DE69424261T2

DE69424261T2 - Schnelle Herstellung von komplexen Gussteilen

Info

Publication number: DE69424261T2
Application number: DE69424261T
Authority: DE
Inventors: Martin Andrew Brogley; Craig Edward Burch; Neal James Corey; Thomas John Heater; Furgan Zafar Shaikh; Gary Allan Vrsek
Original assignee: Ford Werke GmbH; Ford France SA; Ford Motor Co Ltd; Ford Motor Co
Current assignee: Ford Werke GmbH; Ford France SA; Ford Motor Co Ltd; Ford Motor Co
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1994-11-02
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2014-11-03
Also published as: EP0655667B1; ES2145105T3; CA2134805A1; DE69424261D1; EP0655667A3; EP0655667A2; US6446697B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung und Formung von Teilen, welche aus einem angemessen steifen Werkstoff bestehen, und insbesondere auf die rasche Formung von Modellen durch Schichtobjektbearbeitung, welche das Gießen solcher Modelle erleichtert.
Es wird unerläßlich, Gußmodelle und ihre zugehörigen Werkzeuge in Freiformtechnik schneller und mit geringerem Kostenaufwand herzustellen, wobei sie hohe Oberflächenqualität aufweisen und kaum oder gar keine Nachbearbeitung erfordern sollen. Es gibt keine Technologie, die einzig auf die schnelle Herstellung von verlorenen Modellen ausgerichtet ist, die Technik, die für diese Ziele relevant ist, fällt allgemein unter vier Kategorien: Extrudieren, Spritzen, Laser-Härten und Schichtformen. Jede hat dabei deutliche Nachteile, die eine gleichzeitige Erfüllung aller Ziele verhindern.
Beim Extrudieren oder Strangpressen kommt eine beheizte Düse zum Einsatz, mit der heißes Wachs oder Polymerfasern wie z. B. Nylon in Form gepreßt werden. Es ist auf einen Modellbau mit einfachen Formen beschränkt; es ist empfindlich, delaminierungsgefährdet und teuer.
Spritzen kann entweder (i) Emulsionsspritzen sein, wobei ein Bindemittel auf ein Metallpulver gespritzt wird, das anschliessend lasergesintert wird, oder (ii) thermisches Spritzen, wobei Metallpulver unter hohen Temperaturen zur Erzeugung einer Form aufgespritzt wird. Spritzen ist jedoch teuer, langsam und schafft nur eine mittelmäßige Oberflächenqualität mit poröser Oberfläche.
Laser-Härten, oft auch als Stereolithographie bezeichnet, beinhaltet, daß lichtempfindliche Polymerharze in dünnen Schichten einem Laserstrahl ausgesetzt werden, so daß sie ausgehärtet werden, und daß diese Schritte dann wiederholt werden, so daß nach und nach ein Teil oder ein Modell aufgebaut wird. Dieses Verfahren ist allgemein langsam und nur bei Nichtmetallen und zur Werkzeugherstellung nützlich, und es erfordert teure Emissionskontrollmaßnahmen wegen der stark riechenden Werkstoffe. Es erfordert außerdem Nachbearbeitung, da die Oberfläche während der Lagerung nicht stabil bleibt, bis zu einem gewissen Grade spröde ist und in der Größe begrenzt ist.
Schichtformen nach dem bisherigen Stand der Technik beinhaltet das Ausschneiden von Metallagen, Hartpapier, Kunststoffschichten oder Schaumwerkstoffen unter Einsatz eines Laserstrahls, Heißdrahtschneiders oder einer mechanischen Schneidvorrichtung zur Herstellung blattartiger Ausschnitte; die Ausschnitte werden anschließend so zusammengestellt, daß sie eine Einheit bilden. Anfangs wurde Schichtformen ohne eine Computergraphikführung ausgeführt, wobei das Schneidwerkzeug einer mechanischen Führung folgte. Später wurde im bisherigen Stand der Technik das Schneidwerkzeug so programmiert, daß es einem Computermodell bzw. -Graphik nachlief, wie dies z. B. in der US- Patentschrift 4,675,825 offenbart ist. Letztere Art des Schicht formens wird bei der Formgebung von Metall eingesetzt, sie erlaubt jedoch nicht die Vermeidung von Nacharbeiten an der Einheit, hat eine unzulängliche Gefügefestigkeit, da sehr dünne Schichten bzw. Lamellen verwendet werden müssen, ist nicht in der Lage, komplexe Teile wie z. B. verschachtelte Motorzylinderköpfe, Ansaugkrümmer oder Motorblocks zu erzeugen, und ist wegen der durch die Anzahl der Lamellen bedingten großen Zahl von Bedienungs- und Endbearbeitungsgängen sehr langsam.
