EP0020989B1

EP0020989B1 - Verfahren zur Herstellung von Modellen, Kernbüchsen und Werkzeugen und so erhaltene Modelle

Info

Publication number: EP0020989B1
Application number: EP80102620A
Authority: EP
Inventors: Helmut Horber; Horst Pauling; Wilhelm Steiner
Original assignee: Georg Fischer AG
Current assignee: Georg Fischer AG
Priority date: 1979-05-17
Filing date: 1980-05-12
Publication date: 1983-02-23
Also published as: DE3062113D1; EP0020989A1; ATE2605T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Modellen, Kernbüchsen und Werkzeugen, insbesondere von Giessereimodellen, welche mittels eines auf einen Trägerkörper mit einer vorgegebenen Schichtdicke aufgetragenen Oberflächenschichtharzes hergestellt werden, wobei das flüssige Oberflächenschichtharz in einen Hohlraum zwischen Trägerkörper und Modellform eingegossen wird, und durch das Verfahren hergestellte Modelle, Kernbüchsen und Werkzeuge.
Es ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekanntgeworden (Prospekt der Firma Lechler Chemie GmbH Stuttgart), bei welchem die vorgegebene Schichtdicke für das Oberflächenschichtharz durch Auflegen einer 10 mm dicken Filz- oder Schaumgummimatte auf das Negativmodell bestimmt wird, die nach Herstellung des Trägerkörpers aus in Laminarharz gebundenem Quarzsand nach der Erstarrung wieder entfernt wird. Weist das herzustellende Modell bzw. Werkzeug und somit dessen Negativform stark verwickelte bzw. komplizierte geometrische Konturen mit schroffen Übergängen zwischen Erhebungen und Vertiefungen auf, ist eine gleichmässige Auflage der Filz-oder Schaumgummimatten auf diese Konturen nicht möglich, so dass bei derartigen Modellen dieses Verfahren überhaupt nicht anwendbar ist oder aber dann beim Herstellen der Oberflächenschicht in der Negativform ungleiche Schichtdikken entstehen. Bei einer unterschiedlichen Schichtdicke tritt jedoch eine unterschiedliche Schwindung bei der Erstarrung des Oberflächenschichtharzes auf, was zu ungenauen Modellkonturen und somit zu fehlerhaften Abgüssen führt. Damit die Filz- oder Schaumgummimatte vom Trägerkörper wieder leicht entfernt werden kann, muss zusätzlich eine Polyäthylen-Folie aufgelegt werden, wodurch ein kompliziertes Verfahren entsteht, das nur bei der Herstellung von einfachen Modellen und Werkzeugen anwendbar ist.
Weiterhin ist durch die US-PS 2 947 046 ein Verfahren zur Herstellung von kunstharzbeschichteten Kernkästen und Modellen bekanntgeworden, bei welchen der Trägerkörper ein Aluminiumgussstück ist. Zur Herstellung des Trägerkörpers muss erst mittels des mit einer abnehmbaren Schicht überzogenen Ur-Modells aus Holz ein Gipsmodell und mit diesem eine Sandform für den Aluminium-Trägerkörper hergestellt werden, was sehr zeitaufwendig und kompliziert ist. Die auf das Ur-Modell aufgetragene Schicht, welche der späteren Kunstharz-Oberflächenschicht am Trägerkörper entspricht, besteht aus einem Kitt oder ähnlichem Material und weist eine unregelmässige Oberfläche auf.
Die Kunstharz-Oberflächenschicht am Modell oder Kernkasten ist somit sehr unterschiedlich dick, wodurch hier ebenfalls durch die unterschiedliche Schwindung bei der Erstarrung ungenaue Modellkonturen entstehen. Das Auftragen der Kitt-Schicht ist ebenfalls sehr arbeitsaufwendig und bei komplizierten Konturen des Ur-Modells kaum möglich. Das bei diesen Verfahren für die Oberflächenschicht verwendete Epoxidharz weist für Modelle eine schlechte Abriebfestigkeit und eine unbefriedigende Oberfläche auf.
Durch die FR-A- 1 058 046 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Modellen und Kernbüchsen der eingangs genannten Art bekanntgeworden. Hierbei wird an einem Modell z.B. aus Gips eine Schicht von einigen Millimetern Dicke entfernt, um den Hohlraum für das einzugiessende Oberflächenschichtmaterial, wie z.B. ein Kunststoff, zu erhalten. Bei komplizierten Modellformen ist dies sehr aufwendig, wobei eine ungleichmässige Abarbeitung, ebenfalls eine ungleichmässig dicke Oberflächenschicht entsteht, welche die bereits angeführten Nachteile aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Art, mittels welchem massgetreue Modelle, Kernbüchsen und Werkzeuge auch mit verwickelten und komplizierten Konturen einfach und rationell herstellbar sind, wobei für deren Oberfläche auch verschleissfeste Schichtharze bzw. Kunststoffe mit relativ hoher Schwindung verwendbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Anspruch 1 angeführten Verfahrensschritte gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 2 bis 9.
Durch das Herstellen einer als Platzhalter für die Oberflächenschicht des Modells dienenden Maske mittels einer aushärtbaren, fliessfähigen Schmelztauchmasse wird eine an allen Stellen von auch komplizierten Konturen des Modells gleich dicke Maske und somit auch gleich dicke Oberflächenschicht erreicht. Somit entsteht beim Erstarren des Oberflächenschichtharzes an allen Stellen eine gleich starke Schwindung, wodurch massgetreue Modelle auch bei Verwendung von Oberflächenschichtharzen mit starker Schwindung entstehen. Insbesondere kann nun hierfür ein Polyurethan-Zweikomponenten-Kunststoff Verwendung finden, welcher für Modelle durch seine besonders gute Verschleissfestigkeit insbesondere gegenüber Modellsand hervorragend geeignet ist.
Das Herstellen der Maske ist gekennzeichnet durch einfaches Eingiessen in die Modellform und nach einer gewählten Erstarrungszeit ein Zurückgiessen der noch flüssigen restlichen Masse, wobei die Dicke der Maske genau durch die Wahl der Erstarrungszeit bestimmbar ist.
Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass die aus einer handelsüblichen, kostengünstigen Schmelztauchmasse herstellbaren Masken wegen ihrer hohen Zähigkeit und Elastizität ohne Beschädigung vom Trägerkörper entfernbar sind und somit für die Herstellung weiterer gleichartiger Modelle wieder verwendbar sind. Die Schmelztauchmasse kann auch durch mehrmaliges Einschmelzen der Masken für unterschiedliche Modelle mehrfach verwendet werden.
Die Herstellung des Trägerkörpers aus Blähton und einem PUR-Schaumstoff und die Verwendung von einem Polyurethan-Zweikomponenten-Kunststoff für die Oberflächenschicht mit einer gleichmässigen geringen Schichtdicke ergibt verschleissfeste, leichte und trotzdem stabile Modelle oder Werkzeuge. Die Verwendung von Blähton garantiert die optimale Massstabilität des gesamten Modells.
Verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens werden anhand der beiliegenden Zeichnungen nachfolgend beschrieben.
Es zeigen:

