EP2155418A1 - Verfahren zur herstellung eines gussteils, gussform und damit hergestelltes gussteil - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines gussteils, gussform und damit hergestelltes gussteil

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Publication number
EP2155418A1
EP2155418A1 EP08758018A EP08758018A EP2155418A1 EP 2155418 A1 EP2155418 A1 EP 2155418A1 EP 08758018 A EP08758018 A EP 08758018A EP 08758018 A EP08758018 A EP 08758018A EP 2155418 A1 EP2155418 A1 EP 2155418A1
Authority
EP
European Patent Office
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casting
mold
metallic layer
metal
core
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08758018A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Huttner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2155418A1 publication Critical patent/EP2155418A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0072—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making objects with integrated channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/02—Lost patterns
    • 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
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/105—Salt cores
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/13—Hollow or container type article [e.g., tube, vase, etc.]
    • Y10T428/1352—Polymer or resin containing [i.e., natural or synthetic]
    • Y10T428/1355—Elemental metal containing [e.g., substrate, foil, film, coating, etc.]

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a cast part from metal, a metal alloy or from plastic with at least one complex internal structure, in particular with at least one cavity, by means of at least one casting mold.
  • the invention further relates to a casting mold for producing a casting made of metal, a metal alloy or plastic with at least one complex internal structure, in particular with at least one cavity, and a casting.
  • An inventive method for producing a casting of metal, a metal alloy or plastic with at least one complex internal structure, in particular with at least one cavity comprises at least one mold and the following steps: a) providing at least one core element, wherein the core element, the complex Interior structure imitates circumferentially and has on its outer periphery a metallic layer; c) casting over the positive mold with a shell to form a second casting or negative mold of the casting and removing the positive mold; d) filling casting material into the second casting or negative mold and cooling the casting material; and e) removing the shell and removing the casting.
  • the step: "b) forming a first casting or negative mold for producing a cast-replicating positive mold having one or more cast-in core elements" is performed.
  • the core element may consist of a hollow metal core according to one embodiment.
  • the hollow metal core can in turn be produced by means of an additive manufacturing process, in particular a rapid prototyping process.
  • the core element consists of a basic shape of a fusible carrier material, wherein the carrier material is coated on its outer surface with a metallic layer.
  • the basic shape can in turn be produced by means of a generative manufacturing process, in particular a rapid prototyping process.
  • the on the outer surface of the basic form or the Outer surface of the substrate formed metallic layer can be applied electrochemically.
  • a metal coating method can be used, which is particularly suitable for metal deposition on plastic parts.
  • the basic shape may be hollow or solid. Instead of a massive design of the basic shape and carrier elements can be arranged in a hollow basic shape.
  • the core element consists of a basic form of an ausschmelzbaren carrier material
  • this is made from the finished casting.
  • materials for the basic form or the carrier material basically all materials can be used which can be used on the one hand in a generative manufacturing process, in particular a rapid prototyping process and are melted out.
  • the metallic layer consists of a metal or a metal alloy, wherein the metal or the metal alloy have a higher melting point than the casting material. This ensures that the metallic layer remains in the casting and the protective function over the complex internal structure is maintained.
  • the casting material may be made of aluminum and the metallic layer of copper or a copper alloy.
  • the first cast or negative mold is made of plastic or silicone. This makes it possible to generate the first cast or negative mold relatively quickly.
  • the positive mold consists of a readily meltable metal, in particular wax.
  • wax By pouring the first cast or negative mold with z. B. wax results in a detailed replica of the casting to be cast.
  • the production of a so-called wax facilitates its subsequent removal from the second cast or negative mold.
  • the shell formed in method step c) consists of ceramic. This choice of material is advantageous because on the one hand ceramic allows precise casting of the positive mold and on the other hand can be easily removed again from the finished casting again.
  • the thickness of the core element or the thickness of the metallic layers is 0.5 to 5 mm.
  • a casting mold according to the invention for producing a casting made of metal, a metal alloy or plastic with at least one complex internal structure, in particular with at least one cavity has in the region of the complex internal structure a metallic layer for delimitation from the internal structure.
