EP2858772B1

EP2858772B1 - Kühlvorrichtung und verfahren zur kühlung eines während eines lost foam giessverfahrens hergestellten bauteils

Info

Publication number: EP2858772B1
Application number: EP13727604.4A
Authority: EP
Inventors: Georg Böhm; Uwe Michallik; Ralf Walther; Veronika HIRSCH
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: DE102012209805A1; US20150165520A1; EP2858772A1; WO2013186124A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung eines während eines Lost Foam Gießverfahrens mittels eines EPS-Modells hergestellten Bauteils, insbesondere eines hoch beanspruchten Bauteils eines Kraftfahrzeuges, wie eines Zylinderkopfes, wobei die Kühlvorrichtung wenigstens ein Kühlelement aufweist, welches an zumindest einen Bereich des EPS-Modells flächig anordenbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung eines während eines Lost Foam Gießverfahrens mittels eines EPS-Modells hergestellten Bauteils, insbesondere eines hoch beanspruchten Bauteils eines Kraftfahrzeuges, wie eines Zylinderkopfes.
Ein klassisches Gießverfahren zur Herstellung komplexer Bauteile, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ist das Sandgussverfahren. Die Erstellung und Aufbereitung der Sandkerne ist jedoch mit hohen Kosten verbunden. Auch die Nachbearbeitung der fertigen Gussteile ist mit hohem Aufwand und Kosten verbunden.
Alternativ zu dem Sandgussverfahren hat sich das Lost Foam Verfahren herauskristallisiert. Beim Lost Foam Gießverfahren dient ein Positivmodell aus EPS (expandiertes Polystyrol) als Gießmodell. Es handelt sich hierbei um ein sogenanntes Vollformgießverfahren. Nach Auftragen eines mineralischen Feuerfestüberzuges, der sogenannten Schlichte, wird das EPS-Modell in ungebundenen Sand eingebettet. Im Anschluss wird Gießmetall, die Schmelze, auf das EPS-Modell gegossen, was dazu führt, dass dieses verbrennt und somit das Metall die Form des Modells einnimmt. Das heißt, dass aus EPS, beispielsweise Polystyrol, bestehende Modell verdampft durch die Schmelze. Der Überzug aus dem Feuerfestmaterial dient zum einen als Trennschicht zwischen Metall und Sand und zum anderen gewährleistet er die Gasabfuhr der Verbrennungsgase in den Sand.
Die Abkühlung und die damit einhergehende Erstarrung des Metalls erfolgt durch einen Wärmetransport vom Metall in den Sand. Die Wärmeleitfähigkeit von Sand ist jedoch, im Vergleich zu anderen Materialien, sehr gering. Dies führt zu einer sehr langsamen Abkühlung und damit auch sehr langsamen Erstarrung. Eine langsame Erstarrung bei metallischen Gießwerkstoffen, wie beispielsweise Aluminium, Grauguss, etc., führt zur Ausbildung eines "groben Gefüges" und zur Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des entstehenden Bauteils. Durch diese Nachteile ist das Lost Foam Gießverfahren für hoch beanspruchte Bauteile, wie zum Beispiel Zylinderköpfe für Turbomotoren von Kraftfahrzeugen, nur bedingt geeignet. Das heißt, die eigentlichen Vorteile des Lost Foam Gießverfahrens, wie eine Gewichtseinsparung durch optimierte Konstruktion, ein hoher Automatisierungsgrad und eine damit verbundene Effizienz für solche Bauteile können nicht genutzt werden.
