EP1844881B1 - Verfahren zur Herstellung von offenporigen Bauteilen aus Metall, Kunststoff oder Keramik mit geordneter Schaumgitterstruktur - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von offenporigen Bauteilen aus Metall, Kunststoff oder Keramik mit geordneter Schaumgitterstruktur Download PDF

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EP1844881B1
EP1844881B1 EP07007332A EP07007332A EP1844881B1 EP 1844881 B1 EP1844881 B1 EP 1844881B1 EP 07007332 A EP07007332 A EP 07007332A EP 07007332 A EP07007332 A EP 07007332A EP 1844881 B1 EP1844881 B1 EP 1844881B1
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EP
European Patent Office
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core
lattice
core lattice
planes
lattice planes
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EP07007332A
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EP1844881A2 (de
EP1844881A3 (de
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Ulrich Munz
Bernd Kuhs
Raimund Strub
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Laempe & Mossner GmbH
Kurtz GmbH
Original Assignee
Laempe & Mossner GmbH
Kurtz GmbH
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/105—Salt cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D25/00—Special casting characterised by the nature of the product
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/08—Alloys with open or closed pores
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/08—Alloys with open or closed pores
    • C22C1/081—Casting porous metals into porous preform skeleton without foaming

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of open-pored lightweight components made of metal, metal alloys, plastic or ceramic of any geometry according to the teaching of claim 1.
  • casting molds are produced from amorphous disordered lattice structures which are poured out in a casting apparatus.
  • Connected single spheres can be used to produce components with an open or closed outer wall, which have an amorphous undefined lattice structure in the interior, since the core stack used in the casting process is formed from an accumulation of disorderedly interconnected spheres.
  • a clear definition of the mechanical properties of the component is impossible due to the unpredictability of the disordered lattice structure inside the components.
  • the core is a lost core, that is, a core that no longer exists in the final part.
  • the core consists of a larger number of mineral foam balls with ball diameters between 1-8 mm, which are glued together at their points of contact.
  • the core represents a three-dimensional dense sphere packing used as a core stack.
  • the resulting from the casting process components can be open-pored, since it is possible to fill only edge regions of the core with melt. However, this results after elimination of the core at least one side of the casting, which has open pores.
  • the core stack thus consists of a ball packing, the individual balls touching each other, since they are glued together. An adjustment of the distances of the balls - and thus a variation of the pore distances - by using webs between the balls is not provided.
  • the casting cores are produced in each case by firstly combining sand particles corresponding to the contour of the part to be produced in a layer by means of a binder. After completion of this layer, a new layer is built up over it, in which again individual sand particles are connected to one another by means of a binder and furthermore a connection of this layer to the previously created layer takes place.
  • the casting core is thus constructed in layers.
  • none of the cited references discloses a connection of the individual particles / grains of sand of the respective layer by webs; furthermore, the cores disclosed therein are not suitable for producing open-pored castings.
  • the object of the invention is to propose a method which allows the production of lightweight components made of metal, metal alloys, plastic or ceramic arbitrary geometry, in which by a clearly defined inner lattice structure of the core stack mechanical requirements, such as density, rigidity or strength of the component predictable are, and if necessary, a defined outer skin desired thickness can be produced.
  • Such components can be used under the umbrella term “light and stiff” and / or “energy and sound absorbing” everywhere where, for example, moving masses must have corresponding properties, e.g. in vehicle construction for road or rail, in aircraft or mechanical engineering / kinematics. Furthermore, components produced in this way are particularly suitable for heat exchangers of any type because of the open-pored and ordered foam grid structure, since they separate two spheres which are simply connected.
  • the component is produced by pouring liquid material into a casting device when using the method for producing lightweight porous components made of metal, metal alloys, plastic or ceramic of any geometry.
  • a core stack in the casting mold of the casting apparatus stored, drained and gutted.
  • This core stack is designed as a regular multi-dimensional core lattice with defined core lattice planes, in which each lattice plane is composed of individual regular core bodies.
  • a casting device known from the prior art can be used, but in which the casting mold as a core stack differs in that it is constructed as a regular ordered core lattice.
  • the core lattice consists of at least one core lattice plane, which is composed of individual regular core bodies. Shape, size and number of core bodies and their spacing determine the porosity and the mechanical properties of the resulting from the process components.
  • a closed outer shell of the components can be produced in that the core stack has a certain distance from the outer wall of the mold, which is then filled with the liquid material and forms the closed outer wall. The distance between the core stack and the outer wall of the mold determines the thickness of the component outer wall.
  • a macroscopic regular lattice structure of the material can be produced, so that the component has a macroscopic structural structure and combines the structural advantages, namely low density, high rigidity and high strength, with the microscopic properties of the material.
  • the application of the method thus serves to produce components which have metamaterials properties, ie whose characteristic parameters not only determined by the parameters of the original material but also by the defined macroscopic structure of the component.
