EP1645348B1 - Verfahren und System zum Herstellen einer Schalenform insbesondere für das Feingießen - Google Patents

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EP1645348B1
EP1645348B1 EP05020677A EP05020677A EP1645348B1 EP 1645348 B1 EP1645348 B1 EP 1645348B1 EP 05020677 A EP05020677 A EP 05020677A EP 05020677 A EP05020677 A EP 05020677A EP 1645348 B1 EP1645348 B1 EP 1645348B1
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EP
European Patent Office
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drying
layer
pattern
approximately
temperature
Prior art date
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EP05020677A
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English (en)
French (fr)
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EP1645348A1 (de
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Michael Kügelgen
Wolfram Weihnacht
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MK Technology GmbH
Original Assignee
MK Technology GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C13/00—Moulding machines for making moulds or cores of particular shapes
    • B22C13/08—Moulding machines for making moulds or cores of particular shapes for shell moulds or shell cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/12—Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening

Definitions

  • the invention relates to the field of manufacturing molds.
  • the invention relates to the manufacture of shell molds by applying one or more layers to a previously made model.
  • ceramic shell molds are often used. These shell shapes are created by applying one or more layers to a model of the later casting.
  • the individual layers applied to the model contain a slip as well as a sand-based, usually granular, material applied to the slip.
  • a sand-based, usually granular, material applied to the slip In the first applied to the model layer can be dispensed with the addition of the granular material.
  • the model can be removed.
  • the successive application of the individual layers gradually creates a shell surrounding the model.
  • the model is removed from the shell and the shell is then fired.
  • the removal of the model from the shell can be done in different ways. For example, if it is a wax model, it will be removed by smelting. On the other hand, if the model is made of a thermoplastic, the plastic must be burned out of the shell.
  • the drying of the individual layers applied to the model conventionally takes place at room temperature, care being taken that the water contained in a newly applied layer is removed rapidly but not spontaneously. Usually, the drying is done at about 21 to 23 ° C and at a relative humidity of more than about 40%. To shorten the drying process It is recommended to expose the respective layer to be dried to an air flow. The air flow supports the removal of the evaporating moisture.
  • a disadvantage of the conventional drying methods is the comparatively long drying time of usually three to more than ten hours per shift. The reason for this is also the low diffusion gradient within the last applied layer. Even with a greatly extended drying time, the residual moisture in the applied layers can not be reduced arbitrarily. Especially in the deeper zones of the last applied layer, the remaining moisture tends to diffuse back into the adjacent, supposedly dried layer than to evaporate.
  • the drying time of a single layer is often too long. This leads, in particular in the case of multilayered shells, to the fact that it is almost impossible to produce a cast-ready shell mold in a single day. This may be acceptable in industrial applications where shell molds are produced continuously, but a variety of other applications, such as the production of prototypes, may make it desirable to reduce the manufacturing life of a single shell mold.
  • the EP 0 009 669 A1 and Patent Abstracts of Japan, Vol. 015, No. 018, February 25, 1991 & JP 02-303 650 A describe a layer-by-layer drying of a shell mold constructed from slurry layers by means of microwave energy.
  • the EP 0 009 669 A1 In addition, during exposure to microwave energy or after, to cool the shell and model so as not to melt the model.
  • the FR 1410 652 describes the layered structure of a porous cast body skeleton made of synthetic resin by layer-wise drying with infrared lamps.
  • the cast body skeleton has only a stability sufficient to handle the casting skeleton in the following process steps.
  • the model is released from the casting skeleton by water. Subsequently, the pores in the casting skeleton are closed with methyl silicate. Thereafter, the mold is exposed to water vapor and fired in an oven at 800 ° C for 4 hours.
  • the US 2,652,609 discloses a method of manufacturing molds in which a wax model is wetted with an aqueous solution of refractory material and a binder.
  • the model is placed in a vacuum chamber, with the vacuum chamber, including the model, being infused with the aqueous solution and the binder.
  • the mold is then dried for 12 to 30 hours.
  • the model wax is removed from the mold with the help of infrared lamps. Subsequently, the mold is heated in an oven to a temperature between 870 ° C and 1000 ° C, at which the remainders of the wax are removed and the casting material is dried.
  • the invention has for its object to provide a method and a system for faster production of a shell mold.
  • a method of manufacturing a shell mold comprising the steps of providing a model, forming a shell surrounding the model by applying at least one aqueous layer to the model and laminating at least one drying process and the removal of the model from the shell, wherein the drying process is supported by infrared light irradiation and can be performed above a temperature of 25 ° C.
  • the layer applied to the model may be a layer containing a refractory slip.
  • the layer may further include a refractory granular material.
  • at least the first layer applied directly to the model does not contain any granular material.
  • the slurry may contain a refractory, liquid binder such as an aqueous silica sol. Further, the slurry may comprise a refractory flour.
  • each individual layer is subjected to a drying process according to the invention.
  • individual layers are either not (or at least not completely) dried or dried at a temperature of 25 ° C or below and / or without infrared light irradiation.
  • the drying process of a single layer may proceed at a substantially constant temperature or at a variable temperature.
  • the drying process may be carried out at a temperature above 28 ° C or above 30 ° C and conveniently in a temperature range up to approximately 45 ° C. Preferred is a temperature range of about 36 ° C to about 42 ° C.
  • the (maximum) drying temperature can change from layer to layer.
  • the maximum drying temperature can increase substantially from layer to layer. Due to the cooling associated with the evaporation of the moisture, it is possible to choose the maximum drying temperature (ambient temperature) during the drying process above a temperature at which the model could lose its dimensional stability.
  • the maximum drying temperature may be at least about 5 ° C (preferably at least about 8 ° C or 10 ° C) above the temperature at which a reduction in the stability of the model could begin.
  • a relative rotation between the coated model and at least one infrared light source can take place. This relative rotation occurs, for example, at a speed between 0.5 and 8 U / min, preferably between 1.5 and 4 U / min.
  • the drying process can be assisted by a flow of a gaseous medium such as air.
  • the flow rate of the gaseous medium is, for example, about 0.5 to about 8 m / s, and preferably between about 1 and about 5 m / s.
  • the drying process can be further assisted by the ambient humidity being less than 35% or less than 30%. According to a preferred variant of the invention, the room humidity is less than about 20% or less than about 10%.
  • the inventive method allows a shortening of the drying time.
  • the drying process for a single layer may be less than one hour, preferably about 25 to 45 minutes.
  • the drying time for at least some of the layers applied after the first layer can be varied.
  • the drying time of the second and / or the third layer and / or the fourth layer can be selected to be longer than the drying time of the other layers and in particular the subsequent layers.
  • the drying time can be adjusted depending on a desired degree of drying.
  • several layers are applied to the model and the individual drying process is carried out in each case until a complete drying of the last applied layer has been achieved. Complete drying can be assumed, for example, if the residual moisture of a layer is less than about 60% and preferably between about 55 and about 40%.
  • individual, several or all layers are only partially dried.
  • the model used to make the shell may be made of different materials (e.g., wax or a thermoplastic such as ABS).
  • the melted out of the dried shell may be at a temperature greater than about 140 °, preferably about 150 °.
  • the inventive method is suitable for a variety of different applications.
  • the method is particularly suitable for prototype production by means of investment casting (ie for the production of individual or fewer castings) due to the short drying time.
  • the method is also suitable for industrial batch processes (e.g., using a conveyor constructed as a chain conveyor).
  • the invention also includes a system for producing a shell mold.
  • the system includes a desiltering device for applying a slurry layer to a model, and a drying device for drying the slurry layer applied to the model, the drying device comprising a drying chamber and at least one infrared light source disposed in the drying chamber, wherein the drying chamber is at a temperature greater than 25 ° C is adjustable.
  • a suitable regulating or control device can be present which ensures that the desired drying temperature or the desired drying temperature profile and the further drying temperature (for example program-controlled) are maintained.
  • the heat energy required to achieve the drying temperature can be supplied by the infrared light source.
  • the infrared light source as Heating device for the drying gas (eg air) act.
  • the energy consumption of the infrared light source can be controlled in a suitable manner.
  • the cooling device can be designed such that it allows the supply of a cooling gas into the drying chamber. It would also be conceivable to provide an additional heating device separately from the infrared light source.
  • the system may include means for rotating the coated model with respect to the at least one infrared light source. Such a relative rotation between the coated model and the infrared light source ensures a more uniform surface heating and therefore improves the coating quality.
