EP0660765B1 - Verfahren zur herstellung von faserverbund-feingussteilen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von faserverbund-feingussteilen Download PDF

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EP0660765B1
EP0660765B1 EP93918973A EP93918973A EP0660765B1 EP 0660765 B1 EP0660765 B1 EP 0660765B1 EP 93918973 A EP93918973 A EP 93918973A EP 93918973 A EP93918973 A EP 93918973A EP 0660765 B1 EP0660765 B1 EP 0660765B1
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Jürgen SCHÄDLICH-STUBENRAUCH
Eric Neussl
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SCHAEDLICH STUBENRAUCH JUERGEN
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    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a method for producing Fiber composite investment castings according to the introductory part of Claim 1.
  • a method for producing precision castings in which using a model material Model formed, then a ceramic around the model Form built up, then the model material melted out, burned out and / or gasified and finally liquid metal is introduced into the mold.
  • Precision castings can be made using such a method produce very complex geometry. Because of one Geometry and due to the fact that after this Process formed ceramic form only relatively low Pressing when inserting the liquid metal into the mold withstands the use of Reinforcing fibers, i.e. the production of fiber composite investment castings not yet practiced.
  • EP-A-0 071 449 describes a method for producing fiber-reinforced investment castings known. It is about a model pre-body, which in a "volatile" Matrix material (model material) embedded fibers consists of a ceramic shape built with a gas-tight layer is provided (applying a coating of a ceramic sealant ", lines 24 and 15 of claim 1 of EP-A-0 071 449).
  • the ceramic shape is with an inlet and provided with an outlet. After the volatilization of the Model material is the liquid metal through the inlet introduced, by generating a vacuum on Outlet a pressure drop within the ceramic form is built up. As a result of this pressure drop, the Fiber material can be permeated with the liquid metal.
  • the fiber material must be be arranged between the inlet and the outlet, so that the ceramic shape is divided into two half-spaces, with the inlet in one and the outlet in the other flows into. It must be avoided that a ("Bypass -") connection between inlet and outlet is created, which does not extend exclusively through the fiber material and / or past the fiber material. Otherwise would namely an infiltration of the fiber material with the liquid metal not or only insufficiently and only take place in certain areas.
  • the fiber material must thus arranged in the form and beyond this shape should be such that the (only) Outlet on the side of the fiber material facing away from the inlet located.
  • the invention has for its object a method for the production of fiber-reinforced investment castings create with which investment castings of different complex Have shape created.
  • mineral fibers are used as fibers. These can be Al 2 O 3 or SiC fibers which are, for example, 10 ⁇ m thick. Handling such fibers can be a health hazard if these fibers are exposed. According to the present method, however, it is possible to machine such fibers mechanically into preforms. When handling these preforms, these fibers are then enclosed by the model material and are therefore no longer a health hazard.
  • the fibers in the form of a bundle of Monofilaments or multifilaments or as woven, non-woven or scrims or as fiber preforms with bridges You can choose from the options given here the respective forms and requirements of the Be cast.
  • wax will be used as the model material becomes.
  • This model material is the most commonly used and usually the easiest to treat. For its removal from the mold is only a relatively low one Energy expenditure required.
  • the method according to the invention can also be carried out in this way be used as a model material plastic resin becomes. Because of the selected fibers and also with regard to this model material for special applications may be particularly suitable.
  • the preform at the ends or edges is freed from the model material and thus the exposed Lots of fibers when building the ceramic form in these are fixedly embedded. In this way, the Preform particularly precise in shape and thus in the too creating casting are placed.
  • the method according to the invention can also be carried out in this way be that the preform by appropriate shaping Geometry and load requirements of the to be manufactured investment casting is adapted.
  • the model will consist of at least one Forebody is formed.
  • the forebody can therefore immediately take the shape of the casting to be made, so no longer needs by applying model material to be trained.
  • Such an approach offers advantages, particularly for simple shapes.
  • one or more preforms for the purpose of the construction of a model are surrounded by model material. In this way, too, it can be made sufficiently precise Place the preform (s) in the model.
  • the method according to the invention requires for the exact Placement of the fibers no permanent bond in the form of Binder bridges or the like between the fibers, such as this is previously known when using preforms. There Such preform trusses hinder metal infiltration.