  • the metallic layer may consist of a metal or a metal alloy, wherein the metal or the metal alloy have a higher melting point than the casting material.
  • copper or a copper alloy may be used as a cast material for aluminum.
  • the metallic layer consists of a hollow metal core, wherein the hollow metal core is produced by means of a generative manufacturing process, in particular a rapid prototyping process.
  • the metallic layer by means of a core element consisting of a basic form of a fusible carrier material, which is coated on its outer surface with the metallic layer, can be produced.
  • the basic shape can also be produced by means of a generative production method, in particular a rapid prototyping method.
  • the metallic layer can be applied to the basic form electrochemically.
  • the methods known by the term "metal coating" have been found to be advantageous
  • the basic shape may be hollow or solid, and support elements formed in a hollow basic shape are also conceivable.
  • the thickness of the metallic layers is 0.5 to 5 mm.
  • the basic shape of the core element is produced by means of a generative manufacturing process, in particular a rapid prototyping process.
  • a generative manufacturing process in particular a rapid prototyping process.
  • all materials which can be processed and melted out by means of a generative production method, in particular a rapid prototyping method can be used as materials for the basic form or the carrier material.
  • a casting according to the invention is manufactured according to a method with the features described above or with a casting mold according to the features described above.
  • the casting may be part of an aircraft engine or a gas turbine.
  • FIG. 1 is a schematic representation of two core elements used according to the method of the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through a partial region of a core element used according to the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic, partially sectioned illustration of a first casting or negative mold with inserted core elements used according to the method according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a positive mold with inserted core elements used according to the method according to the invention
  • Figure 5 is a schematic representation of a casting produced according to the inventive method with inserted core elements.
  • Figure 6 is a schematic representation of a casting produced according to the inventive method.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of two core elements 12, 14 used in accordance with the method presented.
  • the core elements 12, 14 form a complex inner structure 18 (see FIG. 6) circumferentially and have a metallic layer 22 on their respective outer circumference 20.
  • the complex internal structures 18 simulated by the core elements 12, 14 are cooling channels of a casting 10, namely a protective gas nozzle (see FIG. 6).
  • the core elements 12, 14 each consist of a basic shape 28 of a fusible carrier material 30, wherein the carrier material 30 is coated on its outer surface with the metallic layer 22.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through a partial region of the core elements 12, 14.
  • the core elements 12, 14 are solid.
  • the cavity formed by the carrier material 30 is filled by a support material 36.
  • Both the carrier material 30 and the support material 36 must be meltable.
  • these are materials that can be processed by means of a rapid prototyping process. Plastics have proved to be particularly suitable here.
  • the carrier material 30 and the support material 36 consist of the same material. However, different materials can be used.
  • the core elements 12, 14 are used in a method step a) in the method for producing a cast part from metal, a metal alloy or from plastic with at least one complex inner structure 18, in particular with at least one cavity using a casting mold.
  • a first casting or negative mold 26 for producing a positive mold 24 simulating the casting 10 takes place with the two cast-in core elements 12, 14.
  • the formation of the first casting or negative mold 26 is shown schematically in FIG. partially cut representation shown. It can be seen that the core elements 12, 14 are inserted into the first cast or negative mold 26. A cavity 16 of the first casting or negative mold 26 is filled with a fusible material, in particular wax, so that it comes to a pouring of the core elements 12, 14 in said positive mold 24.
  • the positive mold 24 is shown in FIG. In addition, it is indicated in FIG. 4 that a sprue 32 and a riser 34 are attached to the positive mold 24.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a cast part 10 produced in this way, with core elements 12, 14 still inserted.
  • the protruding cores are subsequently separated off, the basic shape 28 or the carrier material 30 and the support material 36 are melted out so that ultimately the one shown schematically in FIG finished casting 10 remains.
