
wie lediglich beispielsweise Modelle mit einer Wandstärke von
ungefähr
3 bis 5 Millimetern zum Gießen
von Fahrzeugmotorblock-Gussstücken.
Die rohen EPS-Kugeln werden bei einer Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur
von Polystyrol sowie oberhalb des Siedepunkts des Treibmittels vorexpandiert.
Die vorexpandierten EPS-Kugeln
werden dann zu der gewünschten
Gestaltung geformt in einer Modellform, welche dampferhitzt ist,
um die Kugeln weiter zu expandieren, und dann wassergekühlt, um
den Expansionsvorgang zu stoppen, nachdem das Modell in die Form
modelliert wurde. Anschließend
wird das Modell aus der Form entfernt.
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Es
ist bekannt, dass solche Polystyrolschaummodelle beim Entfernen
aus der Form in die Umgebungsatmosphäre anfänglich an Größe zunehmen,
sobald Luft in das Modell diffundiert, und dann in der Größe schrumpfen.
In der Vergangenheit umfasste die herkömmliche Praxis des Vollformgießens das
Lagern der geformten Polystyrolschaummodelle für eine ausgedehnte Zeitspanne
(beispielsweise 30 Tage) bei Raumtemperatur, bis dimensionales Gleichgewicht
erreicht war, und anschließendes
Weiterverfahren mit der Verwendung der Modelle beim Gießen von
geschmolzenem Metall. Eine andere Praktik umfasst Vorexpandieren
von EPS-Kugeln, Formen der Kugeln, um ein gewünschtes Modell zu bilden, und
dann Unterwerfen des Modells einer Ofenalterung, um das Modell schnell
zu stabilen Dimensionen zu bringen.
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Ein
Verfahren zum schnelleren Stabilisieren von Modelldimensionen wird
in dem US-Patent 5,385,698 beschrieben, bei dem vorexpandierte EPS-Kugeln
aus dichten rohen Kugeln expandiert und vor dem Formen für eine Zeit
erhitzt werden, um ein gewünschtes
Modell zu bilden.
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Ein
anderer, in dem US-Patent 4,816,199 beschriebener Versuch, die Modelle
schnell dimensional zu stabilisieren, umfasst Vorexpandieren von
EPS-Kugeln, Formen der expandierten Kugeln, um ein gewünschtes
Modell zu bilden, und anschließendes
Unterwerfen des geformten Modells einem subatmosphärischen Druck
in dem Bereich von 2–20
Inches Hg für
wenigstens 5 Stunden, um das Modell schnell zu stabilen Dimensionen
zu bringen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Vollformgießen unter
Einsatz eines verbesserten dimensional selbststabilisierten Polystyrolschaummodells
bereitzustellen, das den direkten Einsatz des Modells beim Vollformgießen von
geschmolzenem Metall erlaubt, ohne dass die oben beschriebenen dimensional
stabilisierenden Modellbehandlungen nach der Formung notwendig sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Vollformgießen bereit,
das ein Schaummodell einsetzt geformt aus Polystyrol-Kugeln expandiert
aus rohen Polystyrol-Kugeln, welche einen derart ausgewählten Durchmesser
der rohen Kugeln aufweisen, um eine befriedigende Modelloberfläche bereitzustellen,
und, um die Bildung dünnwandiger
Modelle zu erlauben, und, welche ein relativ langsam diffundierendes
Treibmittel in einer Menge von wenigstens 40 Gew.-% bezogen auf
das in den rohen Kugeln vorhandene Treibmittel enthalten, um das
Modell über
die Zeit nach dem Modellformen inhärent dimensionsstabiler zu
machen. Die Gewichtsprozentangabe des Treibmittels bezieht sich
auf die dichten rohen Polystyrol-Kugeln vor der Vorexpansion, um
die expandierten Kugeln zu produzieren. Das dimensional selbststabilisierte
Modell kann ohne eine zwischenzeitliche dimensionsstabilisierende
Modellbehandlung nach der Formung direkt für das Vollformgießen von
geschmolzenem Metall eingesetzt werden. Zum Beispiel kann das Modell
in eine Form umfassend feuerfeste Partikel, wie Gießereisand,
eingebettet werden und geschmolzenes Metall kann mit der Schwerkraft oder
gegen die Schwerkraft in einer Weise eingegossen werden, um das
Modell in der Form zu ersetzen.
