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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Modellbildungszusammensetzungen,
und insbesondere Füllstoff
enthaltende thermoplastische Modellbildungszusammensetzungen, die
für Investmentgussverfahren geeignet
sind, sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung solcher verbesserter
Modellbildungszusammensetzungen.
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Seit
Jahrhunderten sind unterschiedliche Investmentgussverfahren, auch
unter der Bezeichnung Wachsausschmelzverfahren, bekannt. Über die
Jahre wurden Zusammensetzungen zur Bildung von in solchen Verfahren
verwendeten Einwegmodellen hinsichtlich mehrerer Eigenschaften ausgewählt, einschließlich derart
wichtiger Eigenschaften wie maßgenaue
Reproduzierbarkeit und die Fähigkeit
zur Bildung einer sehr genauen Oberflächengüte im geformten Einwegmodell.
Da solche Eigenschaften für
viele in Wachsausschmelzverfahren hergestellte Produkte entscheidend
sind, wurden und werden wiederholt Bemühungen unternommen, die Eigenschaften
von Modellbildungszusammensetzungen zu verbessern.
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Die
Qualität
und Eigenschaften eines Investmentgussverfahrens sind untrennbar
mit der Qualität
des Einwegmodells verbunden, die wiederum von den Eigenschaften
der Modellbildungszusammensetzungen, aus denen die Einwegmodelle
geformt werden, abhängt.
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Thermoplastische
Einwegmodelle werden gewöhnlich
durch Erhitzen und Schmelzen einer thermoplastischen Zusammensetzung
gebildet, die so beschaffen ist, dass sie Modelle bildet, wobei
die geschmolzene Zusammensetzung in eine Form gefüllt und
anschließend
solange gekühlt
wird, bis sie fest ist, um ein Einwegmodell zu bilden. Wie hier
verwendet, bezeichnet "Schmelzen" einer thermoplastischen
Zusammensetzung das Schmelzen des Thermoplasts davon auf derartige
Weise, dass die Zusammensetzung flüssig wird, obwohl sie immer
noch z. B. darin dispergierte, ungeschmolzene, partikuläre, feste
Füllstoffe
enthalten kann.
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Danach
wird das thermoplastische Modell aus der Form entfernt, falls nötig mit
anderen Modellen zusammengebaut und mit einem formbildenden Material, üblicherweise
einem Keramikmaterial, umschlossen und als wässrige Aufschlämmung gemäß einem
aus einer Reihe von bekannten Verfahren aufgetragen, wodurch um
das Einwegmodell herum eine Hülle
oder Gussform gebildet wird. Da die Keramikaufschlämmung dazu
neigt, nicht am Modellmaterial haften zu bleiben, ist es häufig schwierig,
das Modell mit dem Keramikmaterial zu beschichten. Es wird angenommen,
dass dieses Problem auf die dem Modellmaterial inhärente Hydrophobie
zurückzuführen ist.
Deshalb wäre
ein Modellmaterial mit höherer
Hydrophilie oder eines, das besser am Keramikmaterial haftet, erwünscht.
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Als
nächstes
wird im Zuge des Härtens
des Keramikmaterials ein Großteil
des Einwegmodells durch Schmelzen bei mäßig hohen Temperaturen mittels
Autoklavierung entfernt, wobei im Wesentlichen das restliche Modellmaterial
bei deutlich höherer
Temperatur mittels Verdampfung oder Verbrennen oder beidem vollständig entfernt
wird, so dass die innere Oberfläche
der Hülle
oder Form, abgesehen von den Ascherückständen des Modellmaterials, sauber
ist. Die Hülle
oder Form ist dann zur einmaligen Verwendung für die Bildung eines Investmentguss-Teils
bereit. Der Titel eines Textes, der in Wachsausschmelzverfahren
angewandte bekannte Verfahren beschreibt, lautet "Investment Casting", H. T. Bidwell,
Machinery Publishing Co., Ltd., England, 1969.
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Durch
dieses Verfahren werden die Oberflächeneigenschaften des Einwegmodells
und der Keramikhülle
auf die fertige Gussform "übertragen". Somit beeinflussen
die oben erläuterten
Eigenschaften der Modellbildungszusammensetzung und alle Reste davon
die Oberflächeneigenschaften
und die metallurgischen Eigenschaften einer Gussform. Ähnlich ergeben
Abweichungen hinsichtlich Ausdehnung und Zusammenziehen von Zusammensetzungen,
aus denen Einwegmodellen gebildet werden, Hüllen oder Gussformen mit unterschiedlichen
Maßen
und somit unbeständige
Gusskörper.
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Deshalb
sollte eine thermoplastisches Modellmaterial umfassende Zusammensetzung
aufgrund veränderter
Temperaturen nicht nur keine Größenveränderungen
aufweisen, sondern nach dem Verbrennen auch wenige bis gar keine
Ascherückstände hinterlassen,
so dass eine genaue Gussform angefertigt werden kann. Wenn außerdem die
thermoplastisches Modellmaterial umfassende Zusammensetzung erhitzt
wird, sollte sich das Material vor dem Schmelzen wünschenswerterweise
nicht zersetzen und bei gründlichem
Schmelzen leicht fließfähig sein.
Eine thermoplastische Zusammensetzung, die zu einem freifließenden Zustand
schmilzt, kann im Wesentlichen in geschmolzenem Zustand aus der
Form entfernt werden, wodurch der anschließende Verbrennungsvorgang entlastet
und lediglich ein Minimum an unerwünschten Rauchgasen gebildet
wird.
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In
der Vergangenheit wurden viele thermoplastische Modellzusammensetzungen
verwendet oder zur Verwendung vorgeschlagen. Die Bezeichnung "Wachsausschmelzverfahren" lässt darauf
schließen,
dass Wachse, wie natürliche
Wachse, einschließlich
Bienenwachs und dergleichen, ursprünglich als thermoplastische
Modellmaterialien verwendet wurden. Auf der Suche nach anderen Modellmaterialien
zur Verbesserung der Eigenschaften von Einwegmodellen wurden andere
natürliche
thermoplastische Materialien, wie etwa Damarharz, Terpentinharz,
Espartowachse, und dergleichen, Mineralwachse, wie die aus Weichkohle
extrahierten, und dergleichen, und Erdölwachs verwendet.