  • individual core lattice planes are connected to one another as web-connected, spherical, polygonal or other voluminous core bodies of freely determinable dimension in two or more layers in a lattice-offset manner, such that the previously lightened ones or contact with adhesive core body of the individual levels by means of binder or adhesive bridges.
  • a core lattice plane is characterized in that the spherical, polygonal or other voluminous individual bodies of freely determinable dimension are interconnected with webs.
  • the core body can thus have any shape and deviate from a classic spherical shape, in particular they can be flattened spherical, polygonal or otherwise arbitrarily designed.
  • a lattice plane may consist of two or more interconnected bodies and may be both plane and in the spherical plane or otherwise arbitrarily curved.
  • a core stack is built up of individual core lattice planes and can thus fill the component layer by layer.
  • the method for producing the individual core lattice planes can in principle be carried out arbitrarily. It has proved to be particularly advantageous to form the individual core lattice planes in a first operation by connecting the core body to solid planar, curved or arbitrarily curved plates. Only by stacking the individual core lattice planes, in particular the plates representing them, is a desired shape of the core lattice generated. By such a layered structure, it is advantageously possible to produce the core grid independently and after the production of the individual core lattice planes; in particular, it is conceivable to prefabricate core lattice planes, to cut them into a desired shape if necessary and to assemble them into a core lattice. This allows a cheap, efficient and fast production of the core lattice from prefabricated core lattice planes, in particular from prefabricated plates.
  • the individual core lattice planes can be produced as desired in the first work step.
  • bridge connections a reliable fixation of the core body is achieved in the core lattice plane, so that a planar or arbitrarily curved shape of the core lattice plane can be made stable.
  • individual core lattice planes After individual core lattice planes have been fabricated according to the embodiments presented above, they must be interconnected to form a core body. This can be done in any way, as this is particularly easy by connecting the individual core lattice planes by a suitable binder and hardening process, as they are already known in the creation of core bodies in the foundry technology. For example, a treatment with hot air, with carbon dioxide or with an amine, or else only a heat treatment by microwaves, may be suitable for connecting the core lattice planes to one another.
  • binders many different organic and inorganic foundry binders are available which decompose by the action of heat of the hot metal, plastic or other pourable material, or they must be water-soluble to be removed from the component after pouring the casting material ,
  • the process for producing the individual core lattice planes can be carried out arbitrarily.
  • the bodies within the core grid structure have a defined size, for example 10 mm, and can be produced in a grid.
  • a suitable foundry core sand can be mixed with a known core sand binder and this core lattice layer starting material can be shaped and cured by a suitable core production process.
  • known betaset, coldbox, hotbox or croning processes with organic binder fractions are used. With these known methods for producing casting molds can be produced inexpensively and easily the core lattice planes without special conversion of the foundry process.
  • water-soluble inorganic binder components based on magnesium sulfate, phosphate or silicate or a mixture of these are used in the production of the core lattice planes.
  • These inorganic binders are eminently suitable for inexpensively and easily producing robust core lattice planes which can be assembled into complex core stacks.
  • the material used to construct the individual core lattice planes can, in principle, be arbitrarily selected from the range of materials conventionally used for casting molds.
  • inorganic flours or sands which consist in particular of quartz, feldspar, aluminum oxide, chamotte, olivine, chrome ore, clay, kaolin, fluorspar, silicate or bentonite or a mixture of these, are suitable for the production of core lattice planes .
  • core bodies can be produced in a particularly simple manner, and connected to the above-mentioned core sand binders, so that it is possible to produce particularly durable and easily machinable core lattice planes.
  • salts to prepare the core lattice planes, especially sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), potassium sulfate (K 2 SO 4 ) or magnesium sulfate (Mg 2 SO 4 ).
  • NaCl sodium chloride
  • KCl potassium chloride
  • K 2 SO 4 potassium sulfate
  • Mg 2 SO 4 magnesium sulfate
  • the individual core lattice planes can be built up from these salts.
  • the shape and size of the core body within the core grid can in principle be chosen arbitrarily. However, it has turned out to be particularly advantageous if the core bodies have a size of 1 mm to 30 cm. In particular, it is particularly advantageous if the core body has a diameter of about 5 mm to 20 mm.
  • individual core lattice planes are cured, they are coated or sized with a binder or adhesive and stacked on top of each other in two or more planes so that the core bodies of the individual planes contact one another in a grid-offset manner.
  • the core bodies are connected to one another at the contact points / contact surfaces. This can in principle be carried out arbitrarily, but it has been shown to be particularly advantageous if the core lattice planes are produced in part or in sets in a multipart sandwich core bushing, wherein the core lattice planes are sized therein, assembled with one another and deposited in the core bushing.
  • the core lattice frames used are components of a tool, preferably a robot-controlled tool, which are arranged within a core production tool and the finishing, assembly and removal of the core lattice is performed outside the core production tool.
  • a tool preferably a robot-controlled tool
  • the individual core lattice planes are produced by means of a core lattice frame within a core making tool, preferably by a robot controlled tool comprising the core lattice frame.