  • a sanding device may be present for dressing the slip layer applied to the model. The sanding device is adapted to apply granular material (not necessarily sand) to the slurry layer in a manner known per se.
  • a transport device that moves the model between the desaturation device and the drying device (in the case of multi-layered construction back and forth) may be provided.
  • the transport device can further ensure transport of the model to and from the sanding device.
  • the transport direction is selected such that the desaturation device in front of the sanding device and the sanding device in front of the drying device.
  • FIGS. 1 to 5 an inventive system 10 for producing shell molds explained. Following this, the method according to the invention will be explained by means of various examples and compared with a comparative example.
  • FIGS. 1 and 2 show schematically the system 10 according to the invention for the automated production of shell molds.
  • the system 10 allows the execution of the relevant process steps trickling, sanding and drying.
  • a sanding device 12 a precipitating device 14 and a drying device 16 are provided.
  • the system 10 comprises a transport device 18 for a model 20.
  • the model 20 is still uncoated or already provided with one or more layers.
  • the model 20 is shown in FIG. 1 simultaneously in four different process states, namely within the sanding device 20, within the desiltering device 14, within the drying device 16, and in a transport state.
  • the model 20 will only be in one of these four states shown in FIG.
  • the system 10 is designed for rapid prototyping and not for industrial batch processes.
  • the system 10 could be configured by multiple provision of the individual devices 12, 14 and 16 and corresponding redesign of the transport device 18 (eg as a chain conveyor) for batch processes.
  • the sanding device 12 is designed as a sand drum, in which sand or another granular material is scattered on the rotating model 20 provided with a slip layer.
  • the exemplary embodiment is a slurry barrel which is filled with a suitable slip.
  • the model 20 can be immersed in the slurry barrel 14 by means of the transport device 18 and rotated therein.
  • a model 20 received by the transport device 18 can optionally be supplied to the slurry drum 14, the sand drum 12 or the drying device 16.
  • the transport device 18 itself comprises a take-up head 22 for the model 20 which is movable along an x-axis and y-axis.
  • the take-up head 22 is rotatable about two mutually perpendicular axes, as indicated by the arrows 24, 26 in FIG.
  • the model 20 is first immersed in the slurry drum 14 and the sprayed model 20 is then either dried directly in the drying device 16 (in particular if it is the first slip layer) or first sanded in the sand drum 12 and only then then transferred to the drying device 16.
  • the drying device 16 is shown in FIGS. 3 to 5 shown in different views.
  • the drying device 16 comprises a drying chamber 30.
  • a plurality of arranged in a plurality of opposing rows of fans 32 and a plurality of infrared light sources 34 are arranged.
  • the fans 32 cause an air circulation and lead to an air flow assisting the drying process.
  • Fig. 4 it can be clearly seen that the fans accelerate the air tangentially with respect to an imaginary, cylindrical body 36.
  • the heat energy generated by the infrared light sources 34 leads to a heating of the air circulating in the drying chamber 30.
  • the infrared light sources 34 therefore function as heaters. For uniform surface heating of the coated model 20 by the infrared light sources 34, the model 20 is continuously rotated within the drying chamber 30.
  • the drying device 16 further includes an air conditioner 38 for intake air cooling.
  • the air conditioner 38 emits warm exhaust air and leads an air dryer 40 cooling air.
  • This situation is illustrated by two arrows.
  • the one on one Absorption drying principle based air dryer 40 introduces dry supply air into the drying chamber 30 and gives off moist exhaust air to the environment. This situation is also indicated by two arrows.
  • a main circuit 46 is formed within the drying chamber 30, which is essentially due to the constant air circulation caused by the fans 32.
  • a secondary circuit 48 which includes the air dryer 40.
  • a mixing chamber 50 there is a thorough mixing of the main circuit 46 and the secondary circuit 48.
  • This mixing ensures a reduction in moisture of the air in the main circuit 46, since moist air from the main circuit 46 enters the secondary circuit 48 and from there into the air dryer 40. Further, the mixing causes a cooling of the air in the main circuit 46, since the air dryer 40 from the air conditioner 38 continuously cooled air is supplied, which feeds the air dryer 40 in the secondary circuit 48.
  • the air conditioner 38 is controlled such that the desired drying temperature is set in the drying chamber 30.
  • the air conditioner 38 therefore counteracts the return to the infrared light sources 34 heating the drying air.
  • a separate heater may be provided (eg, the air conditioner 38 could also be configured to supply warm air to the air dryer 40).
  • the air conditioner 38 different from the Fign. 3 to 5 (additionally or exclusively) communicate with the mixing chamber 50.
  • the air conditioner 38 (and to some extent the air dryer 40) thus allows adjustment of a desired drying temperature.
  • the air conditioner 38 and the air dryer 40 may be coupled to a suitable control or regulating device (not shown), which program-controlled influence on the prevailing in the drying chamber 30 drying parameters.
  • the infrared sources 34 serving additional surfaces of the model 20 in addition to the air heating and the surface heating.
  • the infrared light sources 34 may be arranged in (two or more) opposite rows with respect to the model 20 so as to emit the infrared radiation substantially perpendicular to the model 20.
  • the wax model used had a cubic shape in which a blind hole with a diameter of 20 mm and a depth of 20 mm was formed. Inside this blind hole, the surface temperature and humidity surface values listed in the tables below were measured during the drying process.
  • a first model grape was provided with a total of six layers (or - in a dried state - coatings), wherein the first layer was not sanded. Each individual layer was completely dried in a separate drying process. The individual drying operations were carried out at a flow rate of about 1.5 m / s under constant irradiation with infrared light. The maximum drying temperature has gradually increased from layer to layer. A drying process was considered complete when the measured residual moisture on the surface was less than about 55%. During the drying process, the sample was rotated at a rate of about 2.5 rpm with respect to the infrared light sources. The humidity in the drying chamber was gradually reduced. Care was taken that the humidity was always less than about 20% whenever possible and the temperature was always above about 30 ° C.
  • the total process time as well as the individual drying parameters and surface conditions per layer during one of the initial experiments (with still comparatively high humidity in the drying chamber) can be found in the following table.
  • the drying parameters and surface conditions were measured two to five times per drying process.
  • the total processing time of all six layers was 3 hours and 35 minutes in total.
  • the pure drying time was about 3 hours and 15 minutes.
  • the first layer (without sand) was dried for 10 minutes, the second layer having reached a surface residual moisture of approximately less than 55% after approximately 20 minutes.
  • the corresponding drying time for the third layer was about 30 minutes, about 58 minutes for the fourth layer, about 45 minutes for the fifth layer, and about 30 minutes for the sixth layer.
  • the thickness structure of the first ceramic mold sample is shown in the following table: Status dimension Dick growth wax model 35.0 mm 0 mm Cover without sand 35.5 mm 0.25 mm 2nd coating 37.0 mm 0.75 mm 3rd coating 39.0 mm 1.0 mm 4th coating 40.5 mm 0.75 mm 5. coating 42.0 mm 0.75 mm 6. coating 44.0 mm 1.0 mm
  • the slip / sanding composition used had an average layer buildup of 0.8 mm per coating.
  • the table below shows the drying parameters and surface conditions for another seven-coating ceramic sample.
  • the prevailing in the drying chamber flow rate was about 1.5 to 2.0 m / s.
  • a ceramic mold sample prepared in parallel under conventional drying conditions was completely destroyed by cracks under the selected melting conditions.
  • the comparative sample was prepared in the same manner as the above ceramic molds by repeated precipitation, sanding and drying. However, drying was carried out under conventional drying conditions (no drying chamber was used) and without red-light irradiation but with accelerated ambient air (1.5 m / s).
  • the strength of the samples according to the invention is also clearly superior to the strength of conventional samples.
  • test strips according to the invention were subjected (partly simultaneously with model screws) to a drying process in the drying chamber at a temperature of about 40 ° C., an air humidity of about 5 to 10% and a drying time of about 30 minutes. During the drying process the strips were irradiated with infrared light.
  • the conventional test strips on the other hand, were dried at room temperature and at a relative humidity of about 50%. Each layer was dried until the surface moisture was less than 60% (typically many hours to one day). Subsequently, all test strips were subjected to a bending test. Here the strength tester 7/18 of the company Feinmechanik Ralf Kögel was used.
  • Fig. 6 shows the experimental protocol of the test strips dried in accordance with the invention
  • Fig. 7 shows the test protocol for conventional test strips (two green bodies and two fired samples were tested and the test strips were baked for one hour at 950 ° C).