Aus der EP 2 357 049 ist ein Lost Foam Gießverfahren bekannt, bei dem ein EPS-Modell in einen starren Käfig eingeführt wird, der als Kühlung des entstehenden Bauteils dienen soll. Ein derartiges Lost Foam Gießverfahren kann aufgrund der verbesserten Wärmeabfuhr auch bei Bauteilen eingesetzt werden, bei denen die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften des entstehenden Bauteils hoch sind. Allerdings weist auch dieses Lost Foam Gießverfahren, insbesondere der Kühlkäfig, Schwächen auf. Der Anpressdruck der Kühlplatten des Käfigs geht mit zunehmender Volumenschwindung während der Erstarrung des eingegossenen Metalls verloren. Eine Nachführung der Kühlplatten ist aufgrund der starren Käfigkonstruktion nicht möglich. Die Kühlleistung ist dadurch relativ gering. Insbesondere schwindet die Kühlleistung der Kühlplatten der Käfigkonstruktion während der Erstarrung des Gießmetalls, insbesondere wenn kein ausreichender Kontakt zu dem erstarrenden Bauteil gegeben ist.
Aus der DE 10 2004 016 132 A1 ist ein Lost Foam Gießverfahren bekannt, bei dem ein feinporöser gasdurchlässiger und insbesondere aus Metall gefertigter Gasableitungs- und Kühlkörper in das Einformmaterial integriert wird, um Wärme und Zersetzungsgase während des Gießvorgangs aus dem Gießraum abzuleiten.
Die JP S59 191542 A zeigt ein Gießverfahren bei dem ein Model mit einem Kühlelement versehen und in einer Gießform angeordnet wird. Das Kühlelement wird mittels eines Klebers an dem Model gehalten.
Die FR 2 685 229 A1 zeigt ein Lost Foam Gießverfahren bei dem ein Model und ein Kühlelement in einer Gießform angeordnet werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Lost Foam Gießverfahren zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung , eine Kühlvorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung eines während eines Lost Foam Gießverfahrens mittels eines EPS-Modells hergestellten Bauteils, insbesondere eines hoch beanspruchten Bauteils eines Kraftfahrzeuges, zur Verfügung zu stellen, welche in kostengünstiger und einfacher Art und Weise eine gute Kühlung des entstehenden Bauteils ermöglichen;.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Weitere Merkmale und Details der Erfindungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Das heißt, die vorangestellte Aufgabe der Erfindung wird durch eine Kühlvorrichtung zur Kühlung eines während eines Lost Foam Gießverfahrens mittels eines EPS-Modells hergestellten Bauteils, wobei die Kühlvorrichtung wenigstens ein Kühlelement aufweist, welches an zumindest einen Bereich des EPS-Modells flächig anordenbar ist, gelöst. Die Kühlvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kühlelement stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig an dem zumindest einen Bereich des EPS-Modells festlegbar ist.
Eine derartige Kühlvorrichtung ermöglicht in kostengünstiger und einfacher Art und Weise eine gute Kühlung des entstehenden Bauteils, insbesondere eines hoch beanspruchten Bauteils für den Kraftfahrzeugbereich, während eines Lost Foam Gießverfahrens mittels eines EPS-Modells. Insbesondere kann eine derartige Kühlvorrichtung eine dauerhafte Kühlwirkung während des Erstarrungsprozesses des Bauteils gewährleisten.