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Diese
Suche ergab, dass modifizierte Wachse wie z. B. mikrokristalline
Wachse zur Verwendung bei Wachsausschmelzverfahren entwickelt wurden.
Als Ergebnis der anhaltenden Bemühungen
von Forschern, thermoplastische Materialien zu verbessern und neue
Materialien zu entwickeln, wurden in jüngster Zeit synthetische Thermoplaste
als Modellmaterialien oder als Modifikatoren von Modellbildungszusammensetzungen verwendet.
Diese Bemühungen
führten
in manchen Investmentgussverfahren auch zur Verwendung von anderen
als thermoplastischen Modellmaterialien, wie etwa Gemischen aus
Metallsalzen und Quecksilber. Darüber hinaus wurden Modellzusammensetzungen
gesucht, die schneller und vollständiger aus einer Form ausfließen als
herkömmliche
Zusammensetzungen.
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Andere
Bemühungen,
die Maßgenauigkeit
und Stabilität
von thermoplastischen Modellbildungszusammensetzungen zu verbessern,
umfassen die Zugabe von festen Füllstoffen.
Ein "Füllstoff" ist in dem Sinne ein
inertes Additiv, als es mit dem thermoplastischen Material, in dem
es dispergiert ist, nicht chemisch reagiert. Der Füllstoff
bleibt als getrennte Phase während
des gesamten Investmentgussverfahrens bestehen. Bisher bestanden
Füllstoffe
aus festen Teilchen, die in einer kontinuierlichen Phase aus einem
thermoplastischen Material dispergiert sind. Unter den bisher in
geringen Mengen in thermoplastischen Modellbildungszusammensetzungen
verwendeten Füllstoffen,
sind besonders thermoplastisches oder hitzehärtbares Polystyrolpulver, insbesondere
mit Divinylbenzol vernetztes Polystyrol, und Harnstoffpulver zu
erwähnen.
US-Patent 5.270.360 offenbart die Verwendung von feinverteiltem
Poly(methylmethacrylat) als Füllstoff.
Organische Säuren,
wie z. B. Fumarsäure,
Adipinsäure
und Isophthalsäure
wurden ebenfalls gelegentlich als Füllstoff verwendet, üblicherweise
in Mengen von bis 50 Gew.-% der thermoplastischen Modellbildungszusammensetzung
und in einer Teilchengröße von gewöhnlich etwa
175 bis 250 Maschen. Somit können
durch ein Sieb mit 100 Maschen üblicherweise
zumindest etwa 90 Gew.-%, vorzugsweise 100 Gew.-%, der Teilchen
und durch ein Sieb mit 200 Maschen zumindest etwa 50 Gew.-%, vorzugsweise
etwa 50 Gew.-%, der Teilchen fließen.
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Herkömmliche
Füllstoffe
weisen jedoch einige Nachteile auf. Beispielsweise enthalten solche
Füllstoffe
im Allgemeinen eine organische Komponente, die bei im Investmentgussverfahren
geforderten erhöhten Temperaturen
Ascherückstände bildet.
Somit kann Polystyrol, welches einen kohlenstoffhaltigen Benzolring aufweist,
beispielsweise zerfallen, um zusätzlich
zu Wasserstoffgas Kohlenstoff zu bilden. Der so als Verunreinigung
in die Form eingefüllte
Ascherückstand
schränkt
dadurch die maßgenaue
Reproduzierbarkeit und die Fähigkeit
zur Bildung einer sehr genauen Oberflächengüte im geformten Einwegmodell
ein. Somit wurde herausgefunden, dass her kömmliche Füllstoffe unerwünscht hohe
Mengen an Ascherückständen in
der Form hinterlassen.
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Mehrere
herkömmliche
Füllstoffe
bringen darüber
hinaus andere Probleme mit sich. Harnstoff neigt beispielsweise
dazu, sich während
des Schmelzens von Wachs zu zersetzen, thermoplastisches Styrol
kann bei Überhitzung
schmelzen, und organische Säuren,
die ein spezifisches Gewicht besitzen, neigen dazu, sich bei zu
schwachem Rühren
schnell abzusetzen. Außerdem
besitzen viele Füllstoffe
relativ hohe Wärmeleitfähigkeit.
Dies ist erwünscht,
da somit schnelleres, gleichmäßigeres
und vollständigers
Schmelzen und Kühlen ermöglicht wird.
Wenn die Modellzusammensetzung jedoch eine hohe Wärmeausdehnungsrate
aufweist, kann eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufgrund von vorzeitiger Ausdehnung der Zusammensetzung während der
Autoklavierung zu Rissen in der Hülle führen, es sei denn, die Modellzusammensetzung
wird vor signifikanten Wärmeausdehnungen
flüssig
genug, um aus der Form fließen
zu können.
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Folglich
werden für
Modellbildungszusammensetzungen nach wie vor verbesserte Füllstoffe
benötigt, die über hohe
Wärmeleitfähigkeit
verfügen,
es der Zusammensetzung jedoch ermöglichen, vor Wärmeausdehnungen,
welche Risse in der Hülle
verursachen, schnell aus der Form fließen zu können, die es der Zusammensetzung
ermöglichen,
vollständiger
aus der Hülle
auszufließen,
die weniger Asche in der Form hinterlassen und die Modelle mit glatten
Oberflächen
und weniger Schrumpfung ergeben. Natürlich werden für Modellbildungszusammensetzungen
immer auch Füllstoffe
gesucht, die leicht erhältlich
und kostengünstiger
sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Kurz
dargestellt betrifft vorliegende Erfindung eine neuartige thermoplastische
Zusammensetzung zum Gießen
von thermoplastischen Modellen in einem Investmentgussverfahren.