Die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung bei Schichtformverfahren nach dem Stand der Technik ist ein großer Nachteil. Die Bearbeitung, die bei diesem Prozeß ausgeführt wird, dient nur zum Abtragen der Kanten der dünnen Metallschichten oder Blechlagen (bis zu 12 mm), womit ein Vollformfräsen verhindert wird. Nach dem Zusammenbau der Blechlagen ist die Gesamtoberfläche etwas gratig oder stufig, so daß sie eine Nachbearbeitung zur Erzielung einer annehmbaren Oberflächenqualität erfordert. Sind die Lagen aus Schaumstoff, Hartpapier oder Kunststoff, bleibt das Problem dasselbe, da es nicht möglich ist, die Ränder des Werkstoffes völlig frei zu formen; außerdem können Schaumwerkstoffe eine hohe Porosität der Endoberfläche im zusammengesetzten Zustand bewirken.
Die DE-A-41 24 961 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers mit einer gewünschten Geometrie unter Einsatz von computerunterstützter Konstruktion (CAD). Das Verfahren beinhaltet das Aufteilen des Modellkörpers in N einzelne Modell-Elementarkörper unter Einsatz eines CAD-Programms. Je ein Elementarkörper, welcher einem entsprechenden Modell-Elementarkörper entspricht, wird dann aus einem geeigneten Werkstoff wie z. B. Metall ausgeschnitten, und die N Elementarkörper werden zur Bildung des fertigen Körpers zusammengesetzt.
GB-A-2150875 offenbart eine Form für den Feinguß eines hohlen Schaufelblattes für eine Gasturbine, das durch Formen eines Wachsmodells des Blattes hergestellt wird, mit einem Kernteil zur Ausprägung des hohlen Blattinnenraumes. Das Kernteil hat einen Schlitz, welcher den konkaven mit dem konvexen Teil des Wachsmodells verbindet. In dem Schlitz ist ein Zusammenspannteil angeordnet, das über Feder und Nut mit dem konkaven und dem konvexen Wachsmodellteil in Verbindung steht, so daß diese in Eingriff mit dem Kernteil gehalten werden. Nachdem das Wachsmodell zur Ausbildung einer Gußform mit einem hitzebeständigen Werkstoff überzogen worden ist, wird das Wachs ausgeschmolzen und abgeführt. Das Zusammenspannteil ist aus Polystyrol, so daß es bei den Wachs-Schmelztemperaturen so weit fließfähig wird, daß es zusammen mit dem Wachs abgelassen werden kann.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verlorenes Modell schnell und in einem wirtschaftlicheren Schichtobjekt- Bearbeitungsverfahren herzustellen, das auch auf komplexeste Formen anwendbar ist, wobei ein solches Modell zur Ausbildung einer Gußform darum herum vorgesehen ist und dann vom Metall verdrängt wird. Das Verfahren ergibt ein Gußprodukt mit hoher Oberflächenqualität, und das Verfahren selbst hat kaum oder gar keine nachteiligen Herstellungsnebeneffekte.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur schnellen Herstellung von Gußteilen gestellt, welches folgendes aufweist: (a) Erstellen eines graphischen Computermodells des Gußteiles; (b) Zerteilen des graphischen Modells in graphische Bausteine, die zumindest Blöcke oder Scheiben sind; (c) Ausschneiden eines "körperlichen" Bausteines für jeden der graphischen Bausteine, wobei die körperlichen Bausteine (i) aus einem schmelzbaren oder verdampfungsfähigen Feststoff bestehen (z. B. Wachs oder Polystyrol), (ii) proportional zu ihrem jeweiligen graphischen Baustein und diesen umhüllend sind, und besagtes Ausschneiden durch Anfahren jedes körperlichen Bausteins von zwei Seiten oder mehr her geschieht, so daß das entsprechende Graphikmodell wenigstens im wesentlichen dupliziert wird; (d) Zusammenfügen der ausgeschnittenen Bausteine, so daß das Graphikmodell wiedergegeben und ein einheitliches verlorenes Modell erzeugt wird; (e) Herstellen einer Gußform um besagtes Modell herum; und (f) Gießen von Metall in besagte Gußform, während besagtes Modell aus der besagten Gußform entweder während des Eingießens von Metallschmelze in diese oder durch vorheriges Ausschmelzen entfernt wird.