Fig. 1 bis 5 die Herstellung eines Modells und Modellplatte mit Metallrahmen in verschiedenen Verfahrensschritten,
Fig. 6 bis 9 die Herstellung eines Modells und Modellplatte ohne Metallrahmen in verschiedenen Verfahrensschritten,
Fig. 10 bis 13 die Herstellung eines auf einer Grundplatte befestigten Modells und
Fig. 14 und 15 eine Ausführungsvariante der in den Fig. 10 bis 13 gezeigten Befestigung.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, wird auf eine Modellform 1 ein Rahmen 2, vorzugsweise ein Metallrahmen 2, aufgesetzt und mittels Stiften 3 in fixierter Lage festgehalten. Ein Formhohlraum 4 weist die gleiche Kontur auf wie die Oberfläche des herzustellenden Modells. Die Modellform 1 kann aus allen im Modellbau verwendbaren Materialien, wie z.B. Holz, Gips, Metall, Kunstharz usw., bestehen. In diesen Formhohlraum 4 wird nun eine flüssige Schmelztauchmasse 5 eingegossen, welche je nach Schmelzpunkt des Materials eine Temperatur zwischen 50 und 200°C, vorzugsweise 100 und 180°C, aufweist. Vorzugsweise wird eine handelsübliche thermoplastische Schmelztauchmasse mit einer Äthylcellulose-Basis verwendet. Diese flüssige Schmelztauchmasse gelangt an alle Stellen auch bei komplizierten bzw. verwickelten Formhohlräumen. Durch Wärmeentzug entlang der Oberfläche des Formhohlraumes 4 erstarrt die Schmelztauchmasse 5 zu einer überall gleich dicken Schicht 6 und bildet eine später abnehmbare Maske 7. Nach einer festgelegten Abkühlzeit, welche erfahrungsgemäss 5 bis 1000 sec, vorzugsweise 20 bis 60 sec beträgt, wird die noch flüssige restliche Schmelztauchmasse durch Kippen der Modellform 1 zurückgeschüttet. Die gewünschte Schichtdicke zwischen 1 und 10 mm, vorzugsweise 4 mm, ist abhängig von der Temperatur der flüssigen Schmelztauchmasse 5, vom Material der Modellform 1 bzw. dessen Wärmeleitfähigkeit und von der Abkühlzeit. Damit ist eine genaue Bestimmung der gewünschten Schichtdicke der Maske 7 möglich.
Entsprechend Fig. 2 wird anschliessend derverbleibende Formhohlraum 4 und das Innere des Rahmens 2 mit einem Blähton 8 gefüllt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird dann auf dem Rahmen 2 eine Abdeckplatte 9 z.B. mittels Schrauben befestigt, welche Entlüftungsbohrungen 10 und mindestens eine Eingussöffnung 11 aufweist. Durch die Eingussöffnung 11 wird dann ein flüssiger PUR-Schaumstoff eingefüllt, welcher die Zwischenräume zwischen dem Blähton durch Aufschäumen ausfüllt und nach dessen Erstarrung zusammen mit dem Blähton einen Trägerkörper 12 bildet, welcher in dem Metallrahmen 2 verankert ist und mit Blähton die geforderte Form und Massstabilität erreicht. Der handelsübliche Blähton besteht aus Tonmehl geformten Tonkügelchen, welche bei über 1200°C gebrannt werden wobei dann luftdruchsetzte Perlen mit grosser Festigkeit und geringem Gewicht entstehen. Andere Materialien wie Kunststoff-Granulat oder ähnliche Stabilisatoren sind für diesen Zweck ungeeignet.
Nach dem Abheben des Rahmens 2 mit dem Trägerkörper 12 von der Modellform 1 wird die Maske 7 vom Trägerkörper 12 abgenommen, was ohne deren Zerstörung aufgrund der geringen Haftung am Trägerkörper 12 und deren Biegsamkeit bzw. Elastizität möglich ist.
Die Maske 7 wird dann aus der Modellform 1 entfernt und kann somit für die Herstellung weiterer gleichartiger Modelle wieder verwendet werden, so dass hierfür Kosten und Zeit eingespart werden. Wird kein gleichartiges Modell mehr hergestellt, kann die Maske 7 eingeschmolzen werden, und die Schmelztauchmasse kann für andere Masken verwendet werden.