  • such bridges are dispensed with because the Fibers in the preform are held by the model material until the mold cavity is closed and then the model material is removed.
  • Fig. 1 is shown schematically how from “endless” Fibers 1 strand-shaped cut to the desired length Preform 2 are formed.
  • Preform 2 Preform 2
  • several fibers 1 by rolling through a heated wax bath 4 passed through and impregnated with wax, see above that all individual fibers 1 are wetted with wax.
  • Impregnated wax fiber strand is in a heated die 5 shaped into the desired cross section and in one subsequent cooling device 6 solidified.
  • the thus obtained initially "endless” wax fiber preform is by means of a separator 3 to the desired lengths cut to length.
  • Fig. 2 shows some examples of different cross sections such preform 2. Profiles can be made in this way with a high packing density of the fibers as well as profiles with high section modulus and combinations thereof realize.
  • Fig. 2 is also a flat Preform 7 shown, which e.g. created in the form of a fabric can be.
  • Fig. 3 shows an embodiment of a half 8 of a injection mold consisting of two halves.
  • a pre-body 2 inserted around which a model 9 is built.
  • the preform 2 protrudes both ends beyond the model 9.
  • the preform 2 overmolded with model wax through an injection channel 10 and so that the model contour is filled.
  • Fig. 4 shows an embodiment of a half 12 of a Injection mold, with the inserted preform 2 not emerge from the model body.
  • winding devices for inserting the preform 2 in reproducible model positions in the injection mold can be used winding devices. After Closing the injection mold also becomes model wax here injected, which surrounds the preform (s), so that a model is formed.
  • Fig. 5 shows a finished model with exiting from it exposed fiber ends. These ends are used for fixation the fibers 1 in an investment casting shell.
  • the exposed Lots of fibers are through at Investment casting molds used ceramic slip and sanding material surround and thus firmly in the emerging Form shell anchored.
  • the model material is then melted, burned out, gasified or triggered. When the metal is introduced, it can be placed in the molded shell anchored fibers no longer from their specified, desired Position can be moved out.
  • FIG. 6 finally shows the model according to FIG. 5 in one formed from ceramic slip and sanding material Investment casting shell.

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Feingußteilen wird aus Fasern und einem Modellwerkstoff mindestens ein Modell-Vorkörper erzeugt, der Bestandteil eines Modells oder das Modell selbst wird. Dann wird um das Modell herum eine keramische Form aufgebaut. Anschließend wird der Modellwerkstoff entfernt und schließlich Metall flüssig, flüssig-fest oder pulverförmig in die Form eingebracht, wobei im Falle einer pulverförmigen Einbringung das Metall in der Form zumindest teilweise verflüssigt wird. Mit diesem Verfahren können Feingußteile erhöhter Festigkeit bei relativ geringem gießtechnischen Aufwand hergestellt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Feingußteilen gemäß dem einleitenden Teil von Anspruch 1.
Es ist ein Verfahren zur Herstellung von Feingußteilen bekannt, bei dem unter Verwendung eines Modellwerkstoffs ein Modell gebildet, dann um das Modell herum eine keramische Form aufgebaut, anschließend der Modellwerkstoff ausgeschmolzen, ausgebrannt und/oder vergast und schließlich flüssiges Metall in die Form eingebracht wird.
Nach einem derartigen Verfahren lassen sich Feingußteile sehr komplexer Geometrie herstellen. Aufgrund einer solchen Geometrie und aufgrund der Tatsache, daß die nach diesem Verfahren gebildete keramische Form nur relativ niedrigen Drücken beim Einbringen des flüssigen Metalls in die Form standhält, wird bei diesem Verfahren die Verwendung von Verstärkungsfasern, also die Herstellung von Faserverbund-Feingußteilen, noch nicht praktiziert.