Das Ausschneiden geschieht an jeweils gegenüberliegenden Seiten jedes Bausteins, z. B. mittels CNC-Fräsmaschinen, wobei die Stärke der körperlichen Bausteine im Bereich zwischen 14 und 150 mm liegt und jedes der körperlichen Bausteine parallel oder schräg zueinander verlaufende gegenüberliegende Seiten aufweist.
Die Verfahren können auf die Herstellung einzigartig bearbeiteter metallener Funktionsteile angewandt werden, auf die Herstellung von Schnellentwicklungs-Prototypen für Metallgußteile sowie auf die rasche Herstellung von Ur- oder Vorserien- Gußteilen.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden, dabei zeigt:
Fig. 1: ein Blockdiagramm eines die Grundsätze der Erfindung verkörpernden Prozesses;
Fig. 2: eine perspektivische Ansicht eines graphischen Computermodells einer Motorzylinderkopf-Konstruktion mit einem einzelnen Zylinder;
Fig. 2A ist eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht, die jedoch zusätzliche Konstruktionsmerkmale wie Höcker, Zentrierbohrungen und Schraubenbohrungen darstellt;
Fig. 3A ist eine schematische Zeichnung zur Aufteilung des Graphikmodells in Abschnitte bzw. Scheiben;
Fig. 3B ist eine Aufrißansicht der Fig. 3A;
Fig. 4A ist eine schematische Aufrißansicht einer Zeichnung zur kombinierten vertikalen und horizontalen Teilung des Computermodells in Abschnitte bzw. Scheiben;
Fig. 4B ist eine Seitenansicht der in Fig. 4A dargestellten Zeichnung;
Fig. 5 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung ausgewählter Computerbildabschnitte des Modells aus Fig. 2, wobei die Abschnitte so gewählt sind, daß sie eine beidseitige Bearbeitung erleichtern;
Fig. 6 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung von Computerbildabschnitten, welche Scheiben der in den Fig. 2A und 2B dargestellten Konstruktion bilden;
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines digitalisierten Abspanweges, der zur Durchführung der Bearbeitung der Oberseite des vierten graphischen Bausteines in Fig. 6 und damit des vierten körperlichen Bausteines ermittelt worden ist;
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht ähnlich wie Fig. 7, aber für einen Abspanweg der Unterseite des vierten graphischen Bausteines aus Fig. 6, und damit des vierten körperlichen Bausteines;
Fig. 9 ist eine perspektivische schematische Ansicht einer typischen Drei-Achsen-Fräsmaschinen-Fräse beim Fräsen der Oberseite eines körperlichen Bausteines;
Fig. 10 ist eine Explosionsansicht von körperlichen Bausteinen nach der Bearbeitung im zusammengesetzten Zustand, mit dazwischenliegenden Lötblechen;
Fig. 11 ist ein schematisches Flußdiagramm, welches darstellt, wie das erfindungsgemäße Verfahren auf eine schnelle Prototypenherstellung für Gußteile angewendet werden kann; und
Fig. 12 ist ein schematisches Flußdiagramm, welches darstellt, wie das erfindungsgemäße Verfahren auf eine schnelle Herstellung von Vorserien-Erstlingsgußteilen angewendet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren bearbeitet mehrere Schichtbausteine, die im zusammengesetzten Zustand ein gewünschtes Teil bilden, wie z. B. ein Modell oder ein nachgeformtes Teil. Die schichtförmigen Bausteine sind relativ grobe bzw. dicke Abschnitte eines Teils, hier Scheiben oder Blöcke genannt, welche eine beidseitige Bearbeitung (vorzugsweise eine Bearbeitung jeweils gegenüberliegender Seiten) durch computergesteuerte Drei- Achsen-Fräsmaschinen sowohl erfordern als auch erleichtern. Die Herstellungszeit für das Teil wird deutlich verringert, und das Verfahren besonders wirksam, wenn ein komplexes mehrkerniges Gußteil hergestellt wird, wie z. B. ein Motorzylinderkopf oder ein Motorzylinderblock.