  • the individual core lattice planes are removed from the core manufacturing tool, and the sizing, assembly and deposition of the core lattice is performed outside the core manufacturing tool.
  • the core lattice stack thus produced may in turn be transformed into a casting mold, e.g. a mold, to be stored.
  • a casting mold e.g. a mold
  • the later geometry and outer wall thickness of the casting can be determined.
  • a suitable casting process so these cavities are filled with metal, plastic, metal alloys or a ceramic mass.
  • the entire core is pre-formed, e.g. in an oven, heated to ensure the fluidity of the metal to all fine interstices.
  • the liquid material flows through the static pressure to the level of the material sump in the mold and then pulled by a vacuum generated by a vacuum station, so far into the mold until it is the mold fills.
  • the liquid material runs up to the level of the material sump in the mold, wherein the material sump is generated by flowing liquid material from a furnace.
  • a vacuum pump pulls the material higher into the mold by a vacuum, so that eventually the entire shape of liquid material is filled.
  • all the core material can then be removed from the component by vibration, blasting or by floating with water.
  • at least one side of the component is generated without outer skin, or it is subsequently the outer skin at a suitable location reopened, eg drilled out, so that all core material can be removed without leaving any residue, since all the core bodies contacted via the binder / intermediate bridges are in communication with each other.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von offenporigen leichten Bauteilen aus Metall, Metalllegierungen, Kunststoff oder Keramik beliebiger Geometrie nach der Lehre des Anspruchs 1.
  • Zur Herstellung von Bauteilen hoher Festigkeit und Steifigkeit bei geringen Dichten sind aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt, bei denen Metalle mit geeigneten Treibmitteln, z.B. Gasen, im flüssigen Zustand aufgeschäumt werden, um Bauteile mit oben genannten Merkmalen herzustellen. Diese bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass durch das Einpressen der Gase während des Aufschäumvorganges Blasen entstehen, die unterschiedliche, nicht klar definierte bzw. vorhersagbare oder gewünschte Größen erreichen. Somit entstehen mittels dieser Verfahren Bauteile, die nur schwer einschätzbare mechanische Eigenschaften besitzen. Daneben dringen die Blasen bis an die Oberfläche der Bauteile und lassen keine definierte Außenhautdicke entstehen, welche für eine berechenbare statische Funktion notwendig wäre.
  • Daneben sind Verfahren bekannt, bei denen Gießinnenformen aus amorphen ungeordneten Gitterstrukturen hergestellt werden, die in einer Gießvorrichtung ausgegossen werden. Mit Hilfe dieser Gießinnenformen aus verbundenen Einzelkugeln lassen sich Bauteile mit offener oder geschlossener Außenwand herstellen, die eine amorphe undefinierte Gitterstruktur im Inneren aufweisen, da der im Gießverfahren verwendete Kernstapel aus einer Anhäufung ungeordnet miteinander verbundener Kugeln gebildet wird. Auch in diesem Fall ist aufgrund der Unvorhersehbarkeit des ungeordneten Gitteraufbaus im Inneren der Bauteile eine klare Definition der mechanischen Eigenschaften des Bauteils unmöglich.
  • Aus der EP 1 174 200 A2 geht ein Gießverfahren und ein Gusskern für die Verwendung in diesem Verfahren hervor, wobei die daraus resultierenden Bauteile leicht und offenporig sind. Dabei wird ein Zwischenraum zwischen einem Kern und einer äußeren Schale mit einer flüssigen Leichtmetallschmelze gefüllt, wobei die Schmelze zumindest in die Randzone des Kernes eindringt und die Schmelze im teilflüssigen Zustand mit Druck beaufschlagt wird, um eine Erstarrungsporosität zu vermeiden.
  • Bei dem Kern handelt es sich um einen verlorenen Kern, also einen Kern, der im finalen Bauteil nicht mehr vorhanden ist. Der Kern besteht hierzu aus einer größeren Anzahl mineralischer Schaumkugeln mit Kugeldurchmessern zwischen 1-8 mm, die an ihren Berührungspunkten miteinander verklebt sind. Damit stellt der Kern eine dreidimensionale dichte Kugelpackung dar, die als Kernstapel verwendet wird. Die aus dem Gießverfahren resultierenden Bauteile können offenporig sein, da es möglich ist, nur Randbereiche des Kernes mit Schmelze auszufüllen. Damit ergibt sich nach Entfall des Kernes jedoch mindestens eine Seite des Gussteils, welche offene Poren aufweist. Der Kernstapel besteht somit aus einer Kugelpackung, wobei die einzelnen Kugeln sich gegenseitig berühren, da sie miteinander verklebt sind. Eine Einstellung der Abstände der Kugeln - und damit eine Variation der Porenabstände - durch Verwendung von Stegen zwischen den Kugeln ist nicht vorgesehen.