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Eine
veranschaulichende Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst Formen des Modells aus Polystyrol-Kugeln
vorexpandiert aus rohen Polystyrol-Kugeln, welche eine Größenverteilung
der rohen Kugel mit Kugeldurchmessern in dem Bereich von ungefähr 0,1 bis
ungefähr
0,6 Millimetern aufweisen, um Modelle mit dünnen Wänden und befriedigender Modelloberflächenbeschaffenheit
herzustellen, und, welche Isopentan als ein relativ langsam diffundierendes
Treibmittel alleine oder zusammen mit normalem Pentan (n-Pentan)
als relativ schnell diffundierendes Treibmittel (Diffusionseigenschaften
mit Bezug zu der Polystyrol-Matrix
des geformten Modells) enthalten, um das Modell über die Zeit inhärent dimensionsstabiler
zu machen. Sofern Isopentan und normales Pentan zusammen eingesetzt
werden, liegt das Isopentan-Treibmittel in einer Menge von ungefähr 40 Gew.-%
oder mehr des gesamten Treibmittels, vorzugsweise ungefähr 50 Gew.-%
bis 70 Gew.-% des in den rohen Kugeln vorhandenen gesamten Treibmittels
vor. Die dimensional selbststabilisierten Modelle weisen nach dem
Formen über
die Zeit einen reduzierten Schrumpf und eine ausgedehnte Haltbarkeitsdauer
auf, bevor Modellschrumpf jenseits einer vorgewählten Modellschrumpftoleranz eintritt.
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Die
Modelle können
in dem Vollformgießverfahren
während
dieser ausgedehnten Haltbarkeitsdauer eingesetzt werden, ohne dass
eine, bisher zur schnellen Stabilisierung der Modelldimensionen
nach der Formung eingesetzte, zwischenzeitliche Stabilisierungsbehandlung,
wie eine langzeitige Umgebungsalterung, beschleunigte Ofenalterung
oder beschleunigte Vakuumbehandlung notwendig ist.
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Die
obigen und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung
mit den nachfolgenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung eines geformten, die ausgewählten, in
den 3–5 in
Bezug genommen Dimensionen 1 bis 5 veranschaulichenden Modells.
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2 ist
ein den Verlust verschiedener Treibmittel aus Polystyrol-Modellen gemäß der 1 über die Zeit
zeigender Graph, wobei N-Pentan
normales Pentan und I-Pentan Isopentan ist.
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Die 3A bis 3E sind
die Veränderung
der Dimensionen 1 bis 5 der geformten Modelle gegen die Zeit in
Tagen zeigende Graphen, wobei ein Datenpunkt für jedes der fünfzehn Modelle
gezeigt ist.
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Die 4A bis 4E sind
den Wechsel der durchschnittlichen Dimensionen 1 bis 5 der fünfzehn geformten
Modelle über
die Zeit zeigende Graphen.
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Die 5A bis 5E sind
Graphen der durchschnittlichen Modelldimensionen gegen die Konzentration
an Treibmittel für
die Dimensionen 1 bis 5 der entsprechenden Modelle.