  • the rapid prototyping processes used to produce the core elements 12, 14 can be, for example, the process families of stereolithography, laser sintering, layer (laminate) processes, extrusion processes or 3D printing.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils (10) aus Metall, einer Metall-Legierung oder aus Kunststoff mit mindestens einer komplexen Innenstruktur (18), insbesondere mit mindestens einem Hohlraum, mittels mindestens einer Gussform, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellung von mindestens einem Kernele ment (12, 14), wobei das Kernelement (12, 14) die komplexe Innenstruktur (18) umfänglich nachbildet und an ihrem Aussenumfang (20) eine metallische Schicht (22) aufweist; b) Ausbilden einer ersten Guss- oder Negativform zur Herstellung einer das Gussteil (10) nachbildenden Positivform mit einem oder mehreren eingegossenen Kernelementen (12, 14); c) Umgießen der Positivform mit einer Hülle zur Ausbildung einer zweiten Guss- oder Negativform des Gussteils (10) und Entfernen der Positivform; d) Einfüllen von Gussmate rial in die Guss- oder Negativform und Abkühlen des Gussmaterials; und e) Entfernen der Hülle und Entnahme des Gussteils (10). Die Erfindung betrifft weiterhin eine Gussform zur Herstellung eines Gussteils aus Metall, einer Metall-Legierung oder aus Kunststoff mit mindestens einer komplexen Innenstruktur (18), insbesondere mit mindestens einem Hohlraum, wobei die Gussform (16) im Bereich der komplexen Innenstruktur (18) eine metallische Schicht (22) zur Abgrenzung gegenüber der Innenstruktur (18) aufweist.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Gussteils, Gussform und damit hergestelltes Gussteil
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus Metall, einer Metall-Legierung oder aus Kunststoff mit mindestens einer komplexen Innenstruktur, insbesondere mit mindestens einem Hohlraum, mittels mindestens einer Gussform. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Gussform zur Herstellung eines Gussteils aus Metall, einer Metall-Legierung oder aus Kunststoff mit mindestens einer komplexen Innenstruktur, insbesondere mit mindestens einem Hohlraum, sowie ein Gussteil.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung von Gussteilen aus Metall, einer Metall-Legierung oder aus Kunststoff bekannt. Bei den traditionellen Gussverfahren werden für die Herstellung von komplexen Innenstrukturen Kerne verwendet, wenn diese durch die Geometrie des z. B. „verlorenen Modells" nicht dargestellt werden können. Die Kerne sind im Regelfall aus Keramik, sie verbleiben während des Gießvorgangs in der Form und werden nach dem Erkalten der Form ausgelöst. Entscheidend dabei ist, dass die Öffnungen im Gussteil so gestaltet sind, dass ein Auslösen möglich ist. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist aber, dass eine Vielzahl von Gussteilen mit komplexen Innenstrukturen nur sehr schwer oder gar nicht in der bekannten Weise hergestellt werden können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art bereit zu stellen, welches die Herstellung von Gussteilen mit komplexen Innenstrukturen erleichtert oder ermöglicht. Ferner wäre es wünschenswert, eine Gussform der eingangs genannten Art bereit zu stellen, die die Herstellung von Gussteilen mit komplexen Innenstrukturen erleichtert oder ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den im Anspruch 1 dargelegten Merkmalen vorgeschlagen, sowie einer Gussform gemäß den Merkmalen des Anspruchs 17, sowie ein Gussteil gemäß Anspruch 26. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus Metall, einer Metall- Legierung oder aus Kunststoff mit mindestens einer komplexen Innenstruktur, insbesondere mit mindestens einem Hohlraum, umfasst mindestens eine Gussform und folgende Schritte: a) Bereitstellung von mindestens einem Kernelement, wobei das Kernelement die komplexe Innenstruktur umfänglich nachbildet und an seinem Außenumfang eine metallische Schicht aufweist; c) Umgießen der Positivform mit einer Hülle zur Ausbildung einer zweiten Guss- oder Negativform des Gussteils und Entfernen der Positivform; d) Einfüllen von Gussmaterial in die zweite Guss- oder Negativform und Abkühlen des Gussmaterials; und e) Entfernen der Hülle und Entnahme des Gussteils. Durch das erfϊndungsgemäße Verfahren wird es möglich, Gussteile mit komplexen Innenstrukturen ohne Weiteres herzustellen.