  • Aus der WO 02/26419 A1 und der US-A-6 155 331 gehen jeweils ein Verfahren zur schichtweisen Herstellung von Gießformen und Gießkernen aus sandförmigen Materialien hervor. Dabei erfolgt die Herstellung der Gießkerne jeweils dadurch, dass zunächst Sandpartikel entsprechend der Kontur des herzustellenden Teils in einer Schicht mittels eines Binders miteinander verbunden werden. Nach Fertigstellung dieser Schicht wird über ihr eine neue Schicht aufgebaut, bei der ebenfalls wieder einzelne Sandpartikel untereinander mittels eines Binders verbunden werden und weiterhin auch eine Anbindung dieser Schicht an die vorher erstellte Schicht erfolgt. Der Gießkern ist somit schichtweise aufgebaut. Jedoch geht aus keiner der genannten Druckschriften eine Verbindung der einzelnen Partikel/Sandkörner der jeweiligen Schicht durch Stege hervor, des weiteren sind die darin offenbarten Gießkerne nicht zur Herstellung offenporiger Gussteile geeignet.
  • Der Zeitschriftenartikel .,Giesstechnische Herstellung offenporiger Metallschwämme mittels mineralischer Platzhalter", F. Grote, P. Busse, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, VCH Verlagsgesellschaft. Weinheim, DE, Bd. 31, 2000, Seiten 415-418, ISSN: 0933-5137 offenbart ein Herstellungsverfahren für einen Gießkern für offenporige Metallschwämme, wobei Platzhalter in beliebige Sand- oder Dauerformen geschüttet werden. Eine Variation oder Gradierung des Gießkerns ist lediglich durch eine geeignete Fraktionierung der Platzhalter möglich.
  • Somit ist aus dem Stand der Technik lediglich bekannt, verlorene Kerne für offenporige Gussteile derart herzustellen, dass Gießkerne als eine Schüttung von einzelnen, durch einen Binder miteinander verbundenen Kugeln mit bestimmtem Durchmesser hergestellt werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, das die Herstellung von leichten Bauteilen aus Metall, Metalllegierungen, Kunststoff oder Keramik beliebiger Geometrie ermöglicht, bei dem durch einen klar definierten inneren Gitteraufbau des Kernstapels mechanische Anforderungen, wie Dichte, Steifigkeit oder Festigkeit des Bauteils vorhersagbar sind, und bei Bedarf eine definierte Außenhaut gewünschter Dicke hergestellt werden kann.
  • Solche Bauteile können unter dem Überbegriff "leicht und steif" und/oder "energie- und schallabsorbierend" überall dort eingesetzt werden, wo beispielsweise bewegende Massen entsprechende Eigenschaften aufweisen müssen, z.B. im Fahrzeugbau für Straße oder Schiene, im Flugzeugbau oder Maschinenbau/Kinematik. Weiterhin sind so erzeugte Bauteile durch die offenporige und geordnete Schaumgitterstruktur auch besonders für Wärmetauscher jeglicher Art geeignet, da sie zwei einfach zusammenhängende Sphären voneinander trennen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird bei Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von leichten offenporigen Bauteilen aus Metall, Metalllegierungen, Kunststoff oder Keramik beliebiger Geometrie das Bauteil durch Eingießen flüssigen Materials in eine Gießvorrichtung hergestellt. Hierzu befindet sich in der Gießform der Gießvorrichtung ein Kernstapel, der gelagert, abgegossen und entkernt wird. Dieser Kernstapel ist als regelmäßiges mehrdimensionales Kerngitter mit definierten Kerngitterebenen ausgebildet, bei dem jede Gitterebene aus einzelnen regelmäßigen Kernkörpern aufgebaut ist. Dies bedeutet, dass in dem Verfahren eine aus dem Stand der Technik bekannte Gießvorrichtung verwendet werden kann, bei der sich jedoch die Gießinnenform als Kernstapel dadurch unterscheidet, dass sie als regelmäßiges geordnetes Kerngitter aufgebaut ist. Hierbei besteht das Kerngitter aus mindestens einer Kerngitterebene, die sich jeweils aus einzelnen regelmäßigen Kernkörpern zusammensetzt. Form, Größe und Anzahl der Kernkörper sowie deren Abstand bestimmen die Porosität und die mechanischen Eigenschaften der aus dem Verfahren hervorgehenden Bauteile. Eine geschlossene Außenhülle der Bauteile kann dadurch erzeugt werden, dass der Kernstapel einen gewissen Abstand von der Außenwand der Gießform aufweist, der dann mit dem flüssigen Material ausgefüllt wird und die geschlossene Außenwand bildet. Der Abstand zwischen dem Kernstapel und der Außenwand der Gießform bestimmt dabei die Dicke der Bauteilaußenwand. Somit kann mit Hilfe des Verfahrens eine makroskopische regelmäßige Gitterstruktur des Materials erzeugt werden, so dass das Bauelement eine makroskopische Tragwerksstruktur aufweist und die tragwerkstypischen Vorteile, nämlich geringe Dichte, hohe Steifigkeit und hohe Festigkeit, mit den mikroskopischen Eigenschaften des Materials kombiniert. Die Anwendung des Verfahrens dient somit der Herstellung von Bauteilen, die metamaterialtypische Eigenschaften aufweisen, d.h. deren charakteristische Parameter nicht nur von den Parametern des Ursprungsmaterials sondern auch von dem definierten makroskopischen Aufbau des Bauteils bestimmt wird.