Die Zusammensetzung umfasst 5 bis 70 Gew.-% wässrigen Gelfüll stoff,
der in einer kontinuierlichen Phase aus einem thermoplastischen Material
dispergiert ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ebenso ein neuartiges Verfahren zur
Herstellung einer thermoplastischen Zusammensetzung zum Gießen von
thermoplastischen Modellen in einem Investmentgussverfahren. Gemäß dem Verfahren
wird ein wässriges
Gel in einem thermoplastischen Material dispergiert, um eine thermoplastische
Modellbildungszusammensetzung herzustellen, die in einer kontinuierlichen
Phase aus einem thermoplastischen Material dispergierte Teilchen
aus einem wässrigen
Gels umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiters ein neuartiges Investmentgussverfahren.
Gemäß dem Verfahren
wird in einer Form zum Gießen
von thermoplastischen Modellen mittels Investmentgussverfahren ein Einwegmodell
aus einer thermoplastischen Zusammensetzung gebildet. Die thermoplastische
Zusammensetzung umfasst etwa 5 bis 70 Gew.-% wässrigen Gelfüllstoff,
der in einer kontinuierlichen Phase aus einem thermoplastischen
Material dispergiert ist. Anschließend wird das Modell zur Herstellung
einer Gussform umgegossen.
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Unter
den Vorteilen, die durch vorliegende Erfindung erreicht worden sind,
werden folgende angeführt: die
Bereitstellung verbesserter thermoplastischer Zusammensetzungen
mit höherer
Wärmeleitfähigkeit
zum Gießen
von thermoplastischen Modellen mittels Investmentgussverfahren;
die Bereitstellung verbesserter thermoplastischer Zusammensetzungen
mit niedrigeren Wärmeausdehnungsraten
zum Gießen
von thermoplastischen Modellen mittels Investmentgussverfahren;
die Bereitstellung verbesserter thermoplastischer Zusammensetzungen
zum Gießen
von thermoplastischen Modellen mittels Investmentgussverfahren,
welche auf nassem Keramikmaterial besser haften als herkömmliche
Modelle; die Bereitstellung verbesserter thermoplastischer Zusammensetzungen
zum Gießen
von thermoplastischen Modellen mittels Investmentgussverfahren bei
deutlicher Geringhaltung der Kosten; und die Bereitstellung von
Verfahren zur Herstellung solcher verbesserter thermoplastischer
Modellbildungszusammensetzungen.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Gemäß vorliegender
Erfindung wurde herausgefunden, dass Wasser als Füllstoff
in Form eines wässrigen
Gels in einem thermoplastischen Modellbildungsmaterial dispergiert
werden kann. Überraschenderweise kann
das Gel sogar bei derart hohen Werten wie 70 Gew.-% der Zusammensetzung
in das Material eingeführt werden,
und es können
feste Modelle mit Wasserkonzentrationen von bis zu 60 Gew.-% gebildet
werden. Es wurde herausgefunden, dass das wässrige Gel so hergestellt werden
kann, dass ein Füllstoff
mit geringem. Aschegehalt, der über
einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und einen hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten
verfügt,
bereitgestellt wird. Weiters wurde festgestellt, dass die Gel enthaltenden
Modelle derart einfach und mit so geringer Viskosität fließfähig werden,
dass sie schnell aus der Form fließen, bevor es zu Wärmeausdehnungen
kommt, die Risse in der Hülle
verursachen können.
Darüber
hinaus wurde bei Modellen, die mit dem Gel als Füllstoff hergestellt wurden,
festgestellt, dass diese, vermutlich aufgrund der erhöhten Hydrophilie
solcher Modelle, gut an der Keramikaufschlämmung haften, wodurch zu einer
einfacheren und vollständigeren
Umhüllung
im Keramikmaterial kommt. Trotz solch verbesserter Haftung der Keramikaufschlämmung auf
das feste Modell, fließt
die Modellzusammensetzung, sobald das Keramikmaterial härtet und die
Modellzusammensetzung erhitzt worden ist, vollständiger aus der Hülle aus,
wodurch weniger Asche und andere Rückstände in der Form zurückbleiben,
was Modelle mit glatter Oberfläche
und geringerer Schrumpfung hervorbringt. Außerdem ist Wasser natürlich einfacher
erhältlich
und kostengünstiger
als fast jeder andere mögliche
Füllstoff.
Darüber
hinaus sind Geliermittel, bei denen festgestellt wurde, dass sie
sich zur Herstellung des Gels eignen, ebenfalls äußerst gebräuchlich und kostengünstig.
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Im
Allgemeinen umfassen thermoplastische Zusammensetzungen vorliegender
Erfindung eine kontinuierliche Phase aus einem thermoplastischen
Material, in der eine diskontinuierliche Phase aus wässrigem Gel
dispergiert ist. Das thermoplastische Material kann jedes beliebige
herkömmliche
thermoplastische Modellbildungsmaterialumfassen.
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Auf
dem Gebiet des Investmentgussverfahrens tätige Fachleute finden leicht
geeignete Materialien. Üblicherweise
sind solche Materialien bei Raumtemperatur Feststoffe (wenn auch
amorph), wobei sie beim Erhitzen auf zwischen etwa 50°C und etwa
95°C leicht
fließende
Flüssigkeiten
ergeben.
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Somit
beziehen sich die hier verwendeten Bezeichnungen "organische thermoplastische
Modellmaterialien",
oder einfach nur "Modellmaterialien" oder "thermoplastische
Materialien", auf
natürliche
oder synthetische wiederschmelzbare Zusammensetzungen, die einen
Thermoplast wie Wachs, jedes beliebige thermoplastische Polymer,
jedes beliebige thermoplastische Harz oder eine Kombination daraus
umfassen. Wie bemerkt, sind solche Zusammensetzungen für Fachleute
aus dem Gebiet einfach zu erkennen, und organische thermoplastische
Materialien, welche mittels herkömmlicher
Investmentgussverfahren zur Bildung von herkömmlichen thermoplastischen
Modellen geeignet sind, sind auch zur Bildung von thermoplastischen
Modellen vorliegender Erfindung geeignet.