  • a comparison of the respective characteristics clearly shows that the load capacity of the samples according to the invention, at least in the fired state, exceeds the load capacity of the conventionally dried samples by almost 50%.
  • the green compacts dried according to the invention also show a significantly higher load-bearing capacity than the green compacts dried in a conventional manner.
  • the advantages of the invention are probably due to the fact that at higher drying temperatures, the ion exchange is intensified on the surface of the binder colloids, which allows a strong irreversible binding of these colloids with each other. Furthermore, the intensive, surface-related drying by the infrared light irradiation leads to a stronger diffusion gradient within the applied slurry layer and thus to an accelerated drying. The effect of evaporative cooling can increase the drying temperature, even beyond the temperature at which the model used would lose its stability. This also allows accelerated drying.
  • each coating layer undergoes complete drying to produce an irreversible colloid bond.
  • the desired final strength of the entire shell is reached immediately after the end of drying of the last layer. In other words, it is no longer absolutely necessary to wait until the last layer has dried to allow the model to be melted / burned out and the ceramic mold to be fired.
  • this finding does not preclude, in certain cases, a final, longer final drying.
  • the first layer with sanding (usually the second layer applied to the model) dries relatively quickly (about 20 minutes), but the first or the second subsequent layer has an above-average length (to to 60 min) needed to dry completely.
  • the subsequent layers have drying times of typically 30 to 35 minutes.
  • the residual moisture in the dipped layer often increases to over 80% at the beginning of drying, then stays at 65 to about 70% for about 2 to 10 minutes (typically about 5 minutes), almost spontaneously below 50, before the end of drying to be detected % bend.

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  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von Gießformen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung von Schalenformen durch Aufbringen einer oder mehrerer Schichten auf ein vorher angefertigtes Modell.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Bei Gießverfahren wie beispielsweise dem Feingießen (auch Investment Casting genannt) werden oftmals keramische Schalenformen eingesetzt. Diese Schalenformen entstehen durch das Aufbringen von einer oder mehreren Schichten auf ein Modell des späteren Gussteils. Die einzelnen, auf das Modell aufgebrachten Schichten enthalten einen Schlicker sowie ein auf den Schlicker aufgebrachtes, in der Regel körniges Material wie Sand. Bei der ersten auf das Modell aufgebrachten Schicht kann auf die Zugabe des körnigen Materials auch verzichtet werden. Im Anschluss an das Aufbringen einer Schicht wird diese getrocknet, bevor die nächste Schicht aufgebracht oder - nach Trocknen der letzten Schicht - das Modell entfernt werden kann. Durch das sukzessive Aufbringen der einzelnen Schichten entsteht allmählich eine das Modell umgebende Schale.
  • Nachdem die letzte Schicht aufgebracht wurde, wird das Modell aus der Schale entfernt und die Schale anschließend gebrannt. Das Entfernen des Modells aus der Schale kann auf unterschiedliche Art und Weise geschehen. Handelt es sich beispielsweise um ein Modell aus Wachs, wird dieses durch Ausschmelzen entfernt. Ist das Modell hingegen aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt, muss der Kunststoff aus der Schale ausgebrannt werden.
  • Das Trocknen der einzelnen, auf das Modell aufgebrachten Schichten erfolgt herkömmlicherweise bei Raumtemperatur, wobei darauf geachtet wird, dass das in einer neu aufgebrachten Schicht enthaltene Wasser zügig, aber nicht spontan entfernt wird. Meistens erfolgt die Trocknung bei ungefähr 21 bis 23° C und bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von mehr als ungefähr 40 %. Zur Verkürzung des Trocknungsvorganges wird empfohlen, die jeweils zu trocknende Schicht einer Luftströmung auszusetzen. Die Luftströmung unterstützt den Abtransport der abdunstenden Feuchtigkeit.
  • Nachteilig bei den herkömmlichen Trocknungsverfahren ist die vergleichsweise lange Trocknungsdauer von üblicherweise drei bis mehr als zehn Stunden pro Schicht. Ursache hierfür ist auch das geringe Diffusionsgefälle innerhalb der zuletzt aufgebrachten Schicht. Selbst bei stark verlängerter Trocknungsdauer lässt sich die Restfeuchtigkeit in den aufgebrachten Schichten nicht beliebig reduzieren. Besonders in den tieferen Zonen der zuletzt aufgebrachten Schicht neigt die verbleibende Feuchtigkeit eher dazu, in die angrenzende, vermeintlich abgetrocknete Schicht zurück zu diffundieren als abzudunsten.
  • Aus den genannten Gründen ist auch nach dem letzten Trocknungsvorgang stets eine gewisse Restfeuchtigkeit in der Schale enthalten. Diese Restfeuchtigkeit erschwert und beeinträchtigt die angestrebte irreversible Bindung der im Schlicker enthaltenen Kolloide. Zudem kann bei nur reversiblen Kolloidbindungungen Feuchtigkeit (z.B. aus der Umgebungsluft), die nach Abschluss des Trocknungsvorgangs einwirkt, den Verbund des Schalenaufbaus durch Lösen der reversiblen Bindungen stören.
  • Bei unzureichender irreversibler Kolloidbindung besteht beim Ausschmelzen oder beim Ausbrennen des Modells die Gefahr, dass das Material des Modells aufgrund seiner wärmeinduzierten Ausdehnung die Schale sprengt. Diese Gefahr ist umso stärker, je weniger die irreversible Kolloidbindung abgeschlossen ist. Zwar lässt sich diese Gefahr dadurch reduzieren, dass die Schalenform einem Temperaturschock (beispielsweise in einem Hochdruck-Dampfautoklaven) unterzogen wird. Der hierbei eingesetzte Wasserdampf bewirkt jedoch erneut eine Durchfeuchtung der Schalenform mit entsprechend negative Auswirkungen auf deren Festigkeit.
  • Zur Unterstützung des Trocknungsvorgangs wird in der GB 2 350 810 A vorgeschlagen, dem Schlicker wasserunlösliche organische Fasern beizumischen. Das Beimischen organischer Fasern wirkt sich positiv auf die Trocknungsdauer aus und gestattet zudem eine Reduzierung der Restfeuchtigkeit. Ursache für diese positiven Auswirkungen ist die Kapillarwirkung der beigemischten Fasern, welche den Abtransport und das Abdunsten der Feuchtigkeit unterstützt. Darüber hinaus bewirkt der Faserverbund einen gleichmäßigeren Schichtaufbau und gestattet eine Erhöhung der Schichtdicke.
  • Trotz der positiven Auswirkungen des Beimischens von organischen Fasern ist die Trocknungsdauer einer einzelnen Schichten oftmals noch zu lang. Dies führt insbesondere bei mehrschichtigen Schalen dazu, dass es fast unmöglich ist, an einem einzigen Tag eine gießfertige Schalenform herzustellen. Dies mag bei industriellen Anwendungen, bei denen kontinuierlich Schalenformen hergestellt werden, akzeptabel sein, eine Vielzahl anderer Anwendungen wie die Herstellung von Prototypen lassen es jedoch wünschenswert erscheinen, die Herstellungsdauer einer einzelnen Schalenform zu reduzieren.
  • Die EP 0 009 669 A1 und Patent Abstracts of Japan, Band 015, Nr. 018, 25. Februar 1991 & JP 02-303 650 A beschreiben ein schichtweises Trocknen einer aus Schlickerschichten aufgebauten Schalenform mittels Mikrowellenenergie. Die EP 0 009 669 A1 schlägt zusätzlich vor, während des Bestrahlens mit Mikrowellenenergie oder danach, die Schale und das Modell zu kühlen, damit das Modell nicht schmilzt.
  • Die FR 1410 652 beschreibt den schichtweisen Aufbau eines porösen Gusskörperskelettes aus Kunstharz durch schichtweise Trocknung mit Infrarotlampen. Das Gusskörperskelett weist lediglich eine Stabilität auf, die zur Handhabung des Gusskörperskelettes in den folgenden Verfahrensschritten ausreicht. Das Modell wird aus dem Gusskörperskelett durch Wasser gelöst. Anschließend werden die Poren in dem Gusskörperskelett mit Methylsilikat geschlossen. Danach wird die Gussform Wasserdampf ausgesetzt und in einem Ofen über 4 Stunden bei 800°C gebrannt.