Wie in Fig. 1 dargestellt, beinhaltet das Verfahren vier Grundschritte, wovon die ersten drei im Rahmen bzw. unter der Kontrolle eines programmierbaren Computers ausgeführt werden. Die Konstruktion des graphischen Computermodells sollte ein dreidimensionales CAD = (computer aided design) -Massivmodell oder Hüllflächen-Modell sein, wie z. B. der in Fig. 2 dargestellte einzelne Motorzylinderkopf. Dem Computer müssen Vorgaben gemacht werden, die Konstruktion innerhalb bestimmter Parameter zu steuern, wie z. B. die Größe des zu bearbeitenden Stangenmaterials, die Zustellrichtung für die Werkzeugmaschine und das gewünschte Finish am fertigen Teil. Die Konstruktion kann auch die Anordnung von Zentrierlöchern oder Öffnungen für Befestigungsschrauben beinhalten, die, wie in Fig. 2A dargestellt, die inneren Funktionshohlräume nicht unterbrechen. In dieser graphischen Darstellung hat der Zylinderkopf 10 ein zentrales Brennraumdach 11, Einlaßkanäle 14, 15 und Auslaßkanäle 12, 13, zusammen mit Ventilsitzen 16 für jeden der Kanäle. Mehrere Höcker sind vorgesehen, einschließlich eines Höckers 17 für eine Zündkerze oder eine Kraftstoffeinspritzdüse, Höcker 18 für die Ventilführungen und Verbindungshöcker 19.
Wichtig ist, die Aufteilung des graphischen Modells nach dem Scheiben- bzw. Blockkonzept der vorliegenden Erfindung zu planen, unter Berücksichtigung der Anordnung, Größe und Form der inneren Hohlräume des herzustellenden Teils. So kann z. B. wie in den Fig. 3A und 3B dargestellt, dann, wenn die inneren Hohlräume 24, 25 in vertikal beabstandeten Reihen angeordnet sind, und wenn sich die Hohlräume 24, 25 in Draufsicht weit überlappen, eine horizontale Aufteilung durch jede Hohlraum-Reihe erwünscht sein, so daß alle Hohlräume für den Fräser gut zugänglich sind. Eine solche Aufteilung kann von der Minimalstärke begrenzt werden, die erfindungsgemäß zur Erzielung eines stabilen Blockes oder einer stabilen Scheibe angewendet werden kann. Eine solche Minimalstärke beträgt für Metalle wie Alu minium oder Stahl etwa 14 mm. Die Minimalstärke kann aufgrund der Festigkeit eines alternativen Werkstoffes angepaßt werden. Eine solche Mindeststärke und -Festigkeit ist erforderlich wegen der Notwendigkeit einer vollen Drei-Achsen-Konturenbearbeitung, statt nur vertikaler Bearbeitung wie bei Blech.
In bestimmten Fällen ist es günstig, sowohl horizontale als auch vertikale Trennebenen zu kombinieren, wie dies in den Fig. 4A und 4B dargestellt ist, wo die untere Reihe von Hohlräumen 26 in der Draufsicht auf die oberen Hohlräume 27 eingehüllt sind. Noch eine weitere Alternative besteht darin, nur eine vertikale Aufteilung zu verwenden, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Bei einer solchen Aufteilung können auch Stufen in den Scheiben oder Blöcken erzeugt werden. Die Möglichkeit, die inneren Kanäle 28, 29, 30 und 31 gut zugänglich zu machen, ist ein Kriterium, anhand dessen die Aufteilung gewählt werden sollte. Hier liegen diese Kanäle in im wesentlichen vertikalen Ebenen 32 und 33.
Wie Fig. 6 zeigt, wurden hier fünf Abschnitte oder Scheiben unterschiedlicher, aber gleichförmiger Stärke bestimmt, um die inneren Hohlräume des Einzel-Zylinderkopfmodells in Fig. 2 optimal zugänglich zu machen. Diese Abschnitte sind die graphischen Bausteine 34, 35, 36, 37 und 38. Zu beachten ist die geringe Stärke von Abschnitt 37, die größere Stärke der Abschnitte 35 und 36 und die noch größere Stärke der Abschnitte 34 und 38. Alle Abschnitte haben eine generell gleichbleibende Stärke aufgrund der parallelen horizontalen Teilung. Die komplexen Umrißlinien und ungewöhnliche Form der Auslaßkanäle 14, 15 sind zugänglich mit einer Drei-Achsen-Bearbeitung der Abschnitte 35- 38, ohne bei der Bearbeitung tote Winkel oder Überhänge zu hinterlassen. Durch die Abwesenheit komplexer Konturen an den oberen und unteren Abschnitten 34, 38 können diese Abschnitte mit größerer Stärke ausgebildet werden.