Nach Anbringung einer Bohrung 13 im Trägerkörper 12, welche die Eingussöffnung 11 durch den Trägerkörper 12 verlängert, wird, wie aus Fig. 4 ersichtlich, der Rahmen 2 in fixierter Lage auf die Modellform 1 gesetzt, wobei zwischen der Modellform 1 und dem Trägerkörper 12 ein Hohlraum 14 entsteht, in welchen durch die Eingussöffnung 11 ein flüssiges Oberflächenschichtharz 19 eingegossen wird. Hierbei kann die Luft durch an der Modellform 1 angeordnete Entlüftungskanäle 17 entweichen. Bei der Erstarrung verbindet sich das Schichtharz 19 mit dem Trägerkörper 12 und bildet eine massgetreue und verschleissfeste Oberfläche 15 des Modells 16 (siehe Fig. 5).
Die überall gleiche Schichtdicke des Oberflächenschichtharzes 19 ergibt bei dessen Erstarrung eine überall gleichmässige Schwindung, was eine Masshaltigkeit des Modells in engen Toleranzen gewährleistet.
Wie aus der Fig. 5 ersichtlich, bildet das Modell 16 mit einer von dem Rahmen 2 umschliessenden Modellplatte 18 eine Einheit, wobei die aus PUR-Schaumstoff und Blähton hergestellten Partien von Modell 16 und Modellplatte 18 den Trägerkörper 12 bilden.
Sollen Modell und Modellplatte möglichst leicht ausgeführt werden, wird der an der Modellplatte verbleibende Rahmen weggelassen und dabei stattdessen ein Oberflächenschichtharz aufgetragen.
Ein derartiges Herstellungsverfahren ist aus den Fig. 6 bis 9 ersichtlich. Hierbei wird, wie aus der Fig. 6 ersichtlich, auf die Modellform 1 ein Hilfsrahmen 20 mittels der Stifte 3 fixiert aufgesetzt. Die Herstellung der Maske 7 erfolgt, wie bereits zu Fig. 1, und die Herstellung des Trägerkörpers 12 erfolgt, wie zu Fig. 2 und 3 bereits beschrieben. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, werden hierbei in den Trägerkörper 12 durch seitlich in den Hilfsrahmen 20 eingesteckte Fixierbolzen 21 Bohrungen 22 mit eingeformt. Nach Entnahme des Trägerkörpers 12 aus dem Hilfsrahmen 20, Entfernung der Maske 7 und Anbringung der Bohrung 13 wird auf die Modellform 1 ein geringfügig grösserer Hilfsrahmen 23 entsprechend Fig. 8 aufgesetzt und der Trägerkörper 12 mittels der in die Bohrungen 22 eingesteckten Fixierbolzen 21 gehalten, wobei ein gleichmässiger Abstand zum Hilfsrahmen 23 durch Distanzstücke 24 eingehalten wird. Nach dem Befestigen einer Abdeckplatte 25 auf dem Hilfsrahmen 23 und dem Einlegen eines Dichtungsringes 26 zwischen dem Trägerkörper 12 und der Abdeckplatte 25 im Bereich der Eingussöffnung 11 wird nun, wie bereits zu Fig. 4 beschrieben, das flüssige Oberflächenschichtharz 19 eingegossen, wobei bei dieser Ausführungsvariante um den gesamten Trägerkörper 12, das heisst, auch um den Teil der Modellplatte 18, eine verschleissfeste gleichmässig dicke Oberflächenschicht 19 entsteht.
Nach dem Abheben des Hilfsrahmens 23 und der Abdeckplatte 25 kann das fertige Modell 16 aus der positiven oder negativen Modellform 1 herausgenommen werden. Wie aus der Fig. 9 ersichtlich, weist das Modell 16 zusammen mit der Modellplatte 18 keinen Rahmen auf und ist somit durch die Herstellung aus Blähton, Schaumstoff und einem Oberflächenschichtharz mit geringer gleichmässiger Dicke sehr leicht, was besonders vorteilhaft für den Einsatz der Modelle bei modernen schnellaufenden Formmaschinen ist. Es besteht die Möglichkeit nur einen Hilfsrahmen 23 zu verwenden, wobei dann dieser bei der Herstellung des Trägerkörpers 12 bereits auf die positive oder negative Modellform aufgesetzt wird (Fig. 5 und 6). Dabei werden vor dem Einfüllen des Blähtons an den inneren Seitenwänden Platten bzw. Bleche eingesetzt, welche als Platzhalter für die spätere Oberflächenschicht dienen.