Durch das stoff- und/oder kraftschlüssige Anbringen von wenigstens einem Kühlelement am EPS-Modell kann die Erstarrungsgeschwindigkeit der eingegossenen Schmelze lokal stark erhöht werden. Durch eine lokale Erhöhung der Erstarrungsgeschwindigkeit kann zum einen eine gerichtete Erstarrung der Metallschmelze eingeleitet und zum anderen das Gefüge des entstehenden Bauteils deutlich verfeinert werden. Das wenigstens eine Kühlelement weist vorteilhafterweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine adäquate Wärmekapazität auf. Das wenigstens eine Kühlelement ist derart ausgebildet, dass es an zumindest einen Bereich des EPS-Modells flächig, also formschlüssig, angebracht werden kann. Vorteilhafterweise weist das wenigstens eine Kühlelement die Form des Bereiches des EPS-Modells auf, an den es angeordnet werden soll. Dadurch, dass das wenigstens eine Kühlelement zusätzlich zu der flächigen beziehungsweise formschlüssigen Anlage stoff- und/oder kraftschlüssig an dem zumindest einen Bereich des EPS-Modells festlegbar ist, ist gewährleistet, dass das wenigstens eine Kühlelement während der Erstarrung der Schmelze dauerhaft eine hohe Kühlwirkung gewährleistet. Insbesondere kann durch eine derartige Kühlvorrichtung ein Ausgleich von Maßabweichungen des EPS-Modells, insbesondere bei nicht parallelen Modellhälften, sichergestellt werden. Die stoffschlüssige und/oder kraftschlüssige Festlegung des zumindest einen Kühlelementes an das EPS-Modell gewährleistet eine sichere Anhaftung des Kühlelementes an dem EPS-Modell. Insbesondere durch die kraftschlüssige Festlegung des zumindest einen Kühlelementes an den wenigstens einen Bereich des EPS-Modells ist eine hohe Kühlwirkung auf das durch das Gießmetall entstehende Bauteil gewährleistet. Durch eine kraftschlüssige Festlegung kann der Anpressdruck des wenigstens einen Kühlelementes während des gesamten Erstarrungsprozesses des Bauteils aufrecht gehalten werden. Der Anpressdruck des wenigstens einen Kühlelementes geht insbesondere durch die kraftschlüssige Festlegung des wenigstens einen Kühlelementes an das EPS-Modell und anschließend auch an das entstehende Bauteil, selbst bei einer Volumenschwindung während des Erstarrens des Gießmetalls, nicht verloren.
Durch das formschlüssige sowie stoff- und/oder kraftschlüssige Aufbringen des wenigstens einen Kühlelementes auf das EPS-Modell vor dem Gießen und der Separierung des wenigstens einen Kühlelementes nach dem Auspacken des Gussstückes, ist eine Wiederverwendung des wenigstens einen Kühlelementes gewährleistet. Am Beispiel eines Zylinderkopfes können Kühlelemente, zum Beispiel Kühlplatten, im Bereich der Brennräume und der Brennraumdichtfläche angebracht werden.
Die lokale Erhöhung der Erstarrungsgeschwindigkeit der auf das EPS-Modell gegossenen Metallschmelze führt zu einer deutlichen Verbesserung des Gefüges und damit der mechanischen Eigenschaften des Gussteils in diesen Bereichen. Die gerichtete Erstarrung, ausgehend vom gekühlten Bereich, kann zu einer besseren Speisung, das heißt zu einem verbesserten Ausgleichen des bei der Erstarrung entstehenden Volumendefizites genutzt werden. Da viele Bauteile nicht über ihre gesamte Geometrie hoch beansprucht sind, kann durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung das Lost Foam Gießverfahren auch auf Bauteile angewendet werden, die aufgrund ihrer Anforderung durch das Verfahren bislang nicht darstellbar waren. Ein möglicher Anwendungsfall sind beispielsweise Zylinderköpfe für aufgeladene Ottomotoren aus Leichtmetall. Die Wirkung des wenigstens einen Kühlelementes lässt sich über die Auswahl der Werkstoffe und der verwendeten Volumen steuern.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Kühlvorrichtung vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Kühlelement zur stoffschlüssigen Festlegung an den zumindest einen Bereich des EPS-Modells ein Klebeelement aufweist. Als Klebeelement kann ein Klebeband, insbesondere doppelseitiges Klebeband, vorgesehen sein. Dieses ist auf das Kühlelement aufgebracht. Alternativ zu dem Klebeband kann das Klebeelement ein Heiß- oder Kaltkleber sein, der auf das Kühlelement aufgebracht ist. Das Klebeelement sorgt für einen besonders festen und insbesondere formschlüssigen Sitz des Kühlelementes an dem EPS-Modell.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Kühlvorrichtung vorgesehen sein, dass die Kühlvorrichtung zwei oder mehr Kühlelemente aufweist und dass zur kraftschlüssigen Festlegung der zwei oder mehr Kühlelemente wenigstens ein Spannelement und/oder wenigstens ein Klemmelement vorgesehen ist/sind. Durch eine derartige Kühlvorrichtung ist sichergestellt, dass trotz einer Volumenschwindung des Bauteils während des Erstarrens der Schmelze ein dauerhafter Anpressdruck der zwei oder mehr Kühlelemente auf das Bauteil ausgeübt und damit eine dauerhafte Kühlwirkung der Kühlelemente auf das erstarrende Bauteil ausgeübt werden kann. Durch das wenigstens eine Spannelement und/oder wenigstens eine Klemmelement können die Kühlelemente während des Erstarrens der Schmelze gegen das entstehende Bauteil gepresst werden. Das heißt, das wenigstens eine Spannelement beziehungsweise das wenigstens eine Klemmelement stellt sicher, dass die Kühlelemente während des Erstarrungsprozess dauerhaft formschlüssig an dem Bauteil anliegen. Durch das Verspannen beziehungsweise Festklemmen der Kühlelemente an dem EPS-Modell kann die Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze lokal stark erhöht werden. Durch eine lokale Erhöhung der Erstarrungsgeschwindigkeit kann zum einen eine gerichtete Erstarrung der Schmelze eingeleitet und zum anderen das Gefüge des entstehenden Bauteils deutlich verfeinert werden.