  • Die US 2,652,609 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Gussformen, bei dem ein Wachsmodell mit einer wässrigen Lösung aus feuerfestem Material und einem Bindemittel benetzt wird. Das Modell wird in einer Vakuumkammer angeordnet, wobei die Vakuumkammer einschließlich des Modells mit der wässrigen Lösung und dem Bindemittel aufgegossen wird. Die Gussform wird anschließend 12 bis 30 Stunden getrocknet. Das Modellwachs wird mit Hilfe von Infrarotlampen aus der Gussform entfernt. Anschließend wird die Form in einem Ofen auf eine Temperatur zwischen 870°C und 1000°C erwärmt, bei der die Reste des Wachses entfernt werden und das Gussformmaterial getrocknet wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zum schnelleren Herstellen einer Schalenform anzugeben.
    • Kurzer Abriss der Erfindung
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein System gemäß Anspruch 20 gelöst. Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Schalenform (insbesondere für das Feingießen) zur Verfügung gestellt, das die Schritte des Bereitstellens eines Modells, des Ausbildens einer das Modell umgebenden Schale durch Aufbringen wenigstens einer wässrigen Schicht auf das Modell und durch schichtweises Durchführen wenigstens eines Trocknungsvorganges und des Entfernens des Modells aus der Schale umfasst, wobei der Trocknungsvorgang durch Infrarotlicht-Bestrahlung unterstützt wird und oberhalb einer Temperatur von 25° C durchgeführt werden kann.
  • Bei der auf das Modell aufgebrachten Schicht kann es sich um eine Schicht handeln, die einen feuerfesten Schlicker beinhaltet. Die Schicht kann ferner ein feuerfestes körniges Material enthalten. Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung enthält jedoch zumindest die erste, unmittelbar auf das Modell aufgebrachte Schicht kein körniges Material. Der Schlicker kann ein feuerfestes, flüssiges Bindemittel wie beispielsweise ein wässriges Kieselsol enthalten. Ferner kann der Schlicker ein feuerfestes Mehl umfassen.
  • Gemäß einer ersten Variante der Erfindung wird bei einem mehrschichtigen Schalenaufbau jede einzelne Schicht einem erfindungsgemäßen Trocknungsvorgang unterzogen. Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung werden einzelne Schichten entweder nicht (oder jedenfalls nicht vollständig) getrocknet oder aber bei einer Temperatur von 25° C oder darunter und/oder ohne Infrarotlicht-Bestrahlung getrocknet.
  • Der Trocknungsvorgang einer einzelnen Schicht kann bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur oder bei einer veränderlichen Temperatur ablaufen. Der Trocknungsvorgang kann bei einer Temperatur oberhalb 28° C oder oberhalb 30° C und zweckmäßigerweise in einem Temperaturbereich bis ungefähr 45° C durchgeführt werden. Bevorzugt ist ein Temperaturbereich von ungefähr 36° C bis ungefähr 42° C.
  • Werden mehrere Schichten auf das Modell aufgebracht, kann sich die (maximale) Trocknungstemperatur von Schicht zu Schicht ändern. So kann sich die maximale Trocknungstemperatur von Schicht zu Schicht im Wesentlichen erhöhen. Aufgrund der mit dem Abdunsten der Feuchtigkeit einhergehenden Abkühlung ist es möglich, die maximale Trocknungstemperatur (Umgebungstemperatur) während des Trocknungsvorganges oberhalb einer Temperatur zu wählen, bei der das Modell seine Formstabilität verlieren könnte. So kann die maximale Trocknungstemperatur mindestens ungefähr 5° C (vorzugsweise wenigstens ungefähr 8° C oder 10° C) oberhalb der Temperatur liegen, bei der eine Minderung der Stabilität des Modells einsetzen könnte.
  • Während des Trocknungsvorgangs kann eine Relativdrehung zwischen dem beschichteten Modell und wenigstens einer Infrarotlichtquelle erfolgen. Diese Relativdrehung geschieht beispielsweise bei einer Geschwindigkeit zwischen 0,5 und 8 U/min, vorzugsweise zwischen 1,5 und 4 U/min.
  • Des Weiteren kann der Trocknungsvorgang durch eine Strömung eines gasförmigen Mediums wie Luft unterstützt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums beträgt beispielsweise ungefähr 0,5 bis ungefähr 8 m/s und vorzugsweise zwischen ungefähr 1 und ungefähr 5 m/s. Der Trocknungsvorgang kann ferner dadurch unterstützt werden, dass die Umgebungsfeuchtigkeit weniger als 35 % oder weniger als 30 % beträgt. Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung beträgt die Raumfeuchtigkeit weniger als ungefähr 20 % oder weniger als ungefähr 10 %.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine Verkürzung der Trocknungsdauer. So kann der Trocknungsvorgang für eine einzelne Schicht weniger als eine Stunde, vorzugsweise ungefähr 25 bis 45 min betragen. Werden auf das Modell drei oder mehr Schichten aufgebracht, lässt sich die Trocknungsdauer für wenigstens einige der nach der ersten Schicht aufgebrachten Schichten variieren. So kann die Trocknungsdauer der zweiten und/oder der dritten Schicht und/oder der vierten Schicht länger gewählt werden als die Trocknungsdauer der anderen Schichten und insbesondere der darauffolgenden Schichten.
  • Die Trocknungsdauer kann in Abhängigkeit von einem angestrebten Trocknungsgrad eingestellt werden. Gemäß einer ersten Variante werden auf das Modell mehrere Schichten aufgebracht und der einzelne Trocknungsvorgang jeweils solange durchgeführt, bis eine vollständige Trocknung der zuletzt aufgebrachten Schicht erzielt wurde. Von einer vollständigen Trocknung kann beispielsweise dann ausgegangen werden, wenn die Restfeuchtigkeit einer Schicht weniger als ungefähr 60 % und vorzugsweise zwischen ungefähr 55 und ungefähr 40 % beträgt. Gemäß einer zweiten Variante werden einzelne, mehrere oder sämtliche Schichten nur teilweise getrocknet.
  • Das zur Schalenherstellung verwendete Modell kann aus unterschiedlichen Materialien (z.B. aus Wachs oder aus einem thermoplastischen Kunststoff wie ABS) bestehen. Bei einem Wachsmodell kann das Ausschmelzen aus der getrockneten Schale bei einer Temperatur von mehr als ungefähr 140°, vorzugsweise bei ungefähr 150°, erfolgen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für eine Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen. So ist das Verfahren aufgrund der kurzen Trocknungsdauer beispielsweise für die Prototypen-Herstellung mittels Feingießens (also für die Herstellung einzelner oder weniger Gussteile) besonders geeignet. Das Verfahren eignet sich jedoch auch für industrielle Batch-Prozesse (z.B. unter Verwendung einer als Kettenförderer ausgebildeten Transportvorrichtung).
  • Neben dem bereits erläuterten Verfahren umfasst die Erfindung auch ein System zum Herstellen einer Schalenform. Das System beinhaltet eine Beschlickerungsvorrichtung zum Aufbringen einer Schlickerschicht auf ein Modell sowie eine Trocknungsvorrichtung zum Trocknen der auf das Modell aufgebrachten Schlickerschicht, wobei die Trocknungsvorrichtung eine Trocknungskammer und wenigstens eine in der Trocknungskammer angeordnete Infrarotlichtquelle umfasst, wobei in der Trocknungskammer eine Temperatur von mehr als 25° C einstellbar ist. Zum Einstellen der Trocknungstemperatur kann eine geeignete Regel- oder Steuereinrichtung vorhanden sein, welche das Einhalten der gewünschten Trocknungstemperatur oder des gewünschten Trocknungstemperaturverlaufs sowie der weiteren Trocknungstemperatur (z.B. programmgesteuert) gewährleistet.
  • Die zum Erzielen der Trocknungstemperatur erforderliche Wärmeenergie kann von der Infrarotlichtquelle geliefert werden. In diesem Fall kann die Infrarotlichtquelle als Heizeinrichtung für das Trocknungsgas (z.B. Luft) fungieren. Zum Einstellen der gewünschten Trocknungstemperatur kann die Energieaufnahme der Infrarotlichtquelle in geeigneter Weise kontrolliert werden. Zusätzlich oder alternativ hierzu ist es denkbar, eine separate Kühleinrichtung vorzusehen. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass sie die Zufuhr eines kühlenden Gases in die Trocknungskammer ermöglicht. Auch wäre es denkbar, separat zur Infrarotlichtquelle eine zusätzliche Heizeinrichtung vorzusehen.