Die Aufteilung des graphischen Computermodells ist so bemessen, daß eine Überlappung zwischen den Scheiben oder graphischen Bausteinen besteht. Eine solche Überlappung ist not wendig, um die Kontinuität der Oberflächen zu wahren. Bei bestimmten Scheiben bzw. graphischen Bausteinen können die Höcker 42, welche bestimmte Hohlräume bilden, "schwebend" aufgehängt und in dieser besonderen Scheibe von den Seitenwänden 41 getrennt liegen, so daß Brücken 39, 40 erforderlich sind, wie sie bei den Scheiben 36 und 37 dargestellt sind, wobei derartige Brücken später nötigenfalls oder wenn gewünscht entfernt werden können.
Die Oberflächenqualität der bearbeiteten körperlichen Bausteine (Abschnitte oder Blöcke) hängt von den Oberflächenanforderungen ab und beträgt vorzugsweise etwa 0,005 mm, wenn ein Werkstoff wie Aluminium oder Stahl eingesetzt wird. Die Oberflächenfeinheit kann aber auch dem bearbeiteten Werkstoff angepaßt werden, so daß sie besser als die normalerweise mit dem gegenwärtigen Industriestandard gelieferte Oberfläche ist. Die zu bearbeitenden körperlichen Bausteine (Blöcke oder Scheiben) sollten eine Größe haben, die allgemein gleich oder größer als die des entsprechenden graphischen Bausteines ist, so daß sie dadurch alle Seiten des graphischen Computermodells umhüllen.
Ist das "feste" bzw. körperliche Modell in Blöcke und Scheiben aufgeteilt worden, müssen über das Computerprogramm Werkzeug-Abspanwege für die zahlreichen freizulegenden Flächen erstellt werden, die in jedem körperlichen Baustein (Block oder Scheibe) zu bearbeiten sind, und zwar vorzugsweise an den jeweils gegenüberliegenden oberen und unteren Oberflächen bei horizontal getrennten Bausteinen. Werkzeugabspanwege 44, 45 für den einzelnen Motorzylinderkopf sind für den Baustein 37 in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Der Werkzeugabspanweg 44 gilt für die oberseitige Bearbeitung des Bausteines in Fig. 7, und Werkzeugabspanweg 45 gilt für die unterseitige Bearbeitung des Bausteines in Fig. 8 (d. h. bei umgedrehtem Baustein). Das zur Berechnung solcher Abspanwege verwendete Programm ist allgemein bekannt als Computer Vision /CAD/CAM System und besteht in einer Vollform-Modellierung, numerischer Steuerung und Zeichnung. Die so im Computer erzeugten Abspanwege werden mittels eines Vericut-Programms überprüft.
Bei der Ausführung des dritten Schrittes dieses Grundprozesses wird CNC-Fräsen zur Ausbildung der verschiedenen inneren Hohlräume und Oberflächen jedes körperlichen Bausteines (Scheibe oder Block) eingesetzt, während der körperliche Baustein starr in die Fräsmaschine eingespannt ist. Es ist wünschenswert, Zentrierbohrungen für Zentner- oder Ausrichtzapfen zu bohren, um die Halterung oder Festlegung des körperlichen Teils während der nachfolgenden Bearbeitung zu erleichtern, wie es Fig. 9 zeigt. Die Zentrierbohrungen und Fügeöffnungen bestimmen dann auch den genauen Zusammenbau der körperlichen Bausteine (Scheiben oder Blöcke) zu einer Einheit. Die Schraubenlöcher (die dazu verwendet werden können, die Einheit in bestimmten Fällen zu befestigen) sollten mit großer Genauigkeit gebohrt werden. Wichtig ist, daß die Fräsmaschine Material in den Achsen X, Y und Z abnehmen kann, um ein Duplikat des graphischen Modells zu erzeugen. Ein Beispiel einer CNC-Fräsmaschine, die zum Zwecke der Durchführung dieses Verfahrensschrittes eingesetzt