Insbesondere ist eine Kühlvorrichtung bevorzugt, bei der das wenigstens eine Spannelement und/oder das wenigstens eine Klemmelement zur gegenseitigen Verspannung beziehungsweise zum gegenseitigen Verklemmen der zwei oder mehr Kühlelemente gegen das EPS-Modell ausgebildet ist. Insbesondere können zwei oder mehr Spannelemente beziehungsweise Klemmelemente vorgesehen sein. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Kühlelemente während des Erstarrens des Bauteils gleichmäßig und dauerhaft an bestimmte Bereiche des erstarrenden Bauteils formschlüssig angepresst werden. Die damit verbundene lokale Erhöhung der Erstarrungsgeschwindigkeit des erstarrenden Bauteils führt zu einer deutlichen Verbesserung des Gefüges des entstehenden Bauteils und damit der mechanischen Eigenschaften des entstehenden Bauteils in diesen Bereichen. Die gerichtete Erstarrung und das Anpressen der Kühlelemente mittels des wenigstens einen Spannelementes beziehungsweise Klemmelementes führt zu einem besseren Ausgleichen des bei der Erstarrung entstehenden Volumendefizites des Gussteils. Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit der gegenseitigen Verspannung beziehungsweise Verklemmung der Kühlelemente. Das heißt, die Kühlvorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass das wenigstens eine Spannelement oder das wenigstens eine Klemmelement die Kühlelemente zusammenpresst oder zusammenzieht. Mittels einer derartigen Kühlvorrichtung sind auch hoch beanspruchte Bauteile, insbesondere Kraftfahrzeugteile, wie Zylinderköpfe aus Leichtmetall, durch ein Lost Foam Gießverfahren erzeugbar.
Das wenigstens eine Spannelement kann verschiedenartig ausgebildet sein. Bevorzugt ist eine Kühlvorrichtung, bei der das wenigstens eine Spannelement ein Band, einen Draht, eine Feder, einen Federspanner und/oder einen Schraubspanner umfasst. Hierdurch kann während des gesamten Erstarrungsprozesses des Gussteils ein hoher Anpressdruck der Kühlelemente auf das Gussteil sichergestellt werden. So können Bänder die Kühlelemente und damit das EPS-Modell unter Spannung umreifen. Ferner können verdrillte Drähte um die Kühlelemente und das EPS-Modell unter einer bestimmten Vorspannung angeordnet werden. Insbesondere können auch Federn vorgesehen sein, die an den Kühlelementen angebracht sind und die die Kühlelemente gegen das EPS-Modell pressen. Besonders bevorzugt sind zwei oder mehr Kühlelemente mit zwei oder mehr Federn gegenseitig vorgespannt. Das heißt, die Federn sind derart ausgebildet und an den Kühlelementen angeordnet, dass diese die Kühlelemente gegen die Oberfläche von zumindest Bereichen des EPS-Modells pressen. Über Federspanner können die Federn verspannt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Kühlvorrichtung vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Klemmelement zum hydraulischen, pneumatischen oder mechanischen Verklemmen der zwei oder mehr Kühlelemente gegen das EPS-Modell ausgebildet ist. Hierdurch ist ein dauerhaftes Anpressen der Kühlelemente an das erstarrende Bauteil gewährleistet. Zur mechanischen Verklemmung können beispielsweise Schraubklemmen vorgesehen sein. Durch eine hydraulische oder pneumatische Verklemmung der Kühlelemente gegen das EPS-Modell können die Kühlelemente nach dem Eingießen des Gießmetalls dauerhaft an das erstarrende Bauteil angepresst werden, um so eine verbesserte Kühlung des Bauteils zu ermöglichen. Hierdurch kann eine lokale Erhöhung der Erstarrungsgeschwindigkeit erreicht werden und damit eine gerichtete Erstarrung des Gussteils eingeleitet und das Gefüge des erstarrenden Bauteils deutlich verfeinert werden.