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6 ist
ein Graph der Isopentan-Konzentration in den expandierten Kugeln
gegen die Zeit bei zunächst
170 Grad F und dann bei 180 Grad F.
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Die 7A bis 7D sind
Graphen von Bohrungsdurchmessern (Bohrung 1 – 4) und x, y, z sind Modelldimensionen
(X Dim, Y Dim, Z Dim) von mit Werkzeug für Motorwassermäntel gefertigten
Modellen gegen die Zeit der Alterung bei Raumtemperatur, wobei I
Modelle gemäß der vorliegenden
Erfindung enthaltend Isopentan als Treibmittel und N konventionelle
Modelle unter Einsatz von normalem Pentan als Treibmittel wiedergeben.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
vorliegende Erfindung umfasst gemäß einer Ausführungsform
ein Verfahren zum Vollformgießen, welches
Gebrauch von einem Polystyrolschaummodell macht geformt aus Polystyrol-Kugeln
expandiert aus dichten rohen Polystyrol-Kugeln, welche einen rohen
(nicht expandierten) Kugeldurchmesser in dem Bereich von ungefähr 0,1 bis
ungefähr
0,6 Millimetern (mm) aufweisen, ausgewählt, um Modelle mit dünnen Wänden, wie
lediglich beispielsweise Modellwanddicken von ungefähr 3 bis
5 Millimetern, welche für
das Gießen
von Fahrzeugmotorblöcken
eingesetzt werden, sowie mit einer zufrieden stellenden Modelloberflächenbeschaffenheit
zum Gießen
herzustellen, und, welche ein relativ langsam diffundierendes Treibmittel
in einer Menge von wenigstens 40 Gew.-% des in den rohen Kugeln
vor der Vorexpansion vorliegenden Treibmittels enthalten, um das
daraus geformte Modell nach dem Modellgießen über die Zeit inhärent dimensional
selbststabil zu machen. Die dimensional selbststabilisierten Modelle
können
beim Vollformgießen
von geschmolzenem Metall ohne eine zwischenzeitliche dimensionsstabilisierende
Modellbehandlung nach der Formung direkt eingesetzt werden, bevor
eine vorgewählte
Modellschrumpftoleranz überschritten
wird. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf bestimmte Modelldimensionen
oder -formen beschränkt
und kann ausgeführt
werden, um dimensional selbststabilisierte Modelle zum Gebrauch
beim Gießen
einer großen
Vielzahl von Metall- oder Legierungskomponenten herzustellen.
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Eine
besonders illustrative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst Formen des Modells aus Kugeln,
welche Polystyrol-Homopolymer
enthalten, und, welche eine Größenverteilung
der rohen Kugeln mit im Wesentlichen allen der rohen Kugeln mit
einem Kugeldurchmesser in dem Bereich von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,6 Millimetern
aufweisen, um Modelle mit dünnen
Wandungen und einer befriedigenden Modelloberflächenbeschaffenheit herzustellen,
und, welche Isopentan als relativ langsam diffundierendes Treibmittel alleine
oder zusammen mit normalem Pentan als ein relativ schnell diffundierendes
Treibmittel, wobei sich die Diffusionseigenschaft auf die Polystyrol-Matrix
des geformten Modells bezieht, enthalten. Wenn Isopentan und normales
Pentan zusammen eingesetzt werden, liegt das Isopentan-Treibmittel
in den rohen Polystyrol-Kugeln vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 40% oder
mehr des gesamten Treibmittels, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 50% bis
ungefähr
70% des gesamten Treibmittels, vor. Beispielsweise enthält ein geformtes
Polystyrolschaummodell für
den Gebrauch beim Vollformgießen
Isopentan-Treibmittel alleine oder zusammen mit normalem Pentan,
wobei das Isopentan-Treibmittel in einer Men ge vorliegt, um, wie
in den Beispielen nachfolgend veranschaulicht, für einen für eine dem Modellgießen folgende
Zeitspanne von Tagen reduzierten Modellschrumpf zu sorgen. Die vorliegende
Erfindung sieht den Gebrauch von anderen langsam diffundierenden
Treibmitteln anstelle von oder zusätzlich zu Isopentan vor, wie
beispielsweise 2,2-Dimethylpropan (Neopentan), Cyclopentan, 2,2-Dimethylbutan,
2,3-Dimethylbutan, Hexan, Cyclohexan, 2-Methylpentan, 3-Methylpentan
sowie Mischungen von einem mit einem anderen und/oder mit Isopentan.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr nachfolgend im Detail mit
Bezug zu expandierbaren Polystyrol-Kugeln der so genannten T-Größe und normalen
Pentan und/oder Isopentan-Treibmitteln beschrieben.
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Das
nachfolgend beschriebene Beispiel wird genannt, um die vorliegende
Erfindung weiter zu illustrieren, nach aber, um diese zu beschränken. Es
wurden expandierbare rohe Versuchs-Polystyrol-(EPS)-Kugeln mit einer
Kugelgrößenverteilung
mit mehr als 90% der Kugeln mit Kugeldurchmessern in dem Bereich
von ungefähr
0,2 bis 0,5 Millimetern (mm), herkömmlicherweise T-Typ-Kugeln
genannt, und enthaltend unterschiedliche Treibmittel evaluiert.