Vorzugsweise wird - insbesondere zwischen den erwähnten Schritten a) und c) der Schritt: "b) Ausbilden einer ersten Guss- oder Negativform zur Herstellung einer das Gussteil nachbildenden Positivform mit einem oder mehreren eingegossenen Kernelementen" durchgeführt.
Bei komplexen Innenstrukturen kann es sich z. B. um Kühlkanäle handeln. Zudem schützt die an dem Außenumfang des Kernelementes ausgebildete metallische Schicht die Innenstruktur gegenüber den sie umschließenden Bereichen des Gussteils, da die metallische Schicht im fertigen Gussteil verbleibt. Das Kernelement kann dabei gemäß einer Ausführungsform aus einem hohlen Metallkern bestehen. Der hohle Metallkern kann wiederum mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere eines Rapid Prototyping- Verfahrens hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, dass das Kernelement aus einer Grundform aus einem ausschmelzbaren Trägermaterial besteht, wobei das Trägermaterial an seiner Außenfläche mit einer metallischen Schicht beschichtet ist. Die Grundform kann wiederum mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere eines Rapid Proto- typing- Verfahrens hergestellt werden. Die auf der Außenfläche der Grundform bzw. der Außenfläche des Trägermaterials ausgebildete metallische Schicht kann elektrochemisch aufgetragen werden. Insbesondere kann hier ein Metalcoating- Verfahren verwendet werden, welches insbesondere für den Metallauftrag auf Kunststoffteile geeignet ist. Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Grundform hohl oder massiv ausgebildet sein. Statt einer massiven Ausbildung der Grundform können auch Trägerelemente in einer hohlen Grundform angeordnet sein. Zudem werden nach dem Verfahrensschritt e) in den Fällen in denen das Kernelement aus einer Grundform aus einem ausschmelzbaren Trägermaterial besteht, dieses aus dem fertigen Gussteil ausgeschmolzen. Als Materialien für die Grundform bzw. das Trägermaterial können grundsätzlich alle Materialien verwendet werden die einerseits bei einem generativen Fertigungsverfahren, insbesondere einem Rapid Prototyping-Verfahren verwendet werden können und ausschmelzbar sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfϊndungsgemäßen Verfahrens besteht die metallische Schicht aus einem Metall oder einer Metall-Legierung, wobei das Metall oder die Metall-Legierung einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als das Gussmaterial. Dadurch ist gewährleistet, dass die metallische Schicht im Gussteil verbleibt und die Schutzfunktion gegenüber der komplexen Innenstruktur aufrechterhalten bleibt. Beispielsweise kann das Gussmaterial aus Aluminium und die metallische Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die erste Guss- oder Negativform aus Kunststoff oder Silikon. Dadurch ist es möglich, die erste Guss- oder Negativform relativ schnell generieren zu können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die Positivform aus einem leicht schmelzbaren Metall, insbesondere Wachs. Durch das Ausgießen der ersten Guss- oder Negativform mit z. B. Wachs ergibt sich eine detailgetreue Nachbildung des zu gießenden Gussteils. Zudem erleichtert die Herstellung eines so genannten Wachslings dessen anschließende Entfernung aus der zweiten Guss- oder Negativform. Des Weiteren ist es möglich, an die Positivform im Verfahrensschritt d) mindes- tens einen Anguss und mindestens einen Steiger anzubringen. Dies erleichtert zudem das Ausgießen der zweiten Guss- oder Negativform mit dem Gussmaterial, des Weiteren ergibt sich dadurch eine erhöhte Gießgenauigkeit.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die im Verfahrensschritt c) ausgebildete Hülle aus Keramik. Diese Materialwahl ist vorteilhaft, da Keramik einerseits einen genauen Abguss der Positivform ermöglicht und andererseits ohne weiteres wieder vom fertigen Gussteil wieder entfernt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach dem Verfahrensschritt e) möglicherweise überstehende Teile des Kernelements entfernt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Dicke des Kernelements oder die Dicke der metallischen Schichten 0,5 bis 5 mm. Dadurch ist einerseits eine genügend große Stabilität der metallischen Schicht gewährleistet. Andererseits beeinträchtigt die metallische Schicht nicht die Ausgestaltung der von ihr umgebenen Innenstrukturen.