Aus EP-A-0 071 449 ist ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Feingußteilen bekannt. Dabei wird um einen Modell-Vorkörper, der aus in einem "flüchtigen" Matrix-Material (Modellwerkstoff) eingebetteten Fasern besteht, eine keramische Form aufgebaut, die mit einer gasdichten Schicht versehen ist (applying a coating of a ceramic sealant", Zeilen 24 und 15 von Anspruch 1 von EP-A-0 071 449). Die keramische Form ist mit einem Einlaß und mit einem Auslaß versehen. Nach dem Verflüchtigen des Modellwerkstoffs wird über den Einlaß das flüssige Metall eingebracht, wobei durch Erzeugen eines Unterdrucks am Auslaß ein Druckgefälle innerhalb der keramischen Form aufgebaut wird. Infolge dieses Druckgefälles soll das Fasermaterial mit dem flüssigen Metall durchsetzt werden. Damit dies auch tatsächlich erfolgt, muß das Fasermaterial zwischen dem Einlaß und dem Auslaß angeordnet sein, so daß die keramische Form in zwei Halbräume unterteilt ist, wobei in den einen der Einlaß und in den anderen der Auslaß einmündet. Es muß nämlich vermieden werden, daß eine ("Bypass-")Verbindung zwischen Einlaß und Auslaß entsteht, die sich ausschließlich nicht durch das Fasermaterial erstreckt und/oder an dem Fasermaterial vorbeiführt. Andernfalls würde nämlich eine Infiltration des Fasermaterials mit dem flüssigen Metall nicht oder nur unzureichend und lediglich bereichsweise erfolgen. Das Fasermaterial muß also derart in der Form angeordnet und darüber hinaus diese Form derart ausgebildet sein, daß sich der (einzige) Auslaß an der dem Einlaß abgewandten Seite des Fasermaterials befindet. Diese Erfordernisse der Abschottung des Auslasses gegenüber dem Einlaß durch das dazwischen befindliche Fasermaterial schränken die Gestaltungsmöglichkeiten der nach dem bekannten Verfahren herstellbaren Feingußteile recht stark ein.
Aus DE-A-15 08 655 ist es bekannt, ein vergasbares Gießmodell aus aufgeschäumtem Kunststoff zum Schutz der Oberfläche mit einem Überzug zu versehen, der als ein aus einem anorganischen hitzebeständigen Fasermaterial bestehenden Gewebe besteht. Dieser Überzug weist eine Gießöffnung auf, über die nach dem Vergasen des Gießmodells flüssiges Metall in den vom Überzug umschlossenen Raum eingebracht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Feingußteilen zu schaffen, mit dem sich Feingußteile unterschiedlicher komplexer Gestalt herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Aus einem Modellwerkstoff und aus in diesen eingebetteten Fasern wird mindestens ein Modell-Vorkörper erzeugt, der Bestandteil eines Modells oder das Modell selbst wird; dann wird um das Modell herum eine gasdurchlässige keramische Form aufgebaut, anschließend der Modellwerkstoff entfernt, wobei die Fasern des Modell-Vorkörpers in der keramischen Form verbleiben; schließlich wird Metall flüssig, flüssig-fest oder pulverförmig in die Form eingebracht, wobei im Falle einer pulverförmigen Einbringung das Metall in der Form zumindest teilweise verflüssigt wird. Ein solcher Vorkörper bietet weitreichende Gestaltungsfreiheit. Der Vorkörper kann also dem zu erzeugenden Gußteil leicht angepaßt werden. Damit kann der Faserverlauf und die damit bezweckte Materialverstärkung im Gußteil plaziert an den gewünschten Stellen erreicht werden. Die Gasdurchlässigkeit der Form und das Druckgefälle zwischen dem Inneren und der Umgebung der Form gewährleisten das vollständige Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Fasern mit Metall.