  • Das System kann eine Einrichtung zum Drehen des beschichteten Modells bezüglich der wenigstens einen Infrarotlichtquelle umfassen. Eine solche Relativdrehung zwischen beschichtetem Modell und der Infrarotlichtquelle gewährleistet eine gleichmäßigere Oberflächenerwärmung und verbessert daher die Schichtqualität. Ferner kann eine Besandungsvorrichtung zum Besanden der auf das Modell aufgebrachten Schlickerschicht vorhanden sein. Die Besandungsvorrichtung ist ausgebildet, um körniges Material (nicht notwendigerweise Sand) auf an und für sich bekannte Weise auf die Schlickerschicht aufzubringen.
  • Zur Automatisierung der Schalenform-Herstellung kann eine Transportvorrichtung, die das Modell zwischen der Beschlickerungsvorrichtung und der Trocknungsvorrichtung (bei mehrschichtigem Aufbau hin- und her) bewegt, vorgesehen sein. Die Transportvorrichtung kann ferner einen Transport des Modells zur bzw. von der Besandungsvorrichtung gewährleisten. Zweckmäßigerweise ist die Transportrichtung derart gewählt, dass die Beschlickerungsvorrichtung vor der Besandungsvorrichtung und die Besandungsvorrichtung vor der Trocknungsvorrichtung liegt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie aus den Figuren. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Systems zum Herstellen einer Schalenform;
    Fig. 2
    eine Aufsicht auf das System gemäß Fig. 1;
    Fig. 3
    eine Seitenansicht der Trocknungsvorrichtung des in den Fign. 1 und 2 dargestellten Systems;
    Fig. 4
    eine Frontalansicht der Trocknungsvorrichtung gemäß Fig. 3;
    Fig. 5
    eine Aufsicht auf die Trocknungsvorrichtung gemäß Fig. 3.;
    Fig. 6
    ein Protokoll eines Biegeversuchs bei einer auf erfindungsgemäße Weise getrockneten Keramikplatte; und
    Fig. 7
    ein Protokoll eines Biegeversuchs bei einer auf konventionelle Weise getrockneten Keramikplatte.
    Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
  • Nachfolgend wird zunächst unter Bezugnahme auf die Fign. 1 bis 5 ein erfindungsgemäßes System 10 zum Herstellen von Schalenformen erläutert. Im Anschluss daran wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand verschiedener Beispiele erklärt und einem Vergleichsbeispiel gegenübergestellt.
  • Die Fign. 1 und 2 zeigen schematisch das erfindungsgemäße System 10 zum automatisierten Herstellen von Schalenformen. Das System 10 gestattet das Durchführen der maßgeblichen Verfahrensschritte Beschlickerung, Besandung und Trocknung. Zu diesem Zweck sind eine Besandungsvorrichtung 12, eine Beschlickerungsvorrichtung 14 und eine Trocknungsvorrichtung 16 vorgesehen. Ferner umfasst das System 10 eine Transportvorrichtung 18 für ein Modell 20.
  • Für die Funktionsweise des Systems 10 spielt es keine Rolle, ob das Modell 20 noch unbeschichtet ist oder aber bereits mit einer oder mehreren Schichten versehen ist. Zu Veranschaulichungszwecken ist das Modell 20 in Fig. 1 gleichzeitig in vier verschiedenen Prozesszuständen dargestellt, nämlich innerhalb der Besandungsvorrichtung 20, innerhalb der Beschlickerungsvorrichtung 14, innerhalb der Trocknungsvorrichtung 16 sowie in einem Transportzustand. Bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Systems 10 wird sich das Modell 20 lediglich in einem dieser vier in Fig. 1 dargestellten Zustände befinden. Das System 10 ist nämlich zur raschen Prototypen-Fertigung ausgelegt, und nicht für industrielle Batch-Prozesse. Gleichwohl ließe sich das System 10 durch mehrfaches Vorsehen der einzelnen Vorrichtungen 12, 14 und 16 sowie entsprechende Umgestaltung der Transportvorrichtung 18 (z.B. als Kettenförderer) auch für Batch-Prozesse konfigurieren.
  • Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Besandungsvorrichtung 12 als Sandtrommel ausgebildet, in der Sand oder ein anderes körniges Material auf das mit einer Schlickerschicht versehene, rotierende Modell 20 gestreut wird. Bei der Beschlickerungsvorrichtung 14 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein Schlickerfass, das mit einem geeigneten Schlicker gefüllt ist. Das Modell 20 kann mittels der Transportvorrichtung 18 in das Schlickerfass 14 eingetaucht und darin gedreht werden.
  • Ein von der Transportvorrichtung 18 aufgenommenes Modell 20 kann wahlweise dem Schlickerfass 14, der Sandtrommel 12 oder der Trocknungsvorrichtung 16 zugeführt werden. Die Transportvorrichtung 18 selbst umfasst einen entlang einer x-Achse und y-Achse beweglichen Aufnahmekopf 22 für das Modell 20. Der Aufnahmekopf 22 ist um zwei senkrecht zueinander verlaufende Achsen, wie in Fig. 1 durch die Pfeile 24, 26 angedeutet, drehbar.
  • Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Systems 10 wird das Modell 20 zunächst in das Schlickerfass 14 getaucht und das beschlickerte Modell 20 danach entweder unmittelbar in der Trocknungsvorrichtung 16 getrocknet (insbesondere wenn es sich um die erste Schlickerlage handelt) oder aber zuerst in der Sandtrommel 12 besandet und erst anschließend in die Trocknungsvorrichtung 16 überführt.
  • Die Trocknungsvorrichtung 16 ist in den Fign. 3 bis 5 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Wie sich aus diesen Fign. ergibt, umfasst die Trocknungsvorrichtung 16 eine Trocknungskammer 30. In der Trocknungskammer 30 sind eine Vielzahl von in mehreren gegenüberliegenden Reihen angeordneten Ventilatoren 32 sowie mehrere Infrarotlichtquellen 34 angeordnet. Die Ventilatoren 32 bewirken eine Luftumwälzung und führen zu einer den Trocknungsvorgang unterstützenden Luftströmung. In Fig. 4 ist deutlich zu erkennen, dass die Ventilatoren die Luft tangential bezüglich eines imaginären, zylindrischen Körpers 36 beschleunigen. Die von den Infrarotlichtquellen 34 erzeugte Wärmeenergie führt zu einer Erwärmung der in der Trocknungskammer 30 zirkulierenden Luft. Die Infrarotlichtquellen 34 fungieren daher als Heizeinrichtungen. Zur gleichmäßigen Oberflächenerwärmung des beschichteten Modells 20 durch die Infrarotlichtquellen 34 wird das Modell 20 innerhalb der Trocknungskammer 30 fortlaufend gedreht.
  • Die Trocknungsvorrichtung 16 umfasst ferner ein Klimagerät 38 zur Ansaugluftkühlung. Das Klimagerät 38 gibt warme Abluft ab und führt einem Lufttrockner 40 Kühlluft zu. Dieser Sachverhalt ist durch zwei Pfeile verdeutlicht. Der auf einem Absorptionstrocknungsprinzip basierende Lufttrockner 40 führt trockene Zuluft in die Trocknungskammer 30 ein und gibt feuchte Abluft an die Umgebung ab. Auch dieser Sachverhalt ist durch zwei Pfeile angedeutet. Wie Fig. 5 zu entnehmen ist bildet sich innerhalb der Trocknungskammer 30 ein Hauptkreislauf 46 aus, der im Wesentlichen auf die durch die Ventilatoren 32 bewirkte ständige Luftumwälzung zurückzuführen ist. Ferner kommt es zu einem Nebenkreislauf 48, welcher den Lufttrockner 40 umfasst. In einer Mischkammer 50 kommt es zu einer Durchmischung des Hauptkreislaufes 46 und des Nebenkreislaufes 48. Diese Durchmischung gewährleistet eine Feuchtigkeitsreduzierung der Luft im Hauptkreislauf 46, da feuchte Luft aus dem Hauptkreislauf 46 in den Nebenkreislauf 48 und von dort in den Lufttrockner 40 gelangt. Ferner bewirkt die Durchmischung eine Abkühlung der Luft im Hauptkreislauf 46, da dem Lufttrockner 40 vom Klimagerät 38 fortlaufend gekühlte Luft zugeführt wird, die der Lufttrockner 40 in den Nebenkreislauf 48 einspeist.