Eine erfindungsgemäße Gussform zur Herstellung eines Gussteils aus Metall, einer Metall- Legierung oder aus Kunststoff mit mindestens einer komplexen Innenstruktur, insbesondere mit mindestens einem Hohlraum weist im Bereich der komplexen Innenstruktur eine metallische Schicht zur Abgrenzung gegenüber der Innenstruktur auf. Mit einer derartigen Gussform ist es einerseits möglich Gussteile mit komplexen Innenstrukturen einfach herzustellen. Andererseits gewährleistet die erfindungsgemäße Gussform, dass die komplexe Innenstruktur gegenüber dem sie umgebenden Gussmaterial geschützt ist. Die metallische Schicht kann dabei aus einem Metall oder einer Metall-Legierung bestehen, wobei das Metall oder die Metall-Legierung einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als das Gussmaterial. Zum Beispiel kann für die metallische Schicht Kupfer oder eine Kupferlegierung bei Aluminium als Gussmaterial verwendet werden. In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gussform besteht die metallische Schicht aus einem hohlen Metallkern, wobei der hohle Metallkern mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere eines Rapid Prototyping- Verfahrens hergestellt ist. Es ist aber auch möglich, dass die metallische Schicht mittels eines Kernelements bestehend aus einer Grundform aus einem ausschmelzbaren Trägermaterial, welche an ihrer Außenfläche mit der metallischen Schicht beschichtet ist, herstellbar ist. Auch die Grundform kann mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere eines Rapid Prototyping- Verfahrens hergestellt sein. Die metallische Schicht kann dabei auf die Grundform elektrochemisch aufgetragen werden. Insbesondere die unter dem Verfahrensbegriff „Metalcoating" bekannten Verfahren haben sich als vorteilhaft herausgestellt. Zudem kann die Grundform hohl oder massiv ausgebildet sein, auch in einer hohlen Grundform ausgebildete Stützelemente sind denkbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gussform beträgt die Dicke der metallischen Schichten 0,5 bis 5 mm. Dadurch ist einerseits ein ausreichender Schutz der Innenstruktur gegenüber dem sie umgebenden Gussmaterial gewährleistet, andererseits ist die Dicke so gering, dass durch die metallische Schicht der Aufbau der Innenstruktur selbst nicht gestört wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gussform ist die Grundform des Kernelementes mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere eines Rapid Prototyping- Verfahrens hergestellt. Als Materialien für die Grundform bzw. das Trägermaterial können grundsätzlich alle Materialien verwendet werden, die mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere eines Rapid Prototyping- Verfahrens verarbeitbar und ausschmelzbar sind.
Ein erfindungsgemäßes Gussteil ist hergestellt nach einem Verfahren mit den im vorhergehenden beschriebenen Merkmalen oder mit einer Gussform gemäß den im vorhergehenden beschriebenen Merkmalen. Beispielsweise kann das Gussteil ein Teil eines Flugtriebwerks oder eine Gasturbine sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiels. Dabei zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung zweier gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeter Kernelemente;
Figur 2 eine schematische Schnittansicht durch einen Teilbereich eines gemäß dem erfin- dungsgemäßen Verfahren verwendeten Kernelements;
Figur 3 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten ersten Guss- oder Negativform mit eingelegten Kernelementen;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Positivform mit eingelegten Kernelementen;
Figur 5 eine schematische Darstellung eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gussteils mit eingelegten Kernelementen; und