  • Erfindungsgemäß werden zur Herstellung des Kerngitters einzelne Kerngitterebenen als durch Stege verbundene, kugelförmige, mehreckige oder sonstige voluminöse Kernkörper frei zu bestimmender Dimension in zwei oder mehreren Schichten gitterversetzt so miteinander verbunden, dass die vorher geschlichteten oder mit Kleber versehenen Kernkörper der einzelnen Ebenen mittels Binder- oder Kleberbrücken kontaktieren. Somit werden zunächst durch ein Kernbüchsenwerkzeug definierte Gitterebenen hergestellt. Eine Kerngitterebene ist dadurch gekennzeichnet, dass die kugelförmigen, mehreckigen oder sonstigen voluminösen Einzelkörper frei zu bestimmender Dimension mit Stegen untereinander verbunden sind. Die Kernkörper können somit jede beliebige Form aufweisen und von einer klassischen Kugelform abweichen, insbesondere können sie abgeflachtkugelförmig, mehreckig oder sonstig beliebig gestaltet sein. Eine Gitterebene kann aus zwei oder mehreren miteinander verbundenen Körpern bestehen und kann sowohl planeben als auch in sphärischer Ebene oder sonstig beliebig gekrümmt sein. Somit wird ein Kernstapel aus einzelnen Kerngitterebenen aufgebaut und kann so Schicht für Schicht das Bauteil ausfüllen.
  • Das Verfahren zur Herstellung der einzelnen Kerngitterebenen ist prinzipiell beliebig durchführbar. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die einzelnen Kerngitterebenen in einem ersten Arbeitsgang durch Verbinden der Kernkörper zu festen planaren, gebogenen oder beliebig gekrümmten Platten auszuformen. Erst durch Aufeinanderschichten der einzelnen Kerngitterebenen, insbesondere der sie darstellenden Platten, wird eine gewünschte Form des Kerngitters erzeugt. Durch solch einen schichtweisen Aufbau ist es vorteilhaft möglich, das Kerngitter unabhängig und nach der Herstellung der einzelnen Kerngitterebenen herzustellen, insbesondere ist es denkbar, Kerngitterebenen vorzufertigen, bei Bedarf in eine gewünschte Form zuzuschneiden und zu einem Kerngitter zusammenzusetzen. Dies ermöglicht eine günstige, rationelle und schnelle Herstellung des Kerngitters aus vorgefertigten Kerngitterebenen, insbesondere aus vorgefertigten Platten.
  • Grundsätzlich können die einzelnen Kerngitterebenen im ersten Arbeitsgang beliebig hergestellt werden. Anknüpfend an die oben skizzierte Ausführungsform ist es jedoch vorteilhaft, dass benachbarte Kernkörper durch Stege in einem einzigen Formgebungsverfahren zur Herstellung der Kerngitterebenen verbunden werden. Durch Stegverbindungen wird eine zuverlässige Fixierung der Kernkörper in der Kerngitterebene erreicht, so dass eine planare oder beliebig gekrümmte Form der Kerngitterebene stabil hergestellt werden kann.
  • Nachdem einzelne Kerngitterebenen nach den oben dargestellten Ausführungsformen hergestellt worden sind, müssen sie zur Erstellung eines Kernkörpers miteinander verbunden werden. Dies kann auf beliebige Weise geschehen, als besonders einfach erweist sich dies durch Verbindung der einzelnen Kerngitterebenen durch ein geeignetes Bindemittel und Härteverfahren, wie sie bei der Schaffung von Kernkörpern in der Gießereitechnik bereits bekannt sind. So kann beispielsweise eine Behandlung mit heißer Luft, mit Kohlendioxid oder mit einem Amin oder auch lediglich eine Wärmebehandlung durch Mikrowellen geeignet sein, die Kerngitterebenen miteinander zu verbinden. Als Bindemittel stehen viele unterschiedliche Gießereibindemittel auf organischer und anorganischer Basis zur Verfügung, die sich durch die Wärmeeinwirkung des heißen Metalls, Kunststoffs oder sonstigem gießfähigen Materials zersetzen, oder sie müssen wasserlöslich sein, um sich nach dem Abgießen des Gießmaterials wieder aus dem Bauteil entfernen zu lassen.