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Folglich
können
die thermoplastischen Materialien vorliegender Erfindung solche
herkömmlichen
thermoplastischen Wachse einschließlich natürlicher Wachse, wie Bienenwachs,
andere natürliche
Thermoplaste einschließlich
Damarharz, Terpentinharz, Espartowachse und dergleichen, Mineralwachse
und Erdölwachse, modifizierte
Wachse, wie Mikrokristallinwachse, und synthetische Thermoplaste
umfassen.
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Für vorliegende
Erfindung geeignete, bevorzugte Thermoplaste umfassen, jedoch nicht
ausschließlich,
Wachs, Sterinsäure
und natürliche
wie auch synthetische Thermoplastharze wie Terpentinharz und Polyethylen.
Im thermoplastischen Modellmaterial können viele unterschiedliche
Harze, einschließlich
aller herkömmlicher
Wachse, die in handelsüblichen
thermoplastischen Modellbildungszusammensetzung verwen det werden,
wie etwa Paraffinwachs, Carnaubawachs und Mikrokristallinwachs,
aufgenommen sein.
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Zusätzlich zum
Thermoplast kann das thermoplastische Material vorliegender Erfindung,
wie bei Zusammensetzungen nach dem Stand der Technik, typischerweise
auch verschiedene andere Polymere und Harze umfassen. Deshalb umfassten
solche thermoplastischen Materialien beispielsweise, jedoch nicht
darauf beschränkt,
etwa 25 Gew.-% Wachs und 75 Gew.-% andere Polymere und Harze.
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Da
im thermoplastischen Material vorliegender Erfindung eine Wasserzusammensetzung
als Füllstoff aufgenommen
ist, sollte das Material bei einer Temperatur unter dem Siedepunkt
von Wasser schmelzen. Obwohl dem Wasser ein Mittel zur Erhöhung des
Siedepunkts zugesetzt werden könnte,
wird bevorzugt, dass das thermoplastische Material bei einer Temperatur
unter 100°C,
in einem Bereich von 50°C
bis 95°C,
schmilzt. Die hier verwendete Bezeichnung "Schmelzen" in Zusammenhang mit dem thermoplastischen
Material oder der thermoplastischen Zusammensetzung bezieht sich
auf das ausreichende Schmelzen eines Thermoplasts, wodurch das Material
oder die Zusammensetzung flüssig
wird, ohne dass dabei jeder Bestandteil davon, wie etwa ein partikulärer fester
Füllstoff,
flüssig
werden muss.
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Wie
oben ausgeführt,
umfassen thermoplastische Modellbildungszusammensetzungen vorliegender Erfindung
auch ein in einer kontinuierlichen Phase dispergiertes wässriges
Gel. Das wässrige
Gel umfasst Wasser und ein Geliermittel, vorzugsweise in Form eines
im Wesentlichen homogenen Gemischs. Zwar kann in vorliegender Erfindung
jede Art von Wasser, einschließlich,
jedoch nicht darauf beschränkt,
Leitungswasser, verwendet werden, wobei als zu verwendendes Wasser
entweder entionisiertes oder destilliertes Wasser oder Gemische
davon bevorzugt werden. Während
alle dieser Arten von Wasser verwendet werden können, sollte bei der Wahl berücksichtigt
werden, dass jene Arten bevorzugt sind, die den Aschegehalt in der
thermoplastischen Modellbildungszusammensetzung minimieren. Außerdem können, falls
gewünscht,
alle beliebigen Additive im Wasser aufgenommen sein. Um bei spielsweise
Schaumbildung während
des Rührens,
Bakterien, Schimmelwachstum, etc. zu verhindern, können dem
Wasser Tenside, Wasserschaummittel, Bakterizide, Fungizide und dergleichen
zugesetzt werden.
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Das
Geliermittel vorliegender Erfindung kann jedes beliebige Mittel
umfassen, das zusammen mit Wasser ein Gel bildet. Für Fachleute
auf dem Gebiet von Gels sind geeignete Zusammensetzungen leicht
erkennbar. Für
vorliegende Erfindung kann das Geliermittel jedes beliebige organische
oder anorganische Material sein, das Wasser absorbieren kann, um
ein Gel, gewöhnlich
eine kolloide Dispersion, von zumindest vorübergehender Stabilität zu bilden.
Das heißt
das Gel darf zumindest während
der Zeit von der Bildung bis zur beendeten Verwendung im Gussverfahren
unter den Bedingungen währenddessen
nicht signifikant brechen. Deshalb wird unter solchen Bedingungen
zumindest eine Stabilität
von mehreren Stunden bevorzugt, wobei höhere Stabilität, selbst
permanente Stabilität,
insbesondere bevorzugt wird. Solche Stabilität fordert vor allem, dass das
Geliermittel wie auch das resultierende Gel bei Temperaturen, denen
das Modell ausgesetzt wird (z. B. etwa 50°C bis etwa 95°C), thermisch
stabil bleibt, so dass diese bei für das Schmelzen von Modellmaterialien
benötigten
Temperaturen nicht brechen. Natürlich
sind für
vorliegende Erfindung geeignete Geliermittel jene, die den Aschegehalt
der thermoplastischen Modellbildungszusammensetzungen nicht wesentlich
erhöhen.
Zudem sollte das Gel, ohne permanenten Verformungen ausgesetzt zu
sein, einer statischen Scherspannung standhalten können, die,
wie nachstehend erläutert
wird, bei der Partikulierung und Homogenisierung auftreten kann.
