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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Zusammenfügen
durch Verkleben von Teilen aus einem pyrolysierbaren synthetischen
Material, insbesondere aus expandiertem Polystyrol, zur Erzeugung
eines Modells, das als „verlorenes
Modell" beim Gießen
von Metallen in einem Verfahren dient, das als Verfahren mit „verlorenem
Modell" (Lost-Foam-Verfahren)
bezeichnet wird.
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Das Verfahren zum Gießen von
Metallteilen, das als „Lost-Foam-Verfahren"
oder „Gießverfahren
mit verlorenem Modell" bezeichnet wird, ist bekannt. Dieses Verfahren
besteht darin, ein Modell des Gußteils aus mehreren Teilen
eines pyrolysierbaren Polymers, wie expandiertem Polystyrol oder
PMMA, oder eines Copolymers zu erzeugen. Diese Teile werden miteinander
verklebt, um das Modell des Gußteils
zu erhalten. Anschließend
wird das Modell in eine flüssige
Schlichte getaucht, wonach das Teil getrocknet wird. Das so behandelte
Modell wird in einen Behälter
eingeformt, der Sand enthält,
und die Verdichtung des Sandes um das Teil erfolgt durch Vibration.
Am oberen Ende des Modells lässt
man eine Metallschmelze in das Modell fließen. Das Metall, das eine sehr
hohe Temperatur aufweist, verursacht die Pyrolyse des Polystyrols
und nimmt dessen Platz ein. Durch Abkühlen erhält man ein Metallteil, das
exakt die Form des Modells hat. Das Teil kann dann aus dem Sand
entnommen werden. Dieses Verfahren mit verlorenem Modell weist zahlreiche
Vorteile auf. Es ermöglicht
eine hohe Flexibilität
bei der Gestaltung der Form von Teilen. Das Material für die Gussform ist
einfach, denn es handelt sich um kieselsäurehaltigen Sand. Die hergestellten
Teile weisen genaue Abmessungen auf, selbst wenn sie hohl sind.
Schließlich
ermöglicht
ein derartiges Verfahren Flexibilität im Arbeitstakt der Produktion.
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Für
das Verkleben der Polystyrol-Teile werden Schmelzklebstoffe eingesetzt,
z. B. Phenolharze, selbstklebende Acryl-Emulsionen. Die Schmelz klebstoffe
werden durch Eintauchen aufgebracht. Schmelzklebstoffe weisen jedoch
Nachteile auf. Beim Kleben bleiben Spuren des Klebstoffs entlang
der Verbindungslinien auf dem so zusammengefügten Modell zurück. Diese
Spuren, die häufig
aus überquellendem
Material bestehen, bilden überstehende
Wülste.
Die mit dem Klebstoff zu bestreichenden Flächen müssen im wesentlichen eben sein,
um ein Überquellen
der Schmelzklebstoffe zu begrenzen. Die Dicke des aufgetragenen
Klebstoffs bildet durch das in der Hitze bei seiner Pyrolyse erzeugte
Gasvolumen eine Bremse für
das Fortschreiten der Metallfront. Außerdem führt die Dicke des aufgetragenen
Klebstoffs zur Ausbildung metallurgischer Fehler durch den Einschluß kohlenstoffhaltiger
Kondensate, die bei der Pyrolyse des Klebstoffs entstehen.
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Es wurde versucht, die Schichtdicke
des Kebstoffs, die auf die zu bestreichenden Verbindungsflächen aufgetragen
wird, zu verringern. Insbesondere wurde in der Druckschrift FR-A-2
681 002 ein Verfahren zum Zusammenfügen durch Kleben von Teilen
aus expandiertem Polystyrol durch Versprühen eines in wäßriger Emulsion
oder Suspension vorliegenden Acrylklebstoffs auf die zu bestreichenden
Teile beschrieben, bei dem die gesamte Oberfläche der Verbindungsflächen so
mit Klebstoff überzogen
wird, daß das
Flächengewicht
des Klebstoffs 15 g/m2 nicht übersteigt,
der Klebstoff durch einen heißen
Luftstrom getrocknet wird und die Teile, die das Modell bilden,
durch Inkontaktbringen zusammengefügt werden. Der Klebstoff ist
hierbei ein Klebstoff auf der Basis von Acrylcopolymeren, die in
wässriger
Emulsion vorliegen.