  • Das Klimagerät 38 wird derart angesteuert, dass sich in der Trocknungskammer 30 die gewünschte Trocknungstemperatur einstellt. Das Klimagerät 38 wirkt daher der auf die Infrarotlichtquellen 34 zurückgehenden Erwärmung der Trocknungsluft entgegen. Erforderlichenfalls kann zusätzlich zu den Infrarotlichtquellen 34 eine separate Heizeinrichtung vorgesehen werden (beispielsweise könnte das Klimagerät 38 auch konfiguriert sein, um dem Lufttrockner 40 Warmluft zuzuführen). Auch kann das Klimagerät 38 abweichend von den Fign. 3 bis 5 (zusätzlich oder ausschließlich) mit der Mischkammer 50 kommunizieren. Das Klimagerät 38 (und in gewissem Umfang der Lufttrockner 40) gestattet somit eine Einstellung einer gewünschten Trocknungstemperatur. Zu diesem Zweck können das Klimagerät 38 und der Lufttrockner 40 mit einem geeigneten Steuer- oder Regelgerät (nicht dargestellt) gekoppelt sein, das programmgesteuert Einfluss auf die in der Trocknungskammer 30 herrschenden Trocknungsparameter nimmt.
  • An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die in den Fign. 3 bis 5 dargestellten Anordnungen der Ventilatoren 32 und der Infrarotlichtquellen 34 nur beispielhaft sind. So wäre es insbesondere denkbar, die neben der Lufterwärmung auch der Oberflächenerwärmung dienenden Infrarotquellen 34 auf zusätzlichen Seiten des Modells 20 anzuordnen. Beispielsweise können die Infrarotlichtquellen 34 in (zwei oder mehr) sich bezüglich des Modells 20 gegenüberliegenden Reihen angeordnet werden, so dass sie die Infrarotstrahlung im Wesentlichen senkrecht auf das Modell 20 abgeben.
  • Mittels des unter Bezugnahme auf die Fign. 1 bis 5 beschriebenen Systems wurden unter Verwendung von Wachsmodellen verschiedene Proben von Keramikformen hergestellt und getestet. Alle Proben wurden hergestellt unter Verwendung eines Schlickers, der eine Bindersuspension aus WEXCOAT der Firma Wex Chemicals, Greenford, London, England (mit einem SiO2-Anteil von 24 %), einen Anteil von 1 bis 5 % organischer Fasern von einer Länge von 1 mm und Molochite-Mehl (-200 mesh) enthielt. Die Viskosität des Schlickers betrug zunächst 41 s (gemessen mit dem WEX-Becher-Verfahren). Die Modelle wurden ungefähr 10 s in das Schlickerfass 14 eingetaucht und - abgesehen von der ersten Schicht - anschließend in der Sandtrommel 14 mit Molochite-Körnern (Durchmesser 0,3 bis 0,5 mm) besandet. Dann wurden die beschichteten Modelle schichtweise einem durch Infrarotlicht-Bestrahlung unterstützten Trocknungsvorgang in der Trocknungsvorrichtung 16 unterzogen.
  • Das verwendete Wachsmodell besaß eine kubische Form, in der ein Sackloch mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Tiefe von 20 mm ausgebildet war. Im Inneren dieses Sacklochs wurden die in den nachfolgenden Tabellen aufgeführten O-berflächenwerte für Temperatur und Feuchte während des Trocknungsvorgangs gemessen.
  • Eine erste Modelltraube wurde mit insgesamt sechs Schichten (oder - in getrocknetem Zustand - Überzügen) versehen, wobei die erste Schicht keiner Besandung unterzogen wurde. Jede einzelne Schicht wurde in einem separaten Trocknungsvorgang vollständig getrocknet. Die einzelnen Trocknungsvorgänge wurden bei einer Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 1,5 m/s bei konstanter Bestrahlung mit Infrarotlicht durchgeführt. Die maximale Trocknungstemperatur hat sich von Schicht zu Schicht allmählich erhöht. Ein Trocknungsvorgang wurde als abgeschlossen betrachtet, wenn die gemessene Restfeuchtigkeit an der Oberfläche weniger als ungefähr 55 % betrug. Während des Trocknungsvorganges wurde die Probe mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von ungefähr 2,5 U/min bezüglich der Infrarotlichtquellen gedreht. Die Luftfeuchtigkeit in der Trocknungskammer wurde allmählich reduziert. Es wurde darauf geachtet, dass die Luftfeuchtigkeit nach Möglichkeit stets weniger als ungefähr 20 % betrug und die Temperatur stets oberhalb ungefähr 30° C lag.
  • Die gesamte Prozesszeit sowie die individuellen Trocknungsparameter und Oberflächenbedingungen pro Schicht im Rahmen eines der anfänglichen Versuche (mit noch vergleichsweise hoher Luftfeuchtigkeit in der Trocknungskammer) lassen sich der folgenden Tabelle entnehmen. Die Trocknungsparameter und Oberflächenbedingungen wurden pro Trocknungsvorgang zwei bis fünf Mal gemessen.
    • Keramikform I
  • Zeit [h:min] Trockenzeit [h:min] Überzug Trocknungsbedingungen Oberflächenbedingungen
    Temperatur [°C] Feuchte [%] Temperatur [°C] Feuchte [%]
    0:00 0:10 Ohne Sand 29 19
    0:10 0:00 2. Schicht 29 22
    0:15 0:05 30 38
    0:25 0:15 33 25
    0:30 0:20 34,5 19
    0:33 0:00 3. Schicht 34,1 17
    0:38 0:05 33,6 22
    0:43 0:10 33,5 22
    0:58 0:25 33,8 21
    1:03 0:30 34 20 24 53
    1:07 0:00 4. Schicht 34 19
    1:17 0:10 34,2 19
    1:27 0:30 34,7 19 25 60
    2:05 0:58 35,7 18 35 47
    2:10 0:00 5. Schicht 36 18
    2:55 0:45 38,1 16
    3:05 0:00 6. Schicht 38 15
    3:35 0:30 38,4 14
  • Wie Tabelle 1 entnommen werden kann, betrug die gesamte Prozessierungszeit aller sechs Schichten insgesamt 3 Stunden und 35 Minuten. Die reine Trocknungszeit betrug ungefähr 3 Stunden und 15 Minuten. Die erste Schicht (ohne Sand) wurde 10 Minuten getrocknet, die zweite Schicht hatte nach ungefähr 20 Minuten eine Oberflächen-Restfeuchtigkeit von ungefähr weniger als 55 % erreicht. Die entsprechende Trocknungsdauer für die dritte Schicht betrug ungefähr 30 Minuten, für die vierte Schicht ungefähr 58 Minuten, für die fünfte Schicht ungefähr 45 Minuten und für die sechste Schicht ungefähr 30 Minuten.
  • Der Dickenaufbau der ersten Keramikformprobe ist der folgenden Tabelle zu entnehmen:
    Zustand Abmessung Dickenzuwachs
    Wachsmodell 35,0 mm 0 mm
    Überzug ohne Sand 35,5 mm 0,25 mm
    2. Überzug 37,0 mm 0,75 mm
    3. Überzug 39,0 mm 1,0 mm
    4. Überzug 40,5 mm 0,75 mm
    5. Überzug 42,0 mm 0,75 mm
    6. Überzug 44,0 mm 1,0 mm
  • Gemäß dieser Tabelle erfolgte bei der verwendeten Schlicker-/Besandungszusammensetzung ein durchschnittlicher Schichtaufbau von 0,8 mm pro Überzug.
  • Die nachfolgende Tabelle zeigt die Trocknungsparameter und Oberflächenbedingungen für eine weitere Keramikformprobe mit sieben Überzügen. Die in der Trocknungskammer herrschende Strömungsgeschwindigkeit betrug ungefähr 1,5 bis 2,0 m/s.
    • Keramikform II
  • Zeit [h:min] Trockenzeit [h:min] Überzug Trocknungsbedingungen Oberflächenbedingungen
    Temperatur [°C] Feuchte [%] Temperatur [°C] Feuchte [%]
    0:00 0:08 Ohne Sand 33,7 17
    0:08 0:00 2. Schicht 34,3 17
    0:18 0:10 34,7 17
    0:28 0:00 3. Schicht 35,2 15
    0:58 0:30 36,8 14 26,4 55
    1:01 0:00 4. Schicht 36,9 14
    1:31 0:30 37,2 12 29 64
    1:36 0:35 37,4 11 27 52
    1:41 0:00 5. Schicht 37 13
    2:11 0:30 38,2 10 27,3 58
    2:16 0:00 6. Schicht 38,4 10
    2:46 0:30 38 10 27,6 48
    2:51 0:00 7. Schicht 38 10
    3:21 0:00 38,8 8
  • Die beiden folgenden Tabellen zeigen entsprechende Messungen an zwei identischen Keramikformproben mit jeweils acht Schichten und Trocknung bei einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 2 und 4 m/s. Die Viskosität des bei diesen Proben verwendeten Schlickers betrug ungefähr 38 s.