Beispielsweise wurden EPS-Kugeln vom T-Typ mit normalem reinem Pentan-Treibmittel
als Stellvertreter herkömmlicher
verlorener Schaummodell-Praktiken evaluiert. EPS-Kugeln vom T-Typ gemäß der vorliegenden
Erfindung enthaltend reines Isopentan (ebenso bekannt als 2-Methylbutan)-Treibmittel
und andere EPS-Kugeln vom T-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung
mit einer Mischung aus 40 Gew.-% normalem Pentan und 60 Gew.-% Isopentan
als Treibmittel wurden evaluiert. Diese Versuchs-EPS-Kugeln enthaltend
unterschiedliche Treibmittel wurden von Styrochem International
Corporation, Fort Worth, Texas, bereitgestellt.
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Das
in der Praxis der vorliegenden Erfindung eingesetzte Isopentan-Treibmittel
zeigt in der Polystyrol-Matrix eine geringe Diffusionsfähigkeit,
um den Modellschrumpf zu reduzieren, einen normalem Pentan ähnlichen
Dampfdruck bei Vorexpansions- und Formungstemperaturen und weist
relativ geringe Kosten auf. Sowohl Isopentan als auch normales Pentan
weisen die chemische Formel C5H12 auf,
aber normales Pentan ist ein lineares Molekül, wohingegen Isopentan ein
verzweigtes Molekül
ist. Isopentan hat einen Siedepunkt von 27,8 Grad C gegenüber 36,1
Grad C für
normales Pentan. Die Expansionskraft von Isopentan ist geringfügig größer als
die von normalem Pentan, d.h. der Dampfdruck von Isopentan bei 100
Grad C ist 113 psi verglichen mit 91 psi für normales Pentan.
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Die
rohen Versuchs-EPS-Kugeln wurden in einem Trocken-Vorexpander auf eine
in dem US-Patent 5,385,698 beschriebene Weise bis auf eine Dichte
von 1,4 pcf (Pfund pro Kubikfuß)
vorexpandiert. Die vorexpandierende Behandlung kann in einer Vorrichtung
unter Einsatz der in dem US-Patent 5,385,698 beschriebenen Parameter
durchgeführt
werden, um die vorexpandierten Kugeln (prepuff) mit einer gewünschten
Dichte der vorexpandierten Kugeln zu erhalten. Der Gehalt an Treibmittel
der vorexpandierten Kugeln vor dem Formen betrug 3,1 bis 3,2 Gew.-%.
Die vorexpandierten Kugeln mit dem Isopentan-Treibmittel wurden
in einem Ofen bei 43 Grad C gealtert, um den Zielgehalt an Treibmittel
in den Kugeln zu erreichen.
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Aus
jeder Versuchsprobe EPS-Kugeln wurden die in der 1 schematisch
gezeigten fünfzehn
Modelle in einer vertikal agierenden, horizontal teilenden 80 × 60 mm
Styrologic-Formmaschine erhältlich
von Styrologic, einer Abteilung der Vulcan Engineering Company,
Helena, Alabama, geformt, wobei jedes Modell wie gezeigt sechs Zylinder
enthielt. Die Formparameter waren zur Formung herkömmlicher
Polystyrolmodelle bis her eingesetzte Standardparameter. Weitere
Modelle wurden geformt und eingesetzt, um den Gehalt an Treibmittel
der Modelle zu überwachen.
Alle der Modelle wurden nach dem Formen für einen Monat bei Raumtemperatur
gelagert und evaluiert. Fünf
der in der 1 illustrierten Modelldimensionen
wurden als Funktion der Alterungszeit gemessen. Die Dimensionen
1 und 4 betragen anfänglich
ungefähr
244 mm, wohingegen die Dimensionen 2 und 3 anfänglich ungefähr 146,4
mm betrugen. Die Dimension 5 ist die in einer Richtung senkrecht
zu der Ebene der Zeichnung, 1, genommene
Modelldicke und betrug anfänglich
66 mm. Die Messung wurde unter Einsatz einer konventionellen koordinatenmessenden
Maschine mit Kontaktproben durchgeführt.