werden kann, ist in Fig. 9 dargestellt. Obwohl ein Fräsen in nur 3 Achsen erforderlich ist, kann bei dem Verfahren auch Fräsen mit 4 oder 5 Achsen eingesetzt werden, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Im letzten Schritt des Grundprozesses sollten die einzelnen Scheiben oder Blöcke vorzugsweise gereinigt werden, um für den Fall, daß die Befestigung durch Hartlöten, Weichlöten oder Kleben erfolgt, bei dem irgendeine Art von Stoffreaktion erforderlich ist, alle Oxyde zu entfernen. In dem Falle des Beispieles des einzelnen Motorzylinderkopfes werden die Scheiben nach der Reinigung über Hartlötfolien oder -Bleche 47 miteinander verbunden, die wie in Fig. 10 dargestellt zwischen den Bausteinen 34-38 eingefügt sind; Zentrierstifte 48 werden dann in genau fluchtende Öffnungen 51 eingesteckt, um die körperlichen Bausteine (Scheiben) in der nötigen genauen Orientierung zusammenzufügen, die erforderlich ist, das graphische Modell nachzubilden. Zusätzlich können Schrauben oder Befestigungsmittel 50 in Öffnungen 52 verwendet werden, um die Einheit während ihrer Verwendung in einem zur nachfolgenden Wärmebehandlung benutzten Ofen zusammenzuspannen. Das für Aluminiumlegierungen verwendete Hartlot ist: eine eutektische Aluminium-Si-Mg Hartlötfolie mit der folgenden chemischen Zusammensetzung: 83-90 Gew.-% Al, 9-13 Gew.-% Si, 0,1-1,75 Gew.-% Mg und 0-0,15% Bi. Die Hartlotbleche haben eine Stärke im Bereich von 0,003-0,010 Zoll.
Nach der Reinigung der Einheit wird die zusammengespannte Einheit in einem Ofen in eine geeignete inerte Atmosphäre gebracht, mit oder ohne Zusatz, und wird einem genauen Erwärmungszyklus unterworfen, um die Hartlötung durchzuführen und eine metallurgische Bindung zwischen dem Lötwerkstoff und den Scheiben selbst zu erzeugen. Die Einheit wird auf eine Temperatur erwärmt, die im großen und ganzen 30ºC unter dem Schmelzpunkt der körperlichen Bausteine (Metallscheiben) liegt (d. h. etwa 595ºC bei Aluminium). Ein anschließender Abkühlzyklus im Ofen kann als Zyklus T5 oder T6 eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren verringert die Gesamtzeit für die Herstellung eines Metallteiles um bis zu 30%, andere Werkstoffe wie Magnesiumlegierungen, Gußeisen, Stahllegierungen usw. können dabei mit geeigneten eutektischen Lötwerkstoffen hart- oder weichverlötet werden, es reduziert die Kosten um typischerweise 50% und vermeidet Nebenwirkungen wie Verziehen, mangelnde Stabilität der zusammengesetzten Einheit, Sprödigkeit, Geruchsentwicklung, Einschränkungen in bezug auf die Wahl des Werkstoffes der Bausteine, und die Notwendigkeit, den körperlichen Baustein bei der Bearbeitung zu drehen. In bezug auf Zeitgewinn sei festgestellt, daß es heute üblich ist, metallene Prototypen in einem Ablauf herzustellen, der die Bearbeitung von Modellen beinhaltet, die Herstellung einer Form, und schließlich das Gießen der Teile. Dies erfordert normalerweise 15 Wochen. Der in der obigen Beschreibung offenbarte einzelne Zylinderkopf kann innerhalb von 3-4 Wochen konstruiert und hergestellt werden. Das Verfahren vermeidet Abfall, verringert die zur Durchführung erforderliche Zahl von Arbeitsschritten und den Personalaufwand, und erlaubt die Verwendung einer Reihe unterschiedlicher Werk stoffe wie z. B. Gußeisen, Magnesium, Stahl, Aluminium und entsprechende Legierungen; all dies führt zu Kosteneinsparungen.