    • Keramikform III/1
  • Zeit [h:min] Trockenzeit [h:min] Überzug Trocknungsbedingungen Oberflächenbedingung
    Temperatur [°C] Feuchte [%] Temperatur [°C] Feuchte [%]
    0:00 0:08 Ohne Sand 35,9 17
    0:10 0:00 2. Schicht 36,5 17
    0:30 0:00 3. Schicht 38,6 14
    1:20 0:50 29 70
    1:25 0:55 60
    1:30 1:00 28,6 45
    1:30 0:00 4. Schicht 37,4 16
    2:00 0:30 72
    2:05 0:35 27,8 42
    2:10 0:00 5. Schicht 39 15
    2:40 0:30 27,9 45/52
    2:43 0:00 6. Schicht
    3:13 0:30 38,9 16 76
    3:18 0:35 59
    3:25 0:00 7. Schicht
    3:55 0:30 65/70
    4:00 0:35 48/52
    4:05 0:00 8. Schicht
    5:00 0:55 Fertig
    • Keramikform III/2
  • Zeit [h:min] Trockenzeit [h:min] Überzug Trocknungsbedingungen Oberflächenbedingungen
    Temperatur [°C] Feuchte [%] Temperatur [°C] Feuchte [%]
    0:00 0:12 Ohne Sand 37,8 12
    0:12 0:00 2. Schicht 37 10
    0:32 0:20 39,1 15 27,5 45/59
    0:37 0:25 42/58
    0:42 0:00 3. Schicht 38,9 14
    1:20 0:38 39,2 14 29 75
    1:32 0:50 42/61
    1:37 0:55 39,2 9 29,8 40/52
    1:42 0:00 4. Schicht 38,9 11
    2:32 0:00 5. Schicht 39,8 10
    3:02 0:30 30,5 48/61
    3:07 0:35 30,4 44/53
    3:12 0:00 6. Schicht 39,5 16
    3:42 0:30 44/50
    3:42 0:00 7. Schicht 38,2 9
    4:12 0:30 38 13 30 48/52
    4:12 0:00 8. Schicht
    4:42 0:30 29,8 47
    Sofort ausgeschmolzen
  • Unmittelbar nach dem Aufbringen und Trocknen der letzten Schicht erfolgte bei den erläuterten Keramikform-Proben das Ausschmelzen des Wachsmodells. Ausgeschmolzen wurde in einem auf 150° vorgeheizten Wärmeschrank. Nach jeweils 15 bis 20 Minuten war das Wachs vollständig ausgeschmolzen. Ein optische Überprüfung ergab, dass die in der Trocknungskammer hergestellten Proben ohne jegliche Beschädigungen oder Risse ausgeschmolzen werden konnten.
  • Eine parallel hierzu unter herkömmlichen Trocknungsbedingungen hergestellte Keramikformprobe (siehe nachfolgende Tabelle) wurde unter den gewählten Ausschmelzbedingungen durch Risse vollständig zerstört. Die Vergleichsprobe wurde auf die gleiche Weise wie die obigen Keramikformen durch mehrmaliges Beschlickern, Besanden und Trocknen hergestellt. Allerdings erfolgte die Trocknung bei herkömmlichen Trocknungsbedingungen (es wurde keine Trocknungskammer verwendet) und ohne Rotlicht-Bestrahlung, aber bei beschleunigter Umgebungsluft (1,5 m/s).
    • Vergleichsprobe
  • Zeit [h:min] Trockenzeit [h:min] Überzug Trocknungsbedingungen Oberflächenbedingungen
    Temperatur [°C] Feuchte [%] Temperatur [°C] Feuchte [%]
    0:00 0:30 Ohne Sand 22 54
    0:30 0:30 2. Schicht
    1:30 1:00 22,5 55
    1:30 0:00 3. Schicht
    2:30 1:00 25,4 43,7 23,6 67
    4:00 2:30 25,0 63
    4:15 0:00 4. Schicht 24,5 48
    5:30 1:15 25,0 66
    6:15 2:00 25,5 65
    6:45 2:30 25,0 69
    7:15 3:00 25,6 46
    7:20 0:00 5. Schicht 24,0 51,5
    1 Tag später
    21:30 0:00 6. Schicht 21,0 46
    23:00 1:30 23,1 43,2 22,8 66
    23:30 2:00 24,0 40,7 23,3 70
    24:30 3:00 23,0 58
    24:30 0:00 7. Schicht
    25:30 1:00 22,4 42,4
    27:30 3:00 25,0 41 25,0 50
    27:45 0:00 8. Schicht
    30:45 3:00 26,0 62
    Echtzeit hier: 17:15; Ausschmelzen 24 h später
  • Wie sich aus der obigen Tabelle ergibt, sind die Trocknungsdauern bei der Vergleichsprobe deutlich länger als bei den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Proben.
  • Auch die Festigkeit der erfindungsgemäßen Proben ist der Festigkeit der konventionellen Proben deutlich überlegen. Für die Bestimmung der Biegefestigkeit der Keramik wurden Prüfstreifen mit den Abmessungen 50 mm x 20 mm x 5 mm hergestellt. Zur Herstellung der Prüfstreifen wurde eine Silikonform mit mehreren napfförmigen Vertiefungen verwendet. Die Silikonform wurde zum Aufbringen mehrerer Überzüge wiederholt beschlickert, besandet und getrocknet. Typischerweise erfolgten sechs bis acht Beschichtungen, um eine Streifenhöhe von ungefähr 5 mm zu erzielen.
  • Die erfindungsgemäßen Prüfstreifen wurden (teilweise gleichzeitig mit Modelltrauben) einem Trocknungsvorgang in der Trocknungskammer bei einer Temperatur von ungefähr 40° C, einer Luftfeuchtigkeit von ungefähr 5 bis 10 % sowie einer Trocknungsdauer von ungefähr 30 min unterzogen. Während des Trocknungsvorganges erfolgte eine Bestrahlung der Streifen mit Infrarotlicht. Die konventionellen Prüfstreifen wurden hingegen bei Raumtemperatur und einer Luftfeuchtigkeit von ungefähr 50 % getrocknet. Jede Schicht wurde solange getrocknet, bis die Oberflächenfeuchte weniger als 60 % betrug (typischerweise viele Stunden bis einen Tag). Anschließend wurden alle Prüfstreifen einem Biegeversuchen unterworfen. Hierbei kam das Festigkeitsprüfgerät 7/18 der Firma Feinmechanik Ralf Kögel zum Einsatz.
  • Fig. 6 zeigt das Versuchsprotokoll der auf erfindungsgemäße Weise getrockneten Prüfstreifen und Fig. 7 das Versuchsprotokoll für herkömmliche Prüfstreifen (es wurden je zwei Grünlinge und zwei gebrannte Proben geprüft; das Brennen der Prüfstreifen erfolgte für eine Stunde bei 950° C). Ein Vergleich der jeweiligen Kennlinien zeigt deutlich, dass die Belastbarkeit der erfindungsgemäßen Proben, jedenfalls in gebranntem Zustand, die Belastbarkeit der auf herkömmliche Weise getrockneten Proben fast um 50 % übersteigt. Auch die erfindungsgemäß getrockneten Grünlinge zeigen eine deutlich höhere Belastbarkeit als die auf konventionelle Weise getrockneten Grünlinge.
  • Die erfindungsgemäßen Vorteile sind vermutlich darin begründet, dass bei höheren Trocknungstemperaturen der Ionenaustausch an der Oberfläche der Binderkolloide intensiviert wird, was eine stärke irreversible Bindung dieser Kolloide untereinander ermöglicht. Ferner führt die intensive, oberflächenbezogene Trocknung durch die Infrarotlicht-Bestrahlung zu einem stärkeren Diffusionsgefälle innerhalb der aufgebrachten Schlickerschicht und damit zu einer beschleunigten Trocknung. Durch die Wirkung der Verdunstungskälte kann die Trocknungstemperatur erhöht werden, auch über die Temperatur hinaus, bei der das verwendete Modell seine Stabilität verlieren würde. Auch dies ermöglicht eine beschleunigte Trocknung.