  • Das Verfahren zur Herstellung der einzelnen Kerngitterebenen kann dabei beliebig ausgeführt werden. Die Körper innerhalb der Kerngitterstruktur haben dabei jedoch eine definierte Größe, beispielsweise 10 mm und können in einem Gitternetz hergestellt werden. Dabei kann beispielsweise ein geeigneter Gießereikernsand mit einem bekannten Kernsandbinder versetzt werden und dieses Kerngitterebenen-Ausgangsmaterial durch ein geeignetes Kernherstellungsverfahren geformt und ausgehärtet werden. Zur Herstellung der einzelnen Kerngitterebenen ist es dabei besonders vorteilhaft, dass bekannte Betaset-, Coldbox-, Hotbox- oder Croning-Verfahren mit organischen Binderanteilen verwendet werden. Mit diesen bekannten Verfahren zur Herstellung von Gießformen können ohne besondere Umstellung des Gießereiprozesses kostengünstig und einfach die Kerngitterebenen hergestellt werden.
  • Dabei ist es besonders günstig, wenn bei der Herstellung der Kerngitterebenen wasserlösliche anorganische Binderanteile auf der Basis von Magnesiumsulfat, Phosphat oder Silikat oder einer Mischung aus diesen verwendet werden. Diese anorganischen Binder eignen sich vorzüglich, in preisgünstiger und einfacher Weise robuste Kerngitterebenen herzustellen, die zu komplexen Kernstapeln zusammengesetzt werden können.
  • Das Material, das zum Aufbau der einzelnen Kerngitterebenen verwendet wird, kann prinzipiell beliebig aus dem Bereich der Materialien, die herkömmlicherweise für Gießinnenformen verwendet werden, ausgewählt werden. Jedoch hat es sich bevorzugt gezeigt, dass sich zur Herstellung von Kerngitterebenen anorganische Mehle oder Sande, die insbesondere aus Quarz, Feldspat, Aluminiumoxid, Schamott, Olivin, Chromerz, Ton, Kaolin, Flussspat, Silikat oder Bentonit oder einer Mischung aus diesen bestehen, eignen. Aus diesen Materialien können besonders einfach Kernkörper hergestellt werden, und mit den oben angesprochenen Kernsandbindern verbunden werden, so dass sich besonders haltbare und leicht bearbeitbare Kerngitterebenen herstellen lassen.
  • Alternativ zu den oben angesprochenen Materialien ist es jedoch auch möglich, dass zur Herstellung der Kerngitterebenen Salze verwendet werden, insbesondere Natriumchlorid (NaCl), Kaliumchlorid (KCl), Kaliumsulfat (K2SO4) oder Magnesiumsulfat (Mg2SO4). Alternativ zu den oben dargestellten Mineralien können aus diesen Salzen die einzelnen Kerngitterebenen aufgebaut werden.
  • Form und Größe der Kernkörper innerhalb des Kerngitters können prinzipiell beliebig gewählt sein. Besonders vorteilhaft hat es sich jedoch herausgestellt, wenn die Kernkörper eine Größe von 1 mm bis 30 cm aufweisen. Insbesondere ist es besonders vorteilhaft, falls die Kernkörper einen Durchmesser von etwa 5 mm bis 20 mm aufweisen.
  • Nachdem nun einzelne Kerngitterebenen ausgehärtet sind, werden sie mit einem Bindemittel oder Kleber beschichtet bzw. geschlichtet und in zwei oder mehreren Ebenen übereinander gestapelt, so dass die Kernkörper der einzelnen Ebenen gitterversetzt miteinander kontaktieren. Mittels der erzeugbaren Schlichter-/Kleberbrücken werden die Kernkörper an den Kontaktpunkten/Kontaktflächen miteinander verbunden. Dies kann prinzipiell beliebig durchgeführt werden, es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Kerngitterebenen teil- oder satzweise in einer mehrteiligen Sandwich-Kernbüchse hergestellt werden, wobei die Kerngitterebenen darin geschlichtet, miteinander montiert und in der Kernbüchse abgelegt werden.
  • Dabei hat es sich als besonders bevorzugt herausgestellt, wenn bei der Herstellung der Kerngitterebenen die verwendeten Kerngitterrahmen Bestandteile eines Werkzeugs, bevorzugt eines robotergesteuerten Werkzeugs, sind, die innerhalb eines Kernherstellungswerkzeugs angeordnet sind und das Schlichten, Montieren und Ablegen des Kerngitters außerhalb des Kernherstellungswerkzeugs vollzogen wird. Dies bedeutet, dass die einzelnen Kerngitterebenen mittels eines Kerngitterrahmens innerhalb eines Kernherstellungswerkzeugs hergestellt werden, bevorzugt durch ein robotergesteuertes Werkzeug, das den Kerngitterrahmen umfasst. Darauf folgend werden die einzelnen Kerngitterebenen aus dem Kernherstellungswerkzeug entnommen und das Schlichten, Montieren und Ablegen des Kerngitters wird außerhalb des Kernherstellungswerkzeugs durchgeführt.