Das sich aus diesem Verfahren ergebende Produkt beinhaltet: einen Stapel körperlicher Bausteine (Blöcke oder Scheiben), die in einer gegebenen Reihenfolge zusammengesteckt werden, so daß sie das dreidimensionale Computergraphikmodell des Teils nachbilden, wobei die körperlichen Bausteine (Blöcke oder Scheiben) in folgenden Schritten vorbereitet werden: (i) Aufteilen des graphischen Modells in graphische Bausteine, die Blöcke und/oder Scheiben bilden, und (ii) Ausschneiden eines körperlichen Bausteines (Block oder Scheibe) für jeden der Bausteine des graphischen Modells durch Anfahren von zwei Seiten oder mehr der körperlichen Bausteine, so daß die entsprechenden Bausteine des graphischen Modells im wesentlichen dupliziert werden. Ein solches Produkt bietet dann wertvolle einzigartige Merkmale wie Gefügestabilität, eine glatte konturierte Außenoberfläche, die von einem körperlichen Baustein zum anderen (von einem Block zum anderen oder von einer Scheibe zur anderen) nicht unterbrochen oder abgestuft ist, wobei die Oberflächenqualität und Festigkeit des Produktes mindestens ebenso hoch ist, wie die einer herkömmlichen Produktion. Für die in diesem Grundverfahren zum Einsatz kommenden körperlichen Bausteine wird das Metall so ausgewählt, wie es auch für das Funktionsteil normalerweise erforderlich ist. Die Aufteilung muß die Bedingungen des körperlichen Bausteins berücksichtigen, wenn er auf Schichtelemente reduziert ist, und muß Zugang zu den konstruktiv vorgesehenen inneren Hohlräumen gewähren. Bei dem Produkt werden Stapelfehler vermieden, die für Objektaufteilungen mit sehr dünnen Lamellen kennzeichnend sind.
Wie Fig. 11 zeigt, kann der Prozeß zunächst derart abgeändert werden, schnell (metallene oder synthetische) Gußteile in Prototypen-Stückzahlen zu erheblich verringerten Kosten und in wesentlich kürzerer Zeit herzustellen. Prototypen-Merkmale bedeuten geringe Stückzahlen, zeitlich begrenzte Werkzeugnutzung, zeitlich begrenzte Lebensdauer und Handbedienung. Das Grund verfahren würde also zur Erzeugung eines nichtfunktionalen Teils oder Werkzeuges eingesetzt, das dann wiederum zur Herstellung eines Gußteils verwendet wird. Das alternative Verfahren bedingt eine Abänderung von Schritt 3 durch Verwendung von Wachs (statt Metall) für die zu bearbeitenden körperlichen Bausteine. Die körperlichen Bausteine werden bearbeitet und zu einer ein verlorenes Modell bildenden Einheit zusammengesetzt. Das Modell wird mit einer Keramikmaske überzogen, so daß eine Form gebildet wird. Das verlorene Wachsmodell wird dazu in eine Keramikaufschwemmung getaucht und so damit beschichtet, so daß eine dies umgebende Schale o. Maske gebildet wird, die dann als Gußform dienen kann. Die Gußform wird vorzugsweise dadurch geformt, daß das Modell in eine Aufschwemmung aus Keramikpulver in kolloidem Kieselsäureanhydrid getaucht und dann mit feinem Sand bestreut wird. Nach dem Trocknen wird die Form in eine andere keramische Aufschwemmung und dann in ein Wirbelschichtbett mit körnigem Malachit getaucht, so daß die Oberfläche nochmals stukkatiert wird. Das Wachs wird ausgeschmolzen und hinterläßt dadurch den gewünschten Gießhohlraum, der dann von der Metallschmelze unter Bildung des Prototypen-Gußteils ausgefüllt wird, welches das Computergraphikmodell genau nachbildet.
Das verlorene Wachsmodell kann durch Stoßerwärmung oder Dampf-Autoklavenbehandlung entfernt werden. Wird Metall zur Erzeugung des gewünschten Gußobjekts in den Formhohlraum gegossen, wird ein präzises und genaues Gußteil geschaffen. Ein solches Verfahren zur Herstellung von Gußteilen bietet bessere und genauere Oberflächenqualität als andere Techniken zur schnellen Herstellung von Prototypen. Die entwickelten Abspanwege des Werkzeuges kommen der Ebene von Produktionswerkzeugen näher, und die Aufteilung des Computermodells für ein Wachsmodell kann den tatsächlichen Trennebenen folgen, die auch für die gießereitechnischen Zwecke erforderlich sind. Der Prozeß ermöglicht verkürzte Herstellungszeiten, woraus sich eine größere Vorlaufzeit für die Konstruktion neuer Teile für Kraftfahrzeuge ergibt, und damit eine frühere Beurteilung der gegeneinander abzuwägenden Konstruktionen.