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Tabelle
I zeigt die Prozentsätze
an Treibmittel sowie die Prozentsätze an normalem Pentan in der
Mischung in den rohen und vorexpandierten Polystyrolkugeln und in
dem geformten Modell als eine Funktion der Alterungszeit. Die Daten
von Tabelle I wurden mit einem Gaschromatographen erhalten.
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Der
Verlust des Treibmittels aus den Modellen ist graphisch in der 2 dargestellt.
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Aus
der Tabelle I und der 2 ergibt sich, dass die Diffusion
von Isopentan aus den Polystyrol-Modellen wesentlich langsamer ist
als die von normalem Pentan. Das ursprünglich 40 Gew.-% normales Pentan und
60 Gew.-% Isopentan enthaltende Treibmittel diffundiert als Ergebnis
der Zusammensetzung des Treibmittels in dem Modell in einer reinem
Isopentan-Treibmittel ähnlichen
Weise aus dem Modell und verlässt
die Formmaschine mit 86 Gew.-% Isopentan. Mit zunehmender Alterung
des geformten Modells wird das ursprünglich 40% normales Pentan
und 60% Isopentan nahezu zu reinem Isopentan.
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Die Änderungen
in den fünf
Dimensionen mit der Alterung bei Raumtemperatur sind in den 3A bis 3E und
in den 4A bis 4E gezeigt.
Die 3A–3E enthalten
alle Datenpunkte für
die 15 Modelle für
die ersten vier Tage des Alterns. Die 4A–4E zeigen
die durchschnittlichen Dimensionen für 24 Alterungstage. Die Schaummodelle
schrumpfen in einer exponentiellen Weise mit der Alterungszeit und
es wurde eine starke Abhängigkeit
der Schrumpfrate vom Typ des Treibmittels beobachtet. Die Isopentan
enthaltenden Modelle schrumpfen langsamer als die normales Pentan
enthaltenden Modelle. Die geformten Modelle mit der Mischung aus
normalem Pentan und Isopentan schrumpfen in einer ähnlichen
Weise wie die Isopentan-Treibmittel enthaltenden Modelle.
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Der
Unterschied in den Schrumpfraten zwischen dem Isopentan enthaltenden
Modellen und den normales Pentan enthaltenden Modellen innerhalb
der ersten vier Tage der Alterung ist auffallend. Wenn man das Ausmaß an Schrumpf,
welcher in den normales Pentan enthaltenden Modellen über die
ersten vier Alterungstage erfolgt, tolerieren kann, dann können die
Isopentan enthaltenden Modelle für
bis zu 22 Tagen mit denselben dimensionalen Änderungen gelagert werden.
Die 4A–4E zeigen
daher eine ausgedehnte Modellhaltbarkeitsdauer verglichen mit Modellen
enthaltend normales Pentan. Die Änderung
in den Dimensionen der Schaummodelle enthaltend normales Pentan
ist mehr als viermal größer als
die Änderung
für Schaummodelle enthaltend
Isopentan nach vier Alterungstagen.
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Die 5A bis 5E zeigen
Graphen der durchschnittlichen Modelldimensionen als eine Funktion des
Modell-Treibmittels. Ein lineares Verhältnis wurde zwischen natürlich gealterten
Modelldimensionen und Modellen mit Pentan-Gehalt beobachtet, was
bestätigt,
dass der Modellschrumpf von der Diffusion des Treibmittels abhängt.
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Die
Konzentration an Treibmittel übt
einen starken Einfluss auf dessen Diffusionsrate aus. Das heißt, der
Einsatz eines gering diffundierenden Isopentan-Treibmittels ist
ein Vorteil, wenn man die Schrumpfraten der Schaummodelle mit ähnlichen
Niveaus von anderen Treibmitteln vergleicht. In dem Falle dieses
Beispiels betrug die Konzentration des Treibmittels in den expandierten
Kugeln vor dem Formen und die der die Formmaschine verlassenden
Modelle unabhängig
von der Art des eingesetzten Treibmittels ungefähr 3 Gew.-%. Die Konzentration
von Isopentan in den vorexpandierten Kugeln kann, wie in dem US-Patent
5,385,698 beschrieben, durch Einsatz eines Pentan-Reduzierungsschrittes
verringert werden.