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Angesichts
dieser Überlegungen
wird angenommen, dass sich bestimmte organische Geliermittel besonders
gut zur Verwendung in vorliegender Erfindung eignen, obwohl bestimmte
anorganische und metallorganische Geliermittel unter bestimmten
Bedingungen ebenfalls geeignet sein können. Als Beispiele für als geeignet
geltende organische Geliermittel dienen aus Baumharz stammende Polysaccharide,
Pflanzensamen, Meerespflanzen oder Gemüse, Kautschuke, wasserlösliche Cellulosederivate,
Stärken
und Gemische davon sind besonders gut zur Verwendung in vorliegender Erfindung
geeignet. Bevorzugte Cellulosederivate umfassen, jedoch nicht ausschließlich, Methylcellulose,
Hydroxymethylcellulose und Carboxylmethylcellulose. Bevorzugte Stärken sind
natürliche
Kohlenhydratverbindungen der empirischen Formel (C6H10O5)n und
können aus
jeder geeigneten Pflanze stammen, einschließlich Mais, Kartoffel, Weizen,
Reis und Maniok. Insbesondere wird Maisstärke als Geliermittel bevorzugt.
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Anorganische
Geliermittel oder metallorganische Geliermittel können geeignet
sein, aber deren Verwendung sollte auf Anwendungen beschränkt sein,
in denen ihr Beitrag zum Ascherückstand
der thermoplastischen Modellbildungszusammensetzung toleriert werden
kann. Die hier identifizierten Geliermittel sind lediglich zur Veranschaulichung
und das verwendete Geliermittel kann aus Geliermitteln ausgewählt sein,
die den oben erläuterten
Kriterien entsprechen.
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Das
wässrige
Gel kann mittels herkömmlicher
Verfahren hergestellt werden, üblicherweise
indem das Geliermittel einfach mit Wasser vermischt und gerührt wird.
Es ist erwünscht,
dass das Geliermittel im gesamten wässrigen Gel im Wesentlichen
homogen und kolloidal dispergiert ist. Deshalb kann das Gemisch
aus wässrigem
Gel während
der Bildung mittels jeden beliebigen auf dem Gebiet der Erfindung
bekannten Rührverfahrens
kontinuierlich gerührt
werden. Das kontinuierliche Rühren
ist vor allem während
der Gelbildung erwünscht,
wobei bei manchen Geliermitteln Wärmeanwendung ebenfalls benötigt wird.
Es wurde herausgefunden, dass das Gel nach Bildung irreversibel
ist. Im Allgemeinen macht das Geliermittel etwa 1 bis etwa 30 Gew.-%,
vorzugsweise etwa 4 bis etwa 20 Gew.-% aus, wobei die Hauptmenge
des Rests, wenn nicht der ganze Rest, aus Wasser besteht.
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Das
Modellmaterial wird sodann hergestellt, indem das wässrige Gel
im Wesentlichen im gesamten thermoplastischen Material einheitlich
dispergiert wird. Das wässrige
Gel wird im gesamten thermoplastischen Material dispergiert, indem
die thermoplastische Zusammensetzung zur Bildung einer Schmelze
erhitzt wird und das wässrige
Gel, wie nachstehend beschrieben, in die Schmelze eingemischt wird.
Das wässrige
Gel kann in einem Gefäß hergestellt
werden, während
das thermoplastische Material in einem gesonderten Gefäß hergestellt
werden kann. Das Modellmaterial wird erhitzt bis es die Temperatur
erreicht hat, bei der es leicht fließt. Das Erhitzen des Materials
wird fortgesetzt, um dieses als leicht fließendes thermoplastisches Material beizubehalten,
und das leicht fließende
Material wird mittels eines beliebigen auf dem Gebiet der Erfindung bekannten
Rührverfahrens
kontinuierlich gerührt.
Das wässrige
Gel wird daraufhin mit dem leicht fließenden thermoplastischen Material
mittels eines Mischers oder Homogenisators, wie etwa mit einem bei
Sonic Corp. of Stratford, Connecticut unter der Handelsbezeichnung
SONOLATOR erhältlichen
Homogenisator, kombiniert, um in der gesamten Schmelze eine thermoplastische
Modellbildungszusammensetzung als Zwei-Phasen-Material aus feinverteilten
Teilchen des Gels zu bilden. Es wurde herausgefunden, dass sobald
das Gel in Teilchen gebrochen ist und die Gelteilchen von der thermoplastischen
Zusammensetzung beschichtet oder umschlossen werden, die Teilchen
zu Koaleszieren oder Agglomerieren neigen und das Gel in der gesamten kontinuierlichen
Phase in Form von feinverteilten diskreten Teilchen gut dispergiert, üblicherweise
einheitlich dispergiert, bleibt. Während des Kühlens des so geformten Materials,
bleiben die Gelteilchen diskret und in der kontinuierlichen Phase
dispergiert.
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Fall
gewünscht
können
der Zusammensetzung auch ein oder mehr zusätzliche Füllstoffe zugesetzt werden.
Solche Füllstoffe
können
alle bekannten Füllstoffe,
die in herkömmlichen
Modellbildungszusammensetzungen verwendet werden, umfassen. Beispielsweise
umfassen in der thermoplastischen Modellbildungszusammensetzung
vorliegender Erfindung enthaltene Füllstoffmaterialien thermoplastisches
oder hitzehärtbares
Polystyrolpulver, insbesondere mit Divinylbenzol vernetztes Polystyrol
und partikuläres
Poly(methylmethacrylat). Organische Säuren, wie Fumarsäure, Adipinsäure und
Isophthalsäure,
können
ebenfalls als Füllstoffe
geeignet sein. Es versteht sich jedoch, dass die zusätzlichen
Füllstoffe
hinsichtlich des wässrigen
Gels in der thermoplastischen Zusammensetzung inert sein sollten;
das heißt
diese sollten das Gel weder brechen, noch mit den Gelkomponenten
reagieren, um unerwünschte
Produkte zu bilden.
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Vorzugsweise
sind alle Füllstoffe
vorliegender Erfindung im Allgemeinen frei von nach dem Verbrennen
zurückgebliebenen
anorganischen Verunreinigungen, welche die Oberfläche einer
Keramikform und die metallurgischen Eigenschaften einer fertigen,
in einer Keramikform gebildeten Gussform beeinträchtigen können. Zudem neigen geeignete
Füllstoffe
weder dazu, die physikalischen Eigenschaften einer thermoplastischen
Zusammensetzung während
längerfristiger
Lagerung oder Verwendung zu verändern,
noch eine signifikante Menge an Ascherückständen in der Form zu hinterlassen.