In noch einer weiteren Abwandlung des Grundverfahrens können Vorserien-Gußteile in Stückzahlen von z. B. 100 oder weniger wirtschaftlich hergestellt werden. Produktionsmerkmale bedeuten hohe Fertigungsvolumen, lange Lebensdauer, Werkzeugstahlmaterial und automatisierte Weiterförderverfahren. Wie Fig. 12 zeigt, beinhaltet ein solches Verfahren das Ausschneiden von (aus Polystyrol bestehenden) Schaumstoffmodellen auf CNC-Fräsmaschinen, die von dem Computergraphikmodell geführt werden. Ein solches Computergraphik-Schaumstoffmodell wird dann wieder in einzelne Bausteine (Blöcke und Scheiben) zur Bearbeitung der inneren Hohlräume des Teils zerlegt. Die Schaumstoff-Teile werden nach dem Ausschneiden (der Bearbeitung) zu einer Einheit zusammengesetzt und als solche durch Mikrowellenschweißung oder Einführen eines flüssigen Klebstoffes zwischen die aneinanderliegenden Flächen der Bausteine fixiert. Das so zusammengesetzte Schaumstoffmodell wird dann mit einem wärmebeständigen Überzug versehen und getrocknet. Die vereinten Schaumstoffbausteine werden in eine offene Kammer eingelegt, in welche fluidisierter Trockensand zur Umhüllung und Ausfüllung des Schaumstoffmodells eingeleitet wird; die Modelleinheit muß auch wie bei Schaumstoff-Halbzeugen geeignete Schaumstoff-Anguß- und -Steigerabschnitte aufweisen. In die Steiger bzw. Angüsse des Schaumstoffmodells wird dann Metallschmelze eingegossen, so daß der Schaumstoff verdrängt und verdampft wird, wobei die Gasemissionen in den ungebunden trockenen, aber verdichteten Sand entweichen können. Das so gewonnene Gußteil enthält dann eine genaue Abbildung des computergezeichneten Produktionsgußteils. Diese Abwandlung des Verfahrens ist besonders wertvoll zur Herstellung begrenzter Vorserien-Gußteile.

Claims

1. Verfahren zur raschen Herstellung eines Gußteils, folgendes aufweisend:

(a) Konstruieren eines graphischen Computermodells (10) des Produktes;

(b) Aufteilen des graphischen Modells (10) in graphische Bausteine (34-38, Fig. 6), die wenigstens eines von Blöcken oder Scheiben sind;

(c) Ausschneiden eines körperlichen Bausteines (34-38) für jeden graphischen Baustein, wobei die körperlichen Bausteine (1) aus einem schmelzbaren oder verdampfungsfähigen Feststoff bestehen, (ii) proportional zu dem entsprechenden graphischen Baustein sind und diesen umhüllen, und besagtes Ausschneiden durch Anfahren jedes körperlichen Bausteines von zwei Seiten oder mehr erfolgt, so daß der entsprechende graphische Baustein wenigstens im wesentlichen dupliziert wird;

(d) Befestigen der so ausgeschnittenen körperliche Bausteine (34-38) aneinander, derart, daß das graphische Modell (10) nachgebildet wird, und daß ein einheitliches verlorenes Modell geschaffen wird;

(e) Formen einer Gußform um besagtes Modell; und

(f) Gießen von Metall in besagte Gußform, während das Modell entweder durch Verdampfen während des Eingießens von Metall in die Form oder durch vorheriges Ausschmelzen aus dieser Form entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der besagte Baustein aus Wachs geformt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem in Schritt

(e) das Modell in eine Aufschwemmung aus Keramikpulver und kolloidem Kieselsäureanhydrid getaucht wird, und das so überzogene Modell dann mit feinkörnigem Sand bestreut wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem Wachs als Werkstoff für die körperliche Bausteine verwendet wird, wobei das Modell aus der Gußform entfernt wird, indem diese vor dem Gießen erwärmt und das Wachs daraus abgelassen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem besagtes Modell aus Polystyrolschaum geformt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, in welchem in Schritt (e) trockener ungebundener Sand um besagtes Modell herum eingeleitet und festgerüttelt wird, so daß eine verdichtete Sandform mit Zwischenräumen zwischen den Sandkörnern gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, in welchem besagtes Polystyrolmodell durch Verdampfen in Gasform aus besagter Sandform entfernt wird, wenn Metallschmelze in besagte Form eingegossen wird, wobei das verdampfte Gas in die Zwischenräume der Sandform wandert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, in welchem das sich ergebende Gußteil Produktionsqualität aufweist, wenn Volumen von 100 oder weniger verarbeitet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 5, in welchem das sich ergebende Gußteil Prototypenqualität aufweist.