  • Vorzugsweise erfährt jede Überzugsschicht eine vollständige Trocknung, um eine irreversible Kolloidbindung herbeizuführen. Somit ist bereits unmittelbar nach Trocknungsende der letzten Schicht die erwünschte Endfestigkeit der gesamten Schale erreicht. Mit anderen Worten, es ist nicht mehr unbedingt erforderlich, nach dem Trocknen der letzten aufgebrachten Schicht noch weiter zu warten, bis mit dem Ausschmelzen/Ausbrennen des Modells und dem Brennen der Keramikform begonnen werden kann. Diese Erkenntnis schließt gleichwohl nicht aus, in bestimmten Fällen eine abschließende, längere Schlusstrocknung durchzuführen.
  • Zur Erzielung besonders kurzer Trocknungszeiten war es zweckmäßig, die Luftfeuchtigkeit in der Trocknungskammer zu reduzieren. Im Rahmen fortlaufender Versuche wurde die Luftfeuchtigkeit auf unter 10 %, häufig auf 2 % bis 8 %, reduziert.
  • Bei den Versuchen hat sich herausgestellt, dass die erste Schicht mit Besandung (also in der Regel die zweite, auf das Modell aufgebrachte Schicht) relativ schnell trocknet (ca. 20 min), die erste bzw. die zweite darauffolgende Schicht jedoch überdurchschnittlich lange (bis zu 60 min) benötigt, um vollständig zu trocknen. Bei den sich anschließenden Schichten stellen sich Trocknungszeiten von typischerweise 30 bis 35 Minuten ein. Die Restfeuchtigkeit in der getauchten Schicht steigt zu Beginn der Trocknung oftmals kurzfristig auf über 80 %, verbleibt dann lange bei 65 bis ungefähr 70 %, um dann etwa 2 bis 10 Minuten (typischerweise etwa 5 min) vor dem festzustellenden Trocknungsende beinahe spontan auf unter 50 % abzuknicken.
  • Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Prototypen-Herstellung bietet es sich an, mit nur einem Schlicker gleicher Viskosität für alle Überzugsschichten (Einheitsschicker) und nur einer Korngröße des Bestreumaterials zu arbeiten. Der Einheitsschlicker führt zu einer verbesserten Benetzung bei gleichzeitiger Reduzierung der Auslaufzeit auf 38 s (gemessen mit dem WEX-Becher). Durch Einfügen einer Tauchschicht ohne Besandung zu Beginn des Schalenaufbaus bei kurz gehaltener Antrocknung (von typischerweise unter 15 min) lässt sich eine ausreichende Oberflächenqualität der Gussstücke erzielen.
  • Die Erfindung wurde anhand verschiedener Ausführungsbeispiele beispielhaft erläutert. Abänderungen und Ergänzungen können vom Fachmann basierend auf seinem Fachwissen durchgeführt werden. So können insbesondere die Lage, die Positionierung und die Anzahl der Rotlichtquellen sowie die Anordnung und die Anzahl der Ventilatoren geändert werden.

Claims (28)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Schalenform insbesondere für das Feingießen, umfassend
    - Bereitstellen eines Modells;
    - Ausbilden einer das Modell umgebenden Schale durch Aufbringen wenigstens einer wässrigen Schicht auf das Modell und durch schichtweises Durchführen wenigstens eines Trocknungsvorganges; und
    - Entfernen des Modells aus der Schale getrennt vom Trocknen der zumindest einen Schicht,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Trocknungsvorgang unterstützt durch Infrarotlicht-Bestrahlung durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsvorgang oberhalb einer Temperatur von 25°C durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Trocknungsvorgang in einem Temperaturbereich von ungefähr 30°C bis ungefähr 45°C, vorzugsweise von ungefähr 36°C bis ungefähr 42°C, durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Schichten auf das Modell aufgebracht werden und dass die maximale Trocknungstemperatur von Schicht zu Schicht im Wesentlichen erhöht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass die maximale Trocknungstemperatur während des Trocknungsvorgangs mindestens ungefähr 5°C, vorzugsweise wenigstens ungefähr 8°C, oberhalb einer Temperatur gewählt wird, bei der eine Minderung der Stabilität des Modells einsetzt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass während des Trocknungsvorgangs eine Relativdrehung zwischen dem beschichteten Modell und wenigstens einer Infrarotlichtquelle erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Relativdrehung mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,5 und 8 U/min, vorzugsweise zwischen 1,5 und 4 U/min, erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Trocknungsvorgang durch eine Strömung eines gasförmigen Mediums unterstützt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 8 m/s, vorzugsweise zwischen 1 und 5 m/s, beträgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Trocknungsvorgang bei einer Raumfeuchtigkeit von weniger als 35%, vorzugsweise von weniger als ungefähr 20%, durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Trocknungsvorgang für eine Dauer von weniger als 1 h, vorzugsweise für ungefähr 25 bis 45 min, durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass auf das Modell drei oder mehr Schichten aufgebracht werden und die Trocknungsdauer für wenigstens einige der nach der ersten Schicht aufgebrachten Schichten variiert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungsdauer der zweiten und/oder der dritten und/oder der vierten Schicht länger gewählt ist als die Trocknungsdauer der anderen Schichten.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass auf das Modell mehrere Schichten aufgebracht werden und der einzelne Trocknungsvorgang jeweils solange durchgeführt wird, bis eine vollständige Trocknung der zuletzt aufgebrachten Schicht erzielt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
    dass dann von einer vollständigen Trocknung ausgegangen wird, wenn die Restfeuchtigkeit einer Schicht weniger als ungefähr 60%, vorzugsweise zwischen ungefähr 55 und ungefähr 40%, beträgt.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass das Modell aus Wachs besteht, das bei einer Temperatur von mehr als ungefähr 140°C durch Ausschmelzen aus der getrockneten Schale entfernt wird.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Trocknungsvorgang in einer Trocknungskammer (30) durchgeführt wird.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass eine zur Erzielung der Trocknungstemperatur erforderliche Wärmeenergie von wenigstens einer Infrarotlichtquelle (34) geliefert wird.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass das Verfahren zur Prototypen-Herstellung verwendet wird.
  20. System (10) zum Herstellen einer Schalenform insbesondere für das Feingießen, umfassend
    - eine Beschlickerungsvorrichtung (14) zum Aufbringen einer Schlickerschicht auf ein Modell (20); und
    - eine Trocknungsvorrichtung (16) zum Trocknen der auf das Modell (20) aufgebrachten Schlickerschichtmit einer Trocknungskammer (30)
    - Mittel zum Entfernen des Modells (20) aus der Schale,
    wobei das System (10) derart ausgebildet ist, dass durch die Beschlickerungsvorrichtung (14) zumindest eine Schlickerschicht auf das Modell (20) aufgebracht wird und dass die Trocknungsvorrichtung (16) jeweils nach dem Aufbringen einer Schlickerschicht durch die Beschlickerungsvorrichtung (14) die Schalenform trocknet,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in der Trocknungskammer (30) wenigstens eine Infrarotlichtquelle (34) angeordnet ist.
  21. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
    dass in der Trocknungskammer (30) eine Temperatur von über 25°C einstellbar ist.
  22. System (10) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Infrarotlichtquelle (34) als Heizeinrichtung für ein Trocknungsgas fungiert.
  23. System nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Kühleinrichtung (38, 40) zum Zuführen eines gekühlten Trocknungsgases in die Trocknungskammer (30) vorhanden ist.
  24. System nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet,
    dass zusätzlich zur Infrarotlichtquelle (34) eine Heinzeinrichtung für die Trocknungskammer (30) vorgesehen ist.
  25. System nach einem der Ansprüche 20 bis 24 dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Einrichtung (22) zum Drehen des beschichteten Modells (20) bezüglich der Infrarotlichtquelle (34) vorhanden ist.
  26. System nach Anspruch 20 oder 25, dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Besandungsvorrichtung (12) zum Besanden der auf das Modell (20) aufgebrachten Schlickerschicht vorhanden ist.
  27. System nach einem der Ansprüche 20 bis 26, ferner umfassend eine Transportvorrichtung (18) zum Transportieren des Modells wenigstens zwischen der Beschlickerungsvorrichtung (14) und der Trocknungsvorrichtung (16).
  28. Verwenden einer Gussschale, die gemäß einem der Verfahren 1 bis 19 oder durch eines der Systeme 20 bis 27 hergestellt wurde, zum Gießen eines Gussteils.
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