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Der
oder die zusätzliche(n)
Füllstoff(e)
kann/können
dem thermoplastischen Material mittels herkömmlicher Verfahren zugemischt
werden. Diese dürfen
ausschließlich
in der kontinuierlichen thermoplastischen Phase, im Gel oder in
beidem dispergiert sein. Die zusätzlichen
Füllstoffe
können
dem leicht fließenden Material
beispielsweise zugesetzt werden, während das Material gerührt wird
und bevor das Gel in das Material eingemischt wird. Wenn das Gel
die Teilchen der darin suspendierten zusätzlichen Füllstoffe erhalten kann, können die
zusätzlichen
Füllstoffe
in das Gel eingemischt werden. Die zusätzlichen Füllstoffe können sowohl in das Modellmaterial
als auch in das Gel eingemischt werden, oder das Gel und andere
Füllstoffe
können
in das thermoplastische Material gleichzeitig eingemischt werden.
Es können
je nach Belieben andere Verfahren herangezogen werden. Mischverfahren
sind für
Fachleute auf dem Gebiet vorliegender Erfindung leicht erkennbar.
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Während des
Kühlens
verfestigen sich die thermoplastischen Modellbildungszusammensetzungen vorliegender
Erfindung zu einem stabilen, festen Zustand. Unter der Bezeichnung "stabil" wird verstanden, dass
die Zusammensetzung bei der jeweiligen Temperatur weder schmilzt
noch sich zersetzt und die diskreten Teilchen der Zusammensetzung
im gesamten Thermoplast ihre partikuläre, diskrete und "feste" Beschaffenheit beibehalten,
wenn ein festes Füllstoffmaterial
verwendet wird, und das wässrige
Gel im Thermoplast dispergiert bleibt und seine gallertartige Textur
und Zusammensetzung beibehält.
Folglich sind das wässrige
Gel und jedes andere zugesetzte erwünschte Füllstoffmaterial im Wesentlichen
in der gesamten thermoplastischen Modellbildungszusammensetzung
vorliegender Erfindung einheitlich dispergiert.
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Die
resultierende thermoplastische Modellbildungszusammensetzung umfasst
demzufolge 5 bis 70 Gew.-%, noch bevorzugter 15 bis 65 Gew.-%, insbesondere
20 bis 60 Gew.-%, des wässrigen
Gels. Es wurde herausgefunden, dass mittels dieses Verfahrens die
Zusammensetzung beispielsweise bis zu 60 Gew.-% Wasser umfassen
kann. Somit können
bevorzugte Zusammensetzungen 5 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis
60 Gew.-%, noch bevorzugter 15 bis 60 Gew.-%, insbesondere 15 bis
50 Gew.-%, wie z. B. 15 bis 40 Gew.-%, Wasser umfassen.
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Es
wurde herausgefunden, dass diese thermoplastischen Zusammensetzungen
eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit
als thermoplastische Zusammensetzungen nach dem Stand der Technik
aufweisen, welche kein wässriges
Gel enthalten. Es wird angenommen, dass die darauf zurückzuführen ist,
dass die Wärmeleitfähigkeit
von Wasser viel höher
als die organischer Komponenten der üblicherweise in herkömmlichen
Formulierungen verwendeten Zusammensetzungen und Füllstoffe
ist. Demnach werden die thermoplastischen Zusammensetzungen vorliegender
Erfindung schneller erhitzt und gekühlt als herkömmliche
thermoplastische Modellbildungszusammensetzungen, die kein wässriges
Gel enthalten. Daraus folgt, dass, wenn Modellzusammensetzungen
vorliegender Erfindung in geschmolzenem Zustand in eine Form gefüllt werden,
die eine niedrigere Temperatur als die geschmolzene Zusammensetzung
aufweist, die geschmolzene Zusammensetzung durch die Form schneller
abgekühlt
wird als Zusammensetzungen mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit und auf diese Weise
schneller aus der Form entfernt werden können, als dies bei Zusammensetzungen
mit derart niedriger Wärmeleitfähigkeit
der Fall wäre.
Darüber
hinaus ermöglicht
eine derart hohe Wärmeleitfähigkeit, dass
Modelle schneller geschmolzen werden und schneller aus der Keramikhülle ausfließen.
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Die
thermoplastischen Zusammensetzungen vorliegender Erfindung weisen
auch bestimmte Eigenschaften auf, die daraus hergestellten Modellen
mehrere äußerst wün schenswerte
Eigenschaften verleihen, wie etwa hervorragende maßgenaue
Reproduzierbarkeit und sehr genaue Oberflächengüte. Es wird angenommen, dass
derart erstrebenswerte Vorteile teilweise auf die relativ niedrige
Wärmeausdehnungsrate
zurückzuführen sind,
die mit den thermoplastischen Zusammensetzungen, welche wässriges
Gel enthalten, in Verbindung steht. Da Wasser eine derart niedrige
Wärmeausdehnungsrate
aufweist, reduziert es die Gesamtrate der Wärmeausdehnung der thermoplastischen
Zusammensetzung, in der es enthalten ist. Beispielsweise dehnt sich
ein typisches thermoplastisches Modellbildungsmaterial mit 55 Gew.-%
Terpenpolymer, 5 Gew.-% eines synthetischen Paraffin-Mineralwachses
(Schmelzpunkt 200°C),
20 Gew.-% Paraffin (Schmelzpunkt 59 bis 60°C), 10 Gew.-% Carnaubawachs
und 10 Gew.-% Mikrokristallinwachs (Schmelzpunkt 175 bis 180°C) mit einer
mittleren Rate von etwa 0,16% pro Grad Celsius in einem Bereich
zwischen etwa 24°C
und etwa 69°C aus.