Figur 6 eine schematische Darstellung eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gussteils.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung zweier gemäß dem vorgestellten Verfahren verwendeter Kernelemente 12, 14. Die Kernelemente 12, 14 bilden eine komplexe Innenstruktur 18 (vergleiche Figur 6) umfänglich nach und weisen an ihrem jeweiligen Außenumfang 20 eine metallische Schicht 22 auf. Bei den durch die Kernelemente 12, 14 nachgebildeten komplexen Innenstrukturen 18 handelt es sich um Kühlkanäle eines Gussteils 10, nämlich einer Schutzgasdüse (vergleiche Figur 6). In dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel bestehen die Kernelemente 12, 14 jeweils aus einer Grundform 28 aus einem ausschmelzbaren Trägermaterial 30, wobei das Trägermaterial 30 an seiner Außenfläche mit der metallischen Schicht 22 beschichtet ist. Ein derartiger Aufbau der Kernelemente 12, 14 ist in der Figur 2 beschrieben, wobei die Figur 2 eine schematische Schnittansicht durch einen Teilbereich der Kernelemente 12, 14 dargestellt. Zudem erkennt man, dass die Kernelemente 12, 14 massiv ausgebildet sind. Hierzu ist der durch das Trägermaterial 30 gebildete Hohlraum durch ein Stützmaterial 36 ausgefüllt. Sowohl das Trägermaterial 30 wie auch das Stützmaterial 36 müssen ausschmelzbar sein. Des Weiteren handelt es sich um Materialien, die mittels eines Rapid Prototyping-Verfahrens verarbeitet werden können. Als besonders geeignet haben sich hierbei Kunststoffe erwiesen. Des Weiteren ist es möglich, dass das Trägermaterial 30 und das Stützmaterial 36 aus dem gleichen Material bestehen. Allerdings können auch unterschiedliche Materialien verwendet werden. Die Kernelemente 12, 14 werden in einem Verfahrensschritt a) beim Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus Metall, einer Metall-Legierung oder aus Kunststoff mit mindestens einer komplexen Innenstruktur 18, insbesondere mit mindestens einem Hohlraum unter Verwendung einer Gussform verwendet.
In einem weiteren Verfahrensschritt b) erfolgt die Ausbildung einer ersten Guss- oder Negativform 26 zur Herstellung einer das Gussteil 10 nachbildenden Positivform 24 mit den beiden eingegossenen Kernelementen 12, 14. Das Ausbilden der ersten Guss- oder Negativform 26 ist in Figur 3 als schematische, teilweise geschnittene Darstellung gezeigt. Man erkennt, dass die Kernelemente 12, 14 in die erste Guss- oder Negativform 26 eingelegt sind. Ein Hohlraum 16 der ersten Guss- oder Negativform 26 wird mit einem ausschmelzbaren Material, insbesondere Wachs, ausgefüllt, so dass es zu einem Eingießen der Kernelemente 12, 14 in die genannte Positivform 24 kommt. Die Positivform 24 ist in Figur 4 dargestellt. Zudem ist in Figur 4 angedeutet, dass an die Positivform 24 ein Anguss 32 und ein Steiger 34 angebracht wird. Nach einem Umgießen der Positivform 24 mit einer Hülle, insbesondere mit einer Hülle zur Ausbildung einer zweiten Guss- und Negativform des Gussteils 10, wird die Positivform 24 entfernt, insbesondere ausgeschmolzen. Die Hülle zur Ausbildung der zweiten Guss- oder Negativform besteht beispielsweise aus Keramik. Nach einem Einfüllen von Gussmaterial in die zweite Guss- oder Negativform und einem Abkühlen des Gussmaterials gemäß den weiteren Verfahrensschritten c) und d) folgt in einem letzten Verfahrensschritt e) das Entfernen der Hülle und die Entnahme des fertigen Gussteils 10. Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines derart hergestellten Gussteils 10 mit noch eingelegten Kernelementen 12, 14. Die überstehenden Kerne werden anschließend abgetrennt, die Grundform 28 bzw. das Trägermaterial 30 und das Stützmaterial 36 werden ausgeschmolzen, so dass letztendlich das in Figur 6 schematisch dargestellte fertige Gussteil 10 verbleibt. Man erkennt die komplexen Innenstrukturen 18, nämlich die Kühlkanäle der genannten Schutzgasdüse.