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Bei den bekannten Verfahren werden
jedoch Klebstoffe verwendet, die bei der Pyrolyse zu große Mengen
an Gasen und Kondensaten (feste Verbindungen) bilden, was umweltschädlich ist
und Vorsichtsmaßnahmen
in der Fertigungsanlage erforderlich macht. Im übrigen ist es erforderlich,
die Teile, die das Modell bilden, schnell zusammenzusetzen, sobald
der Klebstoff getrocknet ist, denn der aufgetragene Klebstoff verliert
mit der Zeit sein Klebevermögen.
Wenn eine Schicht des Schmelzklebstoffs im Tauchverfahren aufgetragen
wird, muß das
Klebstoffbad eine auf plus/minus 3°C geregelte Temperatur aufweisen,
und die Klebezyklen müssen innerhalb
von plus/minus 0,1 s durchgeführt
werden.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf
ab, diese Nachteile zu beheben.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren zum Zusammenfügen
von Teilen aus expandiertem Polystyrol anzugeben, durch das ein
Modell erzeugt wird, das als verlorenes Modell beim Gießen von
Metallen in einem Gießverfahren
mit „verlorenem
Modell" (Lost-Foam-Verfahren) dient, wobei dieses Verfahren so gestaltet
ist, daß bei
der Pyrolyse des Polystyrols so wenig Gas wie möglich freigesetzt wird und
so wenig Kondensate wie möglich
gebildet werden.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein wie oben erwähntes
Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, Metallteile zu erhalten,
bei denen die Oberfläche
im Bereich der Nähte
oder Verbindungsstellen weder Wülste
noch Fehler wie Lippen oder Fasen aufweist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, ein wie oben erwähntes
Verfahren anzugeben, das das Verkleben von gekrümmten oder abgekanteten Klebeflächen ermöglicht,
um so die Zuschneidarbeit zu verringern und die Zahl der Teile des
Modells zu senken.
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Eine vierte Aufgabe der Erfindung
besteht darin, ein wie oben erwähntes
Verfahren anzugeben, das einen sehr breiten Temperaturbereich beim
Kleben ermöglicht.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, beim Verkleben verschiedene Wärmequellen verwenden zu können.
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Zur Lösung dieser Aufgaben gibt die
Erfindung ein Verfahren zum Zusammenfügen durch Kleben von Teilen
aus einem pyrolysierbaren synthetischen Material, wie expandiertem
Polystyrol, zur Erzeugung eines Modells an, das als verlorenes Modell
beim Gießen
von Metallen in einem Gießverfahren
mit verlorenem Modell dient, durch Versprühen eines in wässriger
Emulsion vorliegenden Klebstoffs auf die zu verklebenden Teilen,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein in wässriger Emulsion vorliegender
Klebstoff auf der Basis von Polyurethanen versprüht wird, wonach der Klebstoff
getrocknet wird, indem das Wasser durch Erwärmen auf eine Temperatur, die
im Bereich von etwa 50 bis etwa 80°C liegt, während eines Zeitraums von etwa
8 bis etwa 3 min verdampft wird.
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Die Erfindung weist außerdem die
folgenden charakteristischen Merkmale auf:
Der bevorzugte Klebstoff
enthält:
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- – 100
Gewichtsteile einer wäßrigen Emulsion,
die besteht aus: – 50
bis 100 Gew.-% einer wäßrigen Emulsion eines
Polyurethans, – 0
bis 50 Gew.-% einer wäßrigen Emulsion
eines Ethylen/Vinylacetat-Copolymers, – 0 bis 50 Gew.-% einer wäßrigen Emulsion
eines Vinyl-, Acryl- oder Vinylacrylpolymers, wobei der Trockensubstanzgehalt
jeder dieser Emulsionen im Bereich von 40 bis 70% liegt,
- – 0
bis 20 Gewichtsteile eines Härters,
der unter den Polyisocyanten ausgewählt ist.