Wasser hingegen dehnt sich mit einer mittleren Rate von etwa 0,045%
pro Grad Celsius in demselben Bereich aus. Wenn somit ein wässriges
Gel in eine thermoplastische Modellbildungszusammensetzung aufgenommen
wird, liegt die resultierende Wärmeausdehnungsrate
zwischen diesen zwei Werten und unter dem der thermoplastischen
Modellbildungszusammensetzung ohne Gel.
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Überdies
wird die wasserhältige
Zusammensetzung, verglichen mit vielen Zusammensetzungen nach dem
Stand der Technik, schneller fließfähig, und sobald sie fließfähig wird,
ist sie weniger viskos als Zusammensetzungen nach dem Stand der
Technik. Die vorliegenden Zusammensetzungen können somit fließfähig werden
und vor einer unzulässigen
Ausdehnung der Zusammensetzung durch den Gießtrichter der Hülle hindurch
ausfließen
und dadurch das Risiko von Rissbildungen an der Hülle reduzieren.
Außerdem
wurde herausgefunden, dass die Zusammensetzung schneller und vollständiger aus
den Keramikformen ausfließt
als viele herkömmliche
Einwegmodellmaterialien.
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Eine
weitere Eigenschaft der gelhältigen
Modellzusammensetzung vorliegender Erfindung, die daraus hergestellten
Modellen äußerst wünschenswerte
Eigenschaften verleiht, ist, verglichen mit herkömmlichen thermoplastischen
Modellbildungszusammensetzungen, deren Hydrophilie bzw. Benetzbarkeit.
Herkömmliche thermoplastische
Modellbildungszusammensetzungen sind relativ hydrophob und daraus
hergestellte Modelle fühlen
sich wächsern
an. Ein auf solchen Modellen platzierter Tropfen Wasser bildet ein
hohes, im Wesentlichen kugelförmiges
Tröpfchen.
Modelle, die aus Zusammensetzungen vorliegender Erfindung hergestellt
werden, fühlen
sich hingegen deutlich weniger wächsern
an und ein darauf platzierter Tropfen bildet ein viel flacheres
Tröpfchen.
Somit können
Zusammensetzungen mit verbesserter Benetzbarkeit gemäß vorliegender Erfindung
gebildet werden, die zusätzliche
Vorteile bereitstellen, wenn auf die Außenseite eines Modells eine wässrige Aufschlämmung eines
Hüllen-
oder Formbildungsmaterials aufgetragen wird. Wohingegen die Wasserbeständigkeit
herkömmlicher
Modellzusammensetzungen deren Beschichtung erschweren, da die Keramikaufschlämmung nicht
an der Modellzusammensetzung haften bleibt. Gemäß vorliegender Erfindung können Modellzusammensetzungen
formuliert werden, die auf Keramik besser haften. Dies erleichtert
nicht nur die Beschichtung, sondern ermöglicht auch eine bessere zu
bildende Beschichtung, was zu einer räumlich genaueren Hülle oder
Form führt.
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Obwohl
die feste Zusammensetzung auf der Keramikaufschlämmung bessere Haftfähigkeit
aufweist, neigen die thermoplastischen Zusammensetzungen vorliegender
Erfindung, sobald die Aufschlämmung
zur Bildung einer Hülle
härtet
und die Zusammensetzung zwecks Entfernung aus der Hülle geschmolzen
wird, dazu, nicht auf der inneren Oberfläche der Keramikhülle haften
zu bleiben, sondern einfach ohne bzw. durch lediglich geringes Rühren auszufließen. Zudem
wurde herausgefunden, dass die Zusammensetzungen die Oberflächengüte verschlechtern
oder in den fertigen Gussformen nichtmetallische Einschlüsse bilden.
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Weiters
werden durch das Ersetzen herkömmlicher
Füllstoffe
mit aschefreiem Wasser mit aus thermoplastischen Zusammensetzungen
vorliegender Erfindung hergestellten Einwegmodellen deutlich weniger Ascherückstände in Verbindung
gebracht als mit Modellen, die aus herkömmlichen organischen thermoplastischen
Zusam mensetzungen hergestellt werden. Obwohl alle organischen thermoplastischen
Zusammensetzungen aufgrund organischer Verunreinigungen begrenzte
Mengen an Asche enthalten, ist es relativ leicht, eine beträchtliche
Menge dieser aschebildenden Verunreinigungen zu entfernen, indem
den thermoplastischen Modellbildungszusammensetzungen das wässrige Gel
vorliegender Erfindung zugesetzt wird. Es wurde ebenfalls herausgefunden,
dass die Aschemenge zusätzlich
reduziert werden kann, indem bei der Herstellung des wässrigen
Gels entionisiertes oder destilliertes Wasser verwendet wird.
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Aufgrund
der Verwendung von Wasser und eines Geliermittels wie Maisstärke statt
einem herkömmlichen
Füllstoff,
kann die Zusammensetzung vorliegender Erfindung darüber hinaus
aus kostengünstigeren und
einfacher erhältlichen
Inhaltsstoffen hergestellt werden.
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Die
thermoplastischen Modellzusammensetzungen vorliegender Erfindung
können
im Investmentgussverfahren auf gleiche Art und Weise wie herkömmliche
Modellzusammensetzungen eingesetzt werden. Kurz gesagt, wird ein
Modell der thermoplastischen Zusammensetzung vorliegender Erfindung
in einer Form gebildet und das Modell in eine Form umgegossen, um
eine Gussform zu bilden.
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Wenn
die thermoplastischen Modellbildungszusammensetzungen vorliegender
Erfindung als Zusammensetzungen für Investmentgussverfahren verwendet
werden, können
diese auf Temperaturen erhitzt werden, bei denen sie frei fließen und
in geschmolzenem Zustand zwecks Übertragung
in Formen in einem Sammelgefäß gehalten.
Im geschmolzenen bzw. frei fließendem
Zustand bleiben die Komponenten der thermoplastischen Modellbildungszusammensetzungen
im Wesentlichen lange genug einheitlich dispergiert bis die Formarbeiten
beendet sind. Es kann jedoch, falls gewünscht, Rühren angewandt werden, um eine
im Wesentlichen einheitliche Dispersion zu gewährleisten oder um die Komponenten
wiederzudispergieren, falls es in den geschmolzenen Zusammensetzungen
während
der Lagerung zu Absetzungen gekommen ist.