Durch Pressen und/oder Saugen werden die Zwischenräume zwischen den Fasern mit flüssigem Metall vollständig ausgefüllt. Das Pressen erfolgt durch Druckeinwirkung auf das in der Form befindliche flüssige Metall, das Saugen dadurch, daß die gasdurchlässige Form in einen Behälter eingesetzt wird, in dem Unterdruck herrscht.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß als Fasern Mineralfasern verwendet werden. Dabei kann es sich um Al2O3- oder SiC-Fasern handeln, die z.B. 10 µm dick sind. Der Umgang mit derartigen Fasern kann eine Gesundheitsgefährdung darstellen, wenn diese Fasern freiliegen. Nach dem vorliegenden Verfahren ist es aber möglich, derartige Fasern maschinell zu Vorkörpern zu verarbeiten. Beim Handling dieser Vorkörper sind diese Fasern aber dann von dem Modellwerkstoff eingeschlossen und demzufolge nicht mehr gesundheitsgefährdend.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Fasern in Form eines Bündels von Monofilamenten oder Multifilamenten oder als Gewebe, Vliese oder Gelege oder als Faservorformlinge mit Bindebrücken verwendet werden. Die Auswahl aus den hier gegebenen Möglichkeiten kann nach den jeweiligen Formen und Erfordernissen des zu erstellenden Gußteils getroffen werden.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß als Modellwerkstoff Wachs verwendet wird. Dieser Modellwerkstoff ist der am häufigsten angewandte und in der Regel am einfachsten zu behandelnde. Für seine Entfernung aus der Form ist nur ein relativ niedriger Energieaufwand erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß als Modellwerkstoff Kunststoffharz verwendet wird. Aufgrund der ausgewählten Fasern und auch im Hinblick auf die jeweilige Raumform kann dieser Modellwerkstoff für spezielle Anwendungen besonders geeignet sein.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Vorkörper an den Enden oder Rändern von dem Modellwerkstoff befreit wird und die somit freiliegenden Faserpartien beim Aufbau der keramischen Form in diese fixiert eingebettet werden. Auf diese Weise kann der Vorkörper besonders exakt in der Form und damit in dem zu erstellenden Gußteil plaziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß der Vorkörper durch entsprechende Formung den Erfordernissen hinsichtlich Geometrie und Belastung des herzustellenden Feingußteils angepaßt wird.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß das Modell allein aus mindestens einem Vorkörper gebildet wird. Der Vorkörper kann also schon unmittelbar die Form des zu erstellenden Gußteils einnehmen, braucht also nicht mehr durch das Aufbringen von Modellwerkstoff weitergebildet zu werden. Ein solches Vorgehen bietet insbesondere bei einfachen Formen Vorteile.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß ein oder mehrere Vorkörper zum Zwecke des Aufbaus eines Modells mit Modellwerkstoff umgeben werden. Auch auf diese Weise läßt sich eine ausreichend präzise Plazierung des bzw. der Vorkörper in dem Modell herbeiführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert für die genaue Plazierung der Fasern keine bleibende Bindung in Form von Binderbrücken oder dergl. zwischen den Fasern, wie dies bisher bei der Verwendung von Preforms bekannt ist. Dort behindern derartige Binderbrücken der Preforms die Metallinfiltration. Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann auf derartige Binderbrücken deshalb verzichtet werden, weil die Fasern in dem Vorkörper solange von dem Modellwerkstoff gehalten werden, bis der Formhohlraum geschlossen ist und dann der Modellwerkstoff entfernt wird.
Im folgenden Teil der Beschreibung werden einige Ausführungsformen des erfindunggemäßen Verfahrens anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1
eine Vorrichtung zur Herstellung von stab- oder blockförmigen Vorkörpern,
Fig. 2
Beispiele von Querschnitten derartiger Formkörper,
Fig. 3
ein Ausführungsbeispiel einer Hälfte eines Spritzgießwerkzeuges mit eingelegtem Vorkörper in Draufsicht und Seitenansicht,
Fig. 4
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Hälfte eines Spritzwerkzeugs mit eingelegtem Vorkörper,
Fig. 5
ein fertiges Modell mit an den Enden freiliegenden Faserpartien und
Fig. 6
das Modell nach Fig. 5 eingebettet in eine Formschale.
In Fig. 1 ist schematisch dargestellt, wie aus "endlosen" Fasern 1 auf die gewünschte Länge zugeschnittene strangförmige Vorkörper 2 gebildet werden. Zu diesem Zwecke werden mehrere Fasern 1 mittels Rollen durch ein beheiztes Wachsbad 4 hindurchgeführt und dort mit Wachs imprägniert, so daß alle einzelnen Fasern 1 mit Wachs benetzt sind. Der so imprägnierte Wachs-Faserstrang wird in einer beheizten Matrize 5 zu dem gewünschten Querschnitt geformt und in einer nachfolgenden Kühleinrichtung 6 verfestigt. Der somit erhaltene, zunächst "endlose" Wachs-Faser-Vorkörper wird mittels einer Trennvorrichtung 3 auf die gewünschten Längen abgelängt.