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Bei dem Polyurethan handelt es sich
vorteilhaft um ein Elastomer, das bei der Polyaddition eines Polyisocyanats
und eines Polyesterpolyols entsteht, und der Härter ist ein aliphatisches
Polyisocyanat.
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Noch vorteilhafter enthält der Klebstoff
3 bis 15 Gewichtsteile des Härters.
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Der Klebstoff wird in einer Dicke
von etwa 60 bis etwa 400 μm
aufgetragen wird.
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Die Teile werden unmittelbar nach
dem Trocknen bei einer Temperatur oberhalb von 65°C zusammengefügt.
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Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
läßt man die
Teile bis etwa maximal 4 h ruhen, wenn die Trocknungstemperatur
unterhalb von 65°C
liegt, anschließend
werden die Teile wieder auf eine Temperatur im Bereich von etwa
65°C bis
zur Verformungstemperatur der Teile aus dem synthetischen Material
erwärmt;
für expandiertes
Polystyrol beträgt
diese Temperatur beispielsweise etwa 85°C.
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Der Klebstoff kann außerdem einen
Farbstoff enthalten, wie z. B. Methylenblau.
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Das Trocknen des Klebstoffs wird
mit heißer
Luft, Infrarotstrahlung oder Mikrowellenstrahlung durchgeführt.
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Die folgende Beschreibung, die nicht
einschränkende
Beispiele enthält,
ermöglicht
ein besseres Verständnis,
wie die Erfindung ausgeführt
werden kann.
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ERFINDUNGSGEMÄSSES BEISPIEL
1
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Auf die Oberflächen der Teile aus weißem Polystyrol,
die zusammengeklebt werden sollen, wird ein Klebstoff gesprüht, der
enthält:
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- – 100
Gewichtsteile einer wäßrigen Emulsion,
die enthält: – 68,3 Gew.-%
einer wäßrigen Emulsion
eines Polyesterpolyurethan-Elastomers
(Trockensubstanzgehalt: 40%), – 7,92
Gew.-% einer wäßrigen Emulsion
eines Ethylen/Vinylacetat-Copolymers
(Trockensubstanzgehalt: 55%), – 18,31
Gew.-% einer wäßrigen Emulsion
eines Vinylacrylpolymers (Trockensubstanzgehalt: 60%),
- – 4,68
Gewichtsteile eines aliphatischen Polyisocyanats.
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Zu dem Klebstoff wurde Methylenblau
gegeben. Die Zugabe des Farbstoffs zu dem Klebstoff dient dazu,
den Klebstoffüberzug,
der auf das weiße
expandierte Polymer aufgebracht wird, leicht sichtbar zu machen. Der
Klebstoff wird so aufgesprüht,
daß eine
Schichtdicke von 100 μm
erhalten wird; die Schichtdicke liegt unter 400 μm, um zu vermeiden, dass Material überfließt, und
beträgt
mehr als 60 μm,
damit der Klebstoff in einer ausreichenden Menge aufgebracht wird.
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Das Versprühen des Klebers zum Aufbringen
der Klebstoffschicht ermöglicht
es im Vergleich zum herkömmlichen
Eintauchen in ein Tauchbad, eine wesentlich dünnere Schicht des trockenen
Klebstoffs von 30 bis 200 μm
aufzubringen. Durch diese sehr geringe Schichtdicke des Klebstoffs
wird vermieden, dass Material heraus quillt, überstehendes Material und Wülste werden
so verhindert, und es können
sehr komplizierte gekrümmte
oder abgekantete Klebeverbindungen hergestellt werden, sogar Verbindungen,
die im Tauchverfahren oder durch Warmverschweißen in keinem Fall erhalten
werden können.