Die Herstellung eines Modells 16, welches direkt auf einer vorzugsweise metallischen Grundplatte 30 befestigt wird, erfolgt entsprechend den in den Fig. 10 bis 13 gezeigten Verfahrensschritten. Das bei der Herstellung der Maske 7 mittels der Schmelztauchmasse 5 überschüssige Material 31 an der Oberfläche der Modellform 1 wird vor dem Auffüllen mit Blähton entfernt (siehe Fig. 10). Die Grundplatte 30, welche beim Herstellungsverfahren gleichzeitig als Abdeckplatte 9 dient, weist Stifte oder Schrauben 32 auf, mittels welchen der Trägerkörper 12 in fixierter Lage mit der Grundplatte 30 verbunden ist. Die Einbringung des Oberflächenschichtharzes (Fig. 12) zur Herstellung des fertigen Modells 16 (Fig. 13) erfolgt wie bereits beschrieben.
Anstelle der Befestigung des Trägerkörpers 12 mittels Stiften bzw. Schrauben 32 an der Grundplatte 30 kann auch die Verankerung des Modells 16 bzw. des Trägerkörpers 12 mittels in der Grundplatte 30 angeordneter schwalbenschwanzförmiger Ausfräsungen 33 erfolgen, wie dies aus den Fig. 14 und 15 ersichtlich ist.
Der Trägerkörper 12 kann auch aus reinem PUR-Schaumstoff, aus anderen Kunststoffen, aus Gips oder niedrig schmelzenden Metallen bestehen. Für das Oberflächenschichtharz wird vorzugsweise ein Polyurethan-Zweikomponenten-Kunststoff verwendet.
Weist die Modellform 1 keinen Formhohlraum 4, sondern eine erhabene Modellkontur auf, so kann die als Platzhalter für das Oberflächenschichtharz dienende Maske 7 gleich wie zu den Fig. 1 bis 5 bzw. 6 bis 9 beschriebenen Verfahren hergestellt werden, wobei der dicht auf die Modellform aufgesetzte Rahmen 2, 20, 23 mit der Schmelztauchmasse 5 aufgefüllt wird und nach einer festgelegten Zeit die nicht zur Maske erstarrte flüssige Schmelztauchmasse aus dem Metallrahmen ausgeschüttet wird. Die Herstellung des Trägerkörpers und der Oberflächenschicht erfolgt gleich wie bereits beschrieben. Dieses Verfahren wird vorzugsweise bei der Herstellung von Kernbüchsen angewendet.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können Modelle, Kernbüchsen und Werkzeuge für die verschiedensten Verwendungszwecke massgetreu und kostengünstig hergestellt werden. Für Giessereimodelle wird das Verfahren hauptsächlich für Giessform-Modelle und Modelle für die Kernherstellung bei der Gussteilfertigung in grösseren Serien verwendet. Ausserdem kann das Verfahren für die Herstellung von Stempeln und Matrizen bei Prägwerkzeugen verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Modellen, Kernbüchsen und Werkzeugen, insbesondere von Giessereimodellen, welche mittels eines auf einen Trägerkörper (12) mit einer vorgegebenen Schichtdicke aufgetragenen Oberflächenschichtharzes hergestellt werden, wobei das flüssige Oberflächenschichtharz in einen Hohlraum zwischen Trägerkörper (12) und Modellform (1) eingegossen und nach dessen Erstarrung das feste Modell (16) aus der Modellform (1) entnommen wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) in bzw. auf eine negative oder positive Modellform (1) wird eine aushärtbare, fliessfähige, auf zwischen 50 und 200 °C erwärmte Schmelztauchmasse (5), welche im erstarrten Zustand elastisch ist, eingegossen bzw. übergossen;