Fig. 2 zeigt einige Beispiele verschiedener Querschnitte derartiger Vorkörper 2. Es lassen sich auf diese Weise Profile mit einer großen Packungsdichte der Fasern sowie Profile mit hohem Widerstandsmoment und Kombinationen daraus realisieren. In Fig. 2 ist ferner ein flächig ausgebildeter Vorkörper 7 dargestellt, der z.B. in Form eines Gewebes erstellt werden kann.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Hälfte 8 eines aus zwei Hälften bestehenden Spritzgießwerkzeuges. In dieser Hälfte 8 ist ein Vorkörper 2 eingelegt, um den herum ein Modell 9 aufgebaut ist. Dabei ragt der Vorkörper 2 an seinen beiden Enden über das Modell 9 hinaus. Nach dem Zusammensetzen des Spritzgießwerkzeuges wird der Vorkörper 2 durch einen Einspritzkanal 10 mit Modellwachs umspritzt und damit die Modellkontur ausgefüllt.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Hälfte 12 eines Spritzgießwerkzeuges, bei dem eingelegte Vorkörper 2 nicht aus dem Modellkörper austreten. Zum Einlegen der Vorkörper 2 in reproduzierbare Modellpositionen im Spritzgießwerkzeug können Wickelvorrichtungen eingesetzt werden. Nach Schließen des Spritzgießwerkzeuges wird auch hier Modellwachs eingespritzt, das den bzw. die Vorkörper umschließt, so daß ein Modell gebildet wird.
Fig. 5 zeigt ein fertiges Modell mit aus diesem austretenden freigelegten Faserenden. Diese Enden dienen zur Fixierung der Fasern 1 in einer Feingußformschale. Die freigelegten Faserpartien werden durch bei der Feingußformschalenherstellung verwendeten Keramikschlicker und Besandungsmaterial umgeben und somit fest in der entstehenden Formschale verankert. Der Modellwerkstoff wird dann ausgeschmolzen, ausgebrannt, vergast oder ausgelöst. Beim Einbringen des Metalls können die so in der Formschale verankerten Fasern nicht mehr aus ihrer vorgegebenen, gewünschten Position herausbewegt werden.
Fig. 6 schließlich zeigt das Modell gemäß Fig. 5 in einer aus Keramikschlicker und Besandungsmaterial gebildeten Feingußformschale.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Feingußteilen, wobei
    aus einem Modellwerkstoff und aus in diesem eingebetteten Fasern mindestens ein Modell-Vorkörper erzeugt wird, der Bestandteil eines Modells oder das Modell selbst wird,
    dann um das Modell herum eine keramische Form aufgebaut wird,
    anschließend der Modellwerkstoff ausgeschmolzen, ausgebrannt und/oder vergast wird, wobei die Fasern des Modell-Vorkörpers in der keramischen Form verbleiben, und
    schließlich flüssiges Metall in die Form eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die um das Modell herum aufgebaute Form gasdurchlässig ist und der Druck in der Formumgebung unter den Druck im Innern der Form abgesenkt oder der Druck im Innern der Form über den Druck in der Formumgebung erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasern Mineralfasern verwendet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in Form eines Bündels von Monofilamenten oder Multifilamenten oder als Gewebe, Vliese oder Gelege oder als Faservorformlinge mit Binderbrücken verwendet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Modellwerkstoff Wachs verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Modellwerkstoff Kunststoffharz verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkörper an den Enden oder Rändern von dem Modellwerkstoff befreit wird und die somit freiliegenden Faserpartien beim Aufbau der keramischen Form in diese fixiert eingebettet werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkörper durch entsprechende Formung den Erfordernissen hinsichtlich Geometrie und Belastung des herzustellenden Feingußteiles angepaßt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell allein aus mindestens einem Vorkörper gebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Vorkörper zum Zwecke des Aufbaus eines Modells mit Modellwerkstoff umgeben werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdurchlässige keramische Form in einen Behälter eingesetzt wird, in dem ein Unterdruck erzeugt wird.
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