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Die
nachfolgend im Detail beschriebenen Beispiele werden genannt, um
die vorliegende Erfindung weiter zu illustrieren, nicht aber, um diese
zu beschränken.
Rohe Versuchs-EPS-Kugeln vom T-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung
enthielten Isopentan als Treibmittel und wurden von Styrochem International
Corporation, Fort Worth, Texas, bereitgestellt. Die Isopentan-Konzentration
der rohen EPS-Kugeln betrug 6,27 Gew.-%.
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Die
Kugeln wurden in einem Styrologic Nass-Vorexpander bis auf eine
Dichte zwischen 1,27 und 1,31 pcf (Pfund pro Kubikfuß) vorexpandiert.
Die vorexpandierten Kugeln wurden, wie in dem US-Patent 5,385,698 beschrieben,
einer Isopentan-Reduktionsbehandlung bei 170 Grad F für die ersten
drei Stunden und bei 180 Grad F für die nächsten sieben Stunden unterworfen.
Die Abnahme des Isopentan-Gehalts mit der Alterungszeit der Behandlung
ist in der 6 gezeigt. Die Isopentan-Konzentrationen wurden
durch Vergleichen des Gewichts der Kugeln vor und nach der Alterung
für 15
Minuten bei 200 Grad C erhalten. Der Isopentan-Gehalt wurde in zehn
Stunden von 5,3% auf 3,15 Gew.-% reduziert. Die Zeit kann, wie zuvor
beschrieben, durch den Einsatz von EPS-Kugeln enthaltend 40 Gew.-% normales
Pentan und 60 Gew.-% Isopentan als Treibmittel reduziert werden.
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Die
expandierten Versuchskugeln enthaltend 3,15% Isopentan und konventionell
expandierte Kugeln enthaltend 3,69% normales Pentan und bereitgestellt
von NOVA Chemicals Inc., Monaca, PA. wurden in Strologic vertikal
agierenden, horizontal trennenden 100 × 100 mm Formmaschinen erhältlich von
Styrologic, einer Abteilung von Vulcan Engineering Company, Helena,
Alabama, unter Einsatz von hierzu bisher eingesetzten Standardparametern
geformt, um konventionelle Polystyrolmodelle zu formen.
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Wassermantelmodelle
wurden unter Einsatz von Werkzeug für Wassermäntel für einen Fahrzeugzylinderblock
geformt und wurden eingesetzt, um die anfänglichen Modelldimensionen
und die Modellschrumpfraten zu vergleichen. Fünf EPS-Wassermantelmodelle
wurden mit den expandierten Kugeln mit Isopentan als Treibmittel
(3,15 Gew.-% Isopentan) geformt und fünf wurden mit den expandierten
Kugeln mit normalem Pentan als Treibmittel (3,69 Gew.-% normales
Pentan) geformt. Die Modelle wurden bei Raumtemperatur für acht Tage
gealtert, während
vier Dimensionen pro Modell als eine Funktion der Alterungszeit überwacht
wurden. Diese Dimensionen waren die Dimensionen der Bohrung 1 bis
Bohrung 4 (Bohrlochzentrum bis Bohrlochzentrum in der X-Richtung),
die durchschnittliche Länge
(x Dimension), die durchschnittliche Höhe (y Dimension) sowie die
durchschnittliche Breite (z Dimension). Die Entwicklung der Dimensionen
mit der Zeit ist in den Graphen der 7A bis 7D für die ersten
acht Alterungstage aufgetragen. Wie aus den 7A, 7B, 7C und 7D für die x,
y bzw. z Dimensionen von Bohrlochzentrum bis Bohrlochzentrum gesehen
werden kann, waren über
die acht Alterungstage die unter Einsatz der EPS-Kugeln enthaltend
Isopentan-Treibmittel gefertigten Schaummodelle signifikant dimensionsstabiler
als die mit konventionellen EPS-Kugeln mit normalem Pentan-Treibmittel
gefertigten Schaumstoffmodelle.