Bei den zur Herstellung der Kernelemente 12, 14 verwendeten Rapid Prototyping- Verfahren kann es sich zum Beispiel um die Verfahrensfamilien Stereolithographie, Lasersintern, Schicht-(Laminat-) Verfahren, Extrusionsverfahren oder 3D-Printing handeln.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus Metall, einer Metall-Legierung oder aus Kunststoff mit mindestens einer komplexen Innenstruktur (18), insbesondere mit mindestens einem Hohlraum, mittels mindestens einer Gussform, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellung von mindestens einem Kernelement (12, 14), wobei das Kernelement (12, 14) die komplexe Innenstruktur (18) umfänglich nachbildet und an seinem Aussenumfang (20) eine metallische Schicht (22) aufweist; c) Umgießen der Positivform (24) mit einer Hülle zur Ausbildung einer zweiten Guss- oder Negativform des Gussteils (10) und Entfernen der Positivform (24); d) Einfüllen von Gussmaterial in die zweite Guss- oder Negativform und Abkühlen des Gussmaterials; und e) Entfernen der Hülle und Entnahme des Gussteils (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - insbesondere zwischen den Schritten a) und c) - der Schritt " b) Ausbilden einer ersten Guss- oder Negativform (26) zur Herstellung einer das Gussteil (10) nachbildenden Positivform (24) mit einem oder mehreren eingegossenen Kernelementen (12, 14)" durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (12, 14) aus einem hohlen Metallkern besteht.
4. Verfahren einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hohle Metallkern mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere eines Rapid Prototyping- Verfahrens hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (12, 14) aus einer Grundform (28) aus einem ausschmelzbaren Trä- germaterial (30) besteht, wobei das Trägermaterial (30) an seiner Außenfläche mit der metallischen Schicht (22) beschichtet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform (28) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere eines Rapid Prototyping- Verfahrens hergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (22) elektrochemisch aufgetragen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform (28) hohl oder massiv ausgebildet ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (22) aus einem Metall oder einer Metall-Legierung besteht, wobei das Metall oder die Metall-Legierung einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als das Gussmaterial.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Guss- oder Negativform (26) aus Kunststoff oder Silikon besteht.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positivform (24) aus einem leicht schmelzbaren Material, insbesondere Wachs besteht.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die Positivform (24) im Verfahrensschritt b) mindestens einen Anguss (32) und mindestens einen Steiger (34) angebracht werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Verfahrensschritt c) ausgebildete Hülle aus Keramik besteht.
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14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt e) möglicherweise überstehende Teile des Kernelements (12, 14) entfernt werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt e) das Trägermaterial (30) ausgeschmolzen wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Kernelements (12, 14) oder die Dicke der metallischen Schicht (22) 0,05 bis 5 mm beträgt.
17. Gussform zur Herstellung eines Gussteils aus Metall, einer Metall-Legierung oder aus Kunststoff mit mindestens einer komplexen Innenstruktur (18), insbesondere mit mindestens einem Hohlraum, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform (16) im Bereich der komplexen Innenstruktur (18) eine metallische Schicht (22) zur Abgrenzung gegenüber der Innenstruktur (18) aufweist.
18. Gussform nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (22) aus einem hohlen Metallkern besteht.
19. Gussform nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der hohle Metallkern mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere eines Rapid Prototy- ping- Verfahrens hergestellt ist.
20. Gussform nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (22) mittels eines Kernelements (12, 14) bestehend aus einer Grundform (28) aus einem ausschmelzbaren Trägermaterial (30), welche an ihrer Außenfläche mit der metallischen Schicht (22) beschichtet ist, herstellbar ist.
1 1
21. Gussform nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform (28) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere eines Rapid Prototy- ping- Verfahrens hergestellt ist.
22. Gussform nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (22) elektrochemisch aufgetragen ist.
23. Gussform nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform (28) hohl oder massiv ausgebildet ist.
24. Gussform nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (22) aus einem Metall oder einer Metall-Legierung besteht, wobei das Metall oder die Metall-Legierung einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als das Gussmaterial.
25. Gussform nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der metallischen Schicht (22) 0,05 bis 5 mm beträgt.
26. Gussteil hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 o- der mit einer Gussform gemäß einem der Ansprüche 17 bis 25.
27. Gussteil nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil ein Teil eines Flugtriebwerks oder einer Gasturbine ist.
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