  • Um die Herstellungsgeschwindigkeit und Effektivität bei der Herstellung des Kerngitters zu beschleunigen, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens zwei Roboter im Takt arbeiten, wobei ein Roboter im Kernherstellungswerkzeug für die Kernherstellung arbeitet, während der zweite Roboter das Schlichten, Montieren und Ablegen des Kerngitters vollzieht. Hierdurch ist es möglich, dass simultan eine Kerngitterebene durch einen Roboter hergestellt wird, während außerhalb des Kernherstellungswerkzeugs ein zweiter Roboter bereits hergestellte Kerngitterebenen miteinander montiert, schlichtet und ablegt. Somit ist eine maximale Arbeitseffektivität und Produktivität bei der Herstellung des Kernstapels gegeben.
  • Der so hergestellte Kerngitterstapel kann nun wiederum in eine Gießform, z.B. eine Kokille, gelagert werden. Durch die Hohlräume zwischen den Kernkörpern der einzelnen Kerngitterschichten und über den Abstand zwischen dem montierten Kerngebilde und der Formwand lässt sich die spätere Geometrie und Außenwanddicke des Gussteils bestimmen. Durch ein geeignetes Gießverfahren werden so diese Hohlräume mit Metall, Kunststoff, Metalllegierungen oder einer keramischen Masse ausgefüllt. Vorzugsweise wird bei der Befüllung mit Metall das gesamte Kerngebilde vorher, z.B. in einem Ofen, erhitzt, um die Fließfähigkeit des Metalls bis in alle feinen Zwischenräume zu gewährleisten.
  • Während des Gießvorgangs ist es dabei vorteilhaft, dass das flüssige Material über den statischen Druck bis zur Höhe des Materialsumpfs in die Form fließt und danach durch ein Vakuum, das von einer Vakuumstation erzeugt wird, so weit in die Form gezogen wird, bis es die Form ausfüllt. Somit wird der Gießvorgang in zwei Phasen ausgeführt. Das flüssige Material läuft bis zur Höhe des Materialsumpfs in die Gießform, wobei der Materialsumpf durch Einströmen flüssigen Materials aus einem Ofen erzeugt wird. Nachdem der Pegel des flüssigen Materials innerhalb der Gießform durch statischen Druck die Höhe des Materialsumpfs erreicht hat, zieht eine Vakuumpumpe durch ein Vakuum das Material höher in die Form hinein, so dass letztendlich die gesamte Form von flüssigem Material ausgefüllt ist.
  • Nach dem Aushärten der Metallschmelze, des Kunststoffs oder der keramischen Masse kann dann sämtliches Kernmaterial durch Vibration, Strahlen oder durch Aufschwemmen mit Wasser aus dem Bauteil entfernt werden. Dazu wird mindestens eine Seite des Bauteils ohne Außenhaut erzeugt, oder es wird nachträglich die Außenhaut an geeigneter Stelle wieder geöffnet, z.B. aufgebohrt, so dass sich sämtliches Kernmaterial rückstandslos entfernen lässt, da sämtliche über die Binder-/Schlichterbrücken kontaktierten Kernkörper miteinander in Verbindung stehen.
  • Hierdurch können nun Bauteile definierter Außenhaut, definierter Porengröße und im Prozess wiederholbarer geordneter Schaumgitterstruktur hergestellt werden. Dies ist mit den bereits bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik nicht möglich.
  • Im Folgenden wird das Verfahren und der Aufbau eines aus dem Verfahren hervorgehenden Bauteils an Hand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    in schematischer Darstellung eine Gießvorrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    Fig. 2
    in schematischer Schnittdarstellung den Aufbau eines Kernstapels;
    Fig. 3
    in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein aus dem erfindungsgemäßen Verfahren hervorgehendes Bauteil.
    • In Fig. 1 ist eine Gießvorrichtung 01 schematisch dargestellt, in der eine Gießform 03 enthalten ist. In die Gießform 03 kann durch eine Gießzuführung 06 flüssiges Material aus einem Ofen eingefüllt werden, wobei das flüssige Material einen Gießsumpf 07 bildet. Dabei fließt das flüssige Material bis zur Höhe des statischen Drucks des Gießsumpfs 07 in die Gießform 03. Die Gießvorrichtung 01 ist so aufgebaut, dass die Gießform 03 an einer Trennfuge 05 geteilt werden kann, um das gegossene Bauteil aus der Gießform 03 zu entnehmen. Im Inneren der Gießform 03 befindet sich ein Kernstapel 04, der aus einzelnen Kerngitterebenen, die aus einzelnen Kernkörpern zusammengestellt sind, besteht und ein regelmäßiges Kerngitter bildet. Mit Hilfe einer Vakuumstation 02 wird durch eine Vakuumabführung 06 im Inneren der Gießform 03 ein Vakuum erzeugt, so dass das flüssige Material innerhalb des Kernstapels 04 hinaufgezogen wird, um die gesamte Gießform 03 auszufüllen.