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Die
folgenden Beispiele beschreiben die bevorzugten Ausführungsformen
vorliegender Erfindung. Andere im Schutzumfang der Ansprüche enthaltene
Ausführungsformen
sind für
Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung unter Berücksichtigung der, wie hier
geoffenbarten, Beschreibungen oder Praxis vorliegende Erfindung
leicht erkennbar. Wenn nicht anders angegeben, beziehen sich alle
Prozentangaben in den Beispielen auf Gewichtsprozente.
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BEISPIEL 1
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Ein
thermoplastisches Material wurde durch Schmelzen, Mischen und homogenes
Dispergieren folgender Inhaltsstoffe bei etwa 150°C hergestellt
Inhaltsstoff | Gewichtsteile |
Terpenpolymer
(Schmelzpunkt 115°C) | 55 |
Carnaubawachs | 10 |
Paraffinwachs
(Schmelzpunkt 59° bis
60°C) | 20 |
Mikrokristallinwachs
(Schmelzpunkt 77° bis
79°C) | 10 |
synthetisches
Paraffin-Mineralwachs | 5 |
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BEISPIEL 2
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Ein
thermoplastisches Material wurde durch Schmelzen, Mischen und homogenes
Dispergieren folgender Inhaltsstoffe bei etwa 150°C hergestellt
Inhaltsstoff | Gewichtsteile |
Paraffinwachs
(Schmelzpunkt 59° bis
60°C) | 4 |
Bienenwachs | 10 |
Damarharz | 7 |
Carnaubawachs | 20 |
Terpenpolymer
(Schmelzpunkt 115°C) | 49 |
niedermolekulares
Polyethylen | 10 |
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BEISPIEL 3
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Durch
Vermischen von 10 Teilen Maisstärke
mit 90 Teilen heißem
destilliertem Wasser wurde ein wässriges
Gel hergestellt. Unter Verwendung eines SonolatorTM-Homogenisators
wurde das wässrige
Gel bei einer Temperatur von 80 bis 85°C in das thermoplastische Material
aus Beispiel 1 eingemischt, um eine thermoplastische Modellbildungszusammensetzung,
umfassend 20 Teile wässriges
Gel und 80 Teile thermoplastisches Material, zu bilden.
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BEISPIEL 4
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Durch
Vermischen von 10 Teilen Maisstärke
mit 90 Teilen heißem
destilliertem Wasser wurde ein wässriges
Gel hergestellt. Unter Verwendung eines SonolatorTM-Homogenisators
wurde das wässrige
Gel bei einer Temperatur von 80 bis 85°C in das thermoplastische Material
aus Beispiel 1 eingemischt, um eine thermoplastische Modellbildungszusammensetzung,
umfassend 40 Teile wässriges
Gel und 60 Teile thermoplastisches Material, zu bilden.
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BEISPIEL 5
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Durch
Vermischen von 10 Teilen Maisstärke
mit 90 Teilen heißem
destilliertem Wasser wurde ein wässriges
Gel hergestellt. Unter Verwendung eines SonolatorTM-Homogenisators
wurde das wässrige
Gel bei einer Temperatur von 80 bis 85°C in das thermoplastische Material
aus Beispiel 1 eingemischt, um eine thermoplastische Modellbildungszusammensetzung,
umfassend 50 Teile wässriges
Gel und 50 Teile thermoplastisches Material, zu bilden.
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BEISPIEL 6
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Durch
Vermischen von 15 Teilen Maisstärke
mit 85 Teilen heißem
destilliertem Wasser wurde ein wässriges
Gel hergestellt. Unter Verwendung eines SonolatorTM-Homo genisators
wurde das wässrige
Gel bei einer Temperatur von 80 bis 85°C in das thermoplastische Material
aus Beispiel 2 eingemischt, um eine thermoplastische Modellbildungszusammensetzung,
umfassend 20 Teile wässriges
Gel und 80 Teile thermoplastisches Material, zu bilden.
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BEISPIEL 7
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Durch
Vermischen von 15 Teilen Maisstärke
mit 85 Teilen heißem
destilliertem Wasser wurde ein wässriges
Gel hergestellt. Unter Verwendung eines SonolatorTM-Homogenisators
wurde das wässrige
Gel bei einer Temperatur von 80 bis 85°C in das thermoplastische Material
aus Beispiel 2 eingemischt, um eine thermoplastische Modellbildungszusammensetzung,
umfassend 40 Teile wässriges
Gel und 60 Teile thermoplastisches Material, zu bilden.
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BEISPIEL 8
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Durch
Vermischen von 15 Teilen Maisstärke
mit 85 Teilen heißem
destilliertem Wasser wurde ein wässriges
Gel hergestellt. Unter Verwendung eines SonolatorTM-Homogenisators
wurde das wässrige
Gel bei einer Temperatur von 80 bis 85°C in das thermoplastische Material
aus Beispiel 2 eingemischt, um eine thermoplastische Modellbildungszusammensetzung,
umfassend 50 Teile wässriges
Gel und 50 Teile thermoplastisches Material, zu bilden.
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BEISPIEL 9
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Die
Zusammensetzungen der Beispiele 3 bis 8 wurden in Formen eingespritzt,
was zur Bildung von Modellen mit sehr genauer Oberflächengüte und ausgezeichneter
Fließfähigkeit
führte.
Die thermoplastischen Modellbildungszusammensetzungen der Beispiele
3 bis 8 konnten normal gehandhabt werden, ohne eine Brechung des
wässrigen
Gels befürchten
zu müssen,
sofern die Temperatur der geschmolzenen Zusammensetzung nicht über dem
Siedepunkt des Wassers lag.
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Angesichts
obiger Ausführungen
zeigt sich, dass mehrere Vorteile vorliegender Erfindung und andere vorteilhafte
Ergebnisse erzielt worden sind.