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Ein
vollständiger
Zylinderblock-Cluster wurde zum Vollformgießen montiert und umfasste ein
Wassermantel-Modell, ein Kurbelgehäuse-Modell, ein Bohrungs-Modell
sowie eine Eingussanbringung, wobei die Modelle miteinander verklebt
waren. Vier EPS-Wassermäntel
und vier EPS-Kurbelgehäuse
wurden mit den expandierten Kugeln mit Isopentan als Treibmittel
(3,15 Gew.-%) geformt. Gleichermaßen wurden vier EPS-Wassermäntel und
vier EPS-Kurbelgehäuse
mit den expandierten Kugeln mit normalem Pentan als Treibmittel (3,69
Gew.-%) geformt. Die Modelle wurden weniger als bis einen Tag vor
der Montage gealtert. Vier Cluster wurden unter Einsatz von Isopentan-Wassermantel-
und Kurbelgehäuse-Modellen geformt
und vier Cluster wurden unter Einsatz herkömmlicher normaler Pentan-Wassermantel-
und Kurbelgehäuse-Modelle
montiert. Die in allen Clustern eingesetzte Bohrung und Eingussanbringung
wurden aus herkömmlichem
normalen Pentan enthaltenden Polystyrolkugeln geformt.
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Die
Cluster wurden mit der kommerziell erhältlichen feuerfesten Beschichtungen
Borden SK 400 erhältlich
von Borden Packaging and Industrial Products, Westchester, Illinois
beschichtet. Die acht beschichteten Cluster wurden in trockenem
Gießereisand
eingebettet und mit geschmolzener Aluminiumlegierung LF-319,2 bei
einer Schmelztemperatur von 1.385 Grad F mit der Schwerkraft gegossen.
Die durchschnittlichen Füllzeiten
lagen bei 39–40
Sekunden für
die Cluster enthaltend aus den EPS-Kugeln mit Isopentan-Treibmittel geformte
Wassermantel- und Kurbelgehäuse-Modelle
gegenüber
37–38
Sekunden für
die aus den EPS-Kugeln
mit normalem Pentan als Treibmittel geformten und Wassermantel-
und Kurbelgehäuse-Modelle
enthaltenden Cluster. Die unter Einsatz der Cluster einschließlich Wassermantel-
und Kurbelgehäuse-Modelle
geformt aus den EPS-Kugeln mit Isopentan-Treibmittel hergestellten
Gussstücke
waren hinsichtlich ihrer visuellen Erscheinung mit den Gussstücken unter
Einsatz der Cluster enthaltend Wassermantel- und Kurbelgehäusemodelle
geformt aus den EPS-Kugeln mit normalem Pentan als Treibmittel äquivalent.
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Die
vorliegende Erfindung stellt dimensional selbststabilisierte Modelle
bereit, welche eine ausgedehnte Haltbarkeitsdauer aufweisen, bevor
Modellschrumpf über
eine vorgewählte
Modellschrumpftoleranz hinaus auftritt. Die Modelle können in
dem Vollformgießverfahren
während dieser
ausgedehnten Haltbarkeitszeit eingesetzt werden, ohne dass zwischenzeitliche
Stabilisierungsbehandlungen, wie langfristige Umgebungsalterung,
beschleunigte Ofenalterung oder beschleunigte Vakuumbehandlung,
wie diese bisher zum Stabilisieren der Dimensionen von Modellen
nach der Formung eingesetzt wurden, notwendig sind. Alternativ dazu
können die
Modelle kurz nach dem Formen eingesetzt werden, um aufgrund der
einen verringerten Schrumpfungsgrad aufweisenden Modelle akkuratere
oder weniger Toleranz aufweisende verlorene Schaumgussteile herzustellen.
Ferner können
Modelle, welche für
verschiedene Zeitspannen gealtert wurden, beispielsweise 1 Tag und 5
Tage, mit einer guten Übereinstimmung
an dem Befestigungspunkt zusammengesetzt werden.
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Während die
vorliegende Erfindung im Hinblick auf gewisse Ausführungsformen
offenbart wurde, ist es nicht beabsichtigt, diese darauf zu beschränken, sondern
lediglich in dem nachfolgend in den folgenden Patentansprüchen vorgenommenen
Ausmaß.