b) nach einer gewählten Erstarrungszeit wird die überschüssige noch flüssige Schmelztauchmasse (5) abgegossen, wobei eine in allen Konturen in gleichmässiger Schichtdicke erhärtete Maske (7) zurückbleibt;

c) auf die Maske (7) in der Modellform (1) wird ein Trägerwerkstoff aufgebracht und damit der Trägerkörper (12) hergestellt;

d) nach Herausnahme des Trägerkörpers (12) aus der Modellform (1) wird die Maske (7) abgezogen;

e) der Trägerkörper wird in der fixierten ursprünglichen Lage wieder in die Modellform (1) eingesetzt;

f) als Oberflächenschichtharz wird ein flüssiger Polyurethan-Zweikomponenten-Kunststoff zur Bildung der Oberflächenschicht (19) in den Hohlraum eingegossen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztauchmasse (5) beim Vergiessen eine Temperatur zwischen 100 und 180°C aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte Erstarrungszeit der Schmelztauchmasse (5) zwischen 5 und 1000 sec, vorzugsweise zwischen 20 und 60 sec, liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schmelztauchmasse (5) eine Erstarrungszeit gewählt wird, welche dazu führt, dass eine gleichmässige Dicke der Maske (7) in einem Bereich zwischen 1 und 10 mm, vorzugsweise eine Dicke von 4 mm, entsteht.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (12) durch Aufbringen von Blähton und anschliessendes Einfüllen eines PUR-Schaumstoffes hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (12) auf einer Grundplatte (30) befestigt wird (Fig. 10 bis 15).

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Modellform ein Rahmen (2) aufgesetzt wird, welcher mit Blähton aufgefüllt wird und in welchen nach Anbringen einer Abdeckplatte (9) PUR-Schaumstoff eingegossen wird (Fig. 1 bis 5).

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (20) mit der Abdeckplatte (9, 25) nach der Herstellung des Trägerkörpers (12) entfernt wird und der Trägerkörper (12) zur Herstellung der Oberflächenschicht in einem um die Schichtdicke vergrösserten Rahmen (23) so fixiert eingesetzt wird, dass an allen Umfangsseiten eine gleichmässig freie Distanz zur Auffüllung mit dem Polyurethan-Zweikomponenten-Kunststoff besteht (Fig. 6 bis 9).

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 sowie einem der Ansprüche 7 oder 8 zur Herstellung von positiven Modellformen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (2, 20) vor dem Herstellen der Maske (7) auf die positive Modellform aufgesetzt wird und die Schmelztauchmasse (5) in den Raum innerhalb des Rahmens (2, 20) eingegossen wird.

10. Modell, hergestellt nach dem Verfahren entsprechend einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Trägerkörper (12) aus Blähton und PUR-Schaumstoff und einer Oberflächenschicht (19) aus einem Polyurethan-Zweikomponenten-Kunststoff besteht.

11. Modell nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (16) einen Rahmen (2), vorzugsweise einen Metallrahmen, aufweist (Fig. 5).

12. Modell nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (12) auf einer Grundplatte (30) befestigt ist (Fig. 13 und 15).