    • Fig. 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Kernstapel 03 der Fig. 1. Der Kernstapel 03 besteht dabei aus einem Kerngitter 09, bei dem einzelne, in diesem Fall kugelförmig ausgebildete Kernkörper 10 durch Brücken 11 miteinander verbunden sind. Die Brücken 11 der einzelnen Kerngitterebenen 12 können als Stege ausgebildet sein und beispielsweise durch ein Betaset-, Coldbox-, Hotbox- oder Croning-Verfahren mit organischen Binderanteilen hergestellt werden. Die einzelnen Kerngitterebenen werden dann mit Hilfe von Kleberbrücken durch Binder- oder Kleberbrücken miteinander kontaktiert.
    • Fig. 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein Bauteil 13, das durch Eingießen von flüssigem Material in den Kernstapel 03, der aus dem Kerngitter 09 besteht, hervorgeht. Deutlich ist das ausgefüllte Material um die einzelnen Kernkörper zu erkennen.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung von leichten offenporigen Bauteilen aus Metall, Metalllegierungen, Kunststoff oder Keramik beliebiger Geometrie, bei dem das Bauteil durch Eingießen flüssigen Materials in eine Gießvorrichtung (01) hergestellt wird, wobei ein Kernstapel (04) in einer Gießform (03) gelagert, abgegossen und entkernt wird, und der Kernstapel (04) als regelmäßiges mehrdimensionales Kerngitter (09) mit definierten Kerngitterebenen (12) ausgebildet ist, bei dem jede Kerngitterebene (12) aus einzelnen regelmäßigen Kernkörpern (10) aufgebaut wird,
    gekennzeichnet dadurch,
    dass zur Herstellung des Kerngitters (09) einzelne Kerngitterebenen (12) als durch Stege verbundene, kugelförmige, mehreckige, oder sonstige voluminöse Kernkörper (10) frei zu bestimmender Dimension in zwei oder mehreren Schichten gitterversetzt so miteinander verbunden werden, dass die vorher geschlichteten oder mit Kleber versehenen Kernkörper (10) der einzelnen Ebenen (12) miteinander mittels Binder- oder Kleberbrücken kontaktieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Herstellung des Kerngitters die Kernkörper (10) in einem ersten Arbeitsgang in einer Kerngitterebene (12) miteinander insbesondere zu festen planaren, gebogenen oder beliebig gekrümmten Platten verbunden werden, und erst durch Aufeinandcrschichten der einzelnen Kerngitterebenen (10), insbesondere der Platten, die gewünschte Form des Kerngitters (09) erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in dem ersten Arbeitsgang zur Herstellung des Kerngitters benachbarte Kernkörper (10) durch Stege in einem einzigen Formgebungsverfahren zur Herstellung der Kerngitterebenen (12) verbunden werden.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verbindung der einzelnen Kerngitterebenen (12) durch ein geeignetes Bindemittel und Härteverfahren erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kerngitterebenen (12) durch bekannte Betaset-, Coldbox-, Hotbox-, oder Croning-Verfahren mit organischen Binderanteilen hergestellt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kerngitterebenen (12) durch Verfahren mit wasserlöslichen, anorganischen Binderanteilen auf der Basis von Magnesiumsulfat, Phosphat oder Silikat oder einer Mischung aus diesen hergestellt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das zur Herstellung der Kerngitterebenen (12) verwendete Material ein anorganisches Mehl oder Sand ist, insbesondere Quarz; Feldspat, Aluminiumoxid, Schamott, Olivin, Chromerz, Ton, Kaolin, Flussspat, Silikat oder Bentonit oder eine Mischung aus diesen.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das zur Herstellung der Kerngitterebenen (12) verwendete Material ein Salz ist, insbesondere NaCl, KCl, K2SO4 oder Mg2SO4.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kernkörper (10) innerhalb des Kerngitters (09) einen Durchmesser von 1 mm bis 30cm aufweisen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kernkörper (10) innerhalb des Kerngitters (09) einen Durchmesser von 5mm bis 20mm aufweisen.
  11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kerngitterebenen (12) teil- oder satzweise in einer mehrteiligen Sandwich-Kernbüchse hergestellt werden, wobei die Kerngitterebenen (12) geschlichtet, miteinander montiert und in der Kernbüchse abgelegt werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die zur Herstellung der Kerngitterebenen (12) verwendeten Kerngitterrahmen Bestandteile eines Werkzeugs, bevorzugt eines robotergesteuerten Werkzeuges, innerhalb eines Kemherstellungswerkzeugs sind, und das Schlichten, Montieren und Ablegen des Kerngitters außerhalb des Kernherstellungswerkzeugs vollzogen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens zwei Roboter im Takt arbeiten, wobei ein Roboter im Kernherstellungswerkzeug für die Kernherstellung arbeitet, während der zweite Roboter das Schlichten, Montieren und Ablegen des Kerngitters vollzieht.
  14. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das flüssige Material während des Eingießvorgangs über den statischen Druck bis zur Höhe des Materialsumpfes in die Form fließt, und danach durch ein Vakuum, das von einer Vakuumstation (02) erzeugt wird, so weit in die Form gezogen wird, bis es die Form ausfüllt.
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