Auf diese Weise können
die Schneidarbeiten bei komplizierten Modellen, wie Zylinderköpfen, verringert
werden, wodurch die Gestehungskosten gesenkt werden können und
die Qualität
der Gußteile
verbessert werden kann.
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Anschließend wird der Klebstoff getrocknet,
indem die Teile in einen Ofen gegeben werden, in dem das Wasser
durch 8 minütiges
Erhitzen mit Infrarot-Strahlung auf 60°C verdampft wird.
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Anschließend werden die Teile unmittelbar
nach der Entnahme aus dem Ofen miteinander verklebt. Auf diese Weise
können
schnell Modelle hergestellt werden, und man kann demnach mit einem
hohen Durchsatz arbeiten.
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Beim Gießen der Teile mit Hilfe der
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Modelle wird nur wenig Gas freigesetzt und nur wenig
fester Rückstand
gebildet. Die Stücke
weisen perfekte Nähte
im Bereich der Klebeverbindungen des Modells ohne Wülste auf.
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ERFINDUNGSGEMÄSSES BEISPIEL
2
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Das obige Beispiel 1 wird wiederholt,
allerdings läßt man die
Teile zunächst
etwa maximal 4 h bei Umgebungstemperatur (etwa 20–25°C) stehen.
Der erfindungsgemäße Klebstoff
behält
dabei sein Klebevermögen.
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Bei einer maximalen Ruhezeit von
4 h kann das Haftvermögen
des Klebstoffs reaktiviert werden, indem er wieder auf eine Temperatur
von 65 bis 85°C
erwärmt
wird. Wenn er auf eine Temperatur unter 65°C erwärmt wird, erhält man nicht
das erwartete Klebeergebnis. Wenn man auf eine Temperatur von mehr
als 85°C
erhitzt, bei der es sich um die Temperatur handelt, bei der sich
die Modelle aus expandiertem Polystyrol verformen, werden die Teile
verformt, und das fertige metallische Gussteil ist unbrauchbar.
Das erneute Erwärmen
wird mit IR-Strahlung durchgeführt,
anschließend
werden die zu verklebenden Teile unter Anwendung von leichtem Druck
während
etwa 1 s zusammengefügt,
wodurch die endgültige
Dichtigkeit zwischen den zusammengefügten Teilen gewährleistet
wird.
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VERGLEICHSBEISPIEL 1
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Auf die zusammenzufügenden Flächen von
zwei Teilen aus weißem
Polystyrol wird ein Schmelzklebstoff auf der Basis eines Phenolharzes
aufgetragen. Die Klebstoffschicht wird durch Tauchbeschichtung aufgetragen.
Die Teile werden getrocknet und dann zusammengefügt. Man erhält Wülste entlang der Klebeverbindung.
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VERGLEICHSBEISPIEL 2
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Die Substanzen, die bei der Pyrolyse
eines serienmäßigen Klebstoffs,
der üblicherweise
zum Verkleben von Teilen aus expandiertem Polystyrol verwendet wird,
eines erfindungsgemäßen Klebstoffs
gemäß Beispiel
1, der 5 min bei 60°C
getrocknet wurde, und eines expandierten Polystyrols freigesetzt
werden, werden gemessen. Die Proben werden in einen geschlossenen
Behälter
gegeben, wonach auf eine Temperatur von 750°C erhitzt wird, bei der es sich
um die Gießtemperatur
einer Aluminiumlegierung handelt. Man erhält die folgenden Ergebnisse:
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Man sieht demnach, daß der erfindungsgemäße Klebstoff
bei der Gießtemperatur
der Legierung unter Erzeugung geringer Gas- und Kondensatmengen
pyrolysiert wird. Außerdem
fällt das
Gasvolumen geringer aus als die Gasmenge, die aus einem Klebstoff
des Stands der Technik freigesetzt wird.