Besonders bevorzugt ist eine Kühlvorrichtung, bei der zwei oder mehr Kühlelemente zum Verklemmen gegen das EPS-Modell durch Federelemente, insbesondere Spiralfedern, miteinander verbunden sind. Dies stellt eine einfache und kostengünstige Art der gegenseitigen Verklemmung der Kühlelemente gegen das EPS-Modell und das entstehende Bauteil dar. Insbesondere können durch diese Art der Verklemmung auch Bereiche des entstehenden Bauteils gekühlt werden, die nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. Durch das formschlüssige Aufbringen des wenigstens einen Kühlelementes auf das EPS-Modell vor dem Gießen mittels Kleben, Klemmen, Spannen etc. und der Separierung dieser nach dem Auspacken des erstarrten Bauteils, ist eine Wiederverwendung des wenigstens einen Kühlelementes gewährleistet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei einer Kühlvorrichtung vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Kühlelement zur aktiven Kühlung ausgebildet ist. Aktive Kühlung bedeutet, dass das Kühlelement zur Wärmeabfuhr gekühlt wird. Dies kann beispielsweise durch das Anbringen eines weiteren Kühlelementes auf das Kühlelement erfolgen. Alternativ kann das wenigstens eine Kühlelement als Wärmetauscher ausgebildet sein. Besonders bevorzugt kann bei einer Kühlvorrichtung vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Kühlelement wenigstens eine Leitung, wenigstens eine Bohrung und/oder wenigstens einen Hohlraum zum Durchleiten eines Kühlmediums von und zu einem Kühlaggregat der Kühlvorrichtung aufweist. Das Kühlmedium kann gasförmig oder flüssig sein. Das heißt, um die Effektivität des wenigstens einen Kühlelementes weiter zu steigern, kann eine aktive Kühlung des Kühlelementes mittels eines Kühlmediums, beispielsweise durch Wasser, vorgesehen sein. Hierfür kann in dem Kühlelement ein geschlossenes Kühlsystem, beispielsweise umfassend einen Hohlraum, Bohrungen und/oder Leitungen, integriert und während des Abgusses und der Erstarrung mit einem Kühlaggregat verbunden sein.
Vorteilhaft sind Kühlelemente, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine adäquate Wärmekapazität aufweisen. Solche Kühlelemente sind beispielsweise aus Stahl, Grauguss, Wolfram, Aluminium, Graphit oder Kupfer ausgebildet.
Durch die zuvor beschriebenen Kühlvorrichtungen zur Kühlung eines während eines Lost Foam Gießverfahrens mittels eines EPS-Modells hergestellten Bauteils kann eine lokale Erhöhung der Erstarrungsgeschwindigkeit des Bauteils erreicht werden, was zu einer deutlichen Verbesserung des Gefüges und damit der mechanischen Eigenschaften des Gussteils in diesen Bereichen führt. Da viele Bauteile nicht über ihre gesamte Geometrie hoch beansprucht sind, kann durch eine zuvor beschriebene Kühlvorrichtung das Lost Foam Gießverfahren auch bei Bauteilen angewendet werden, die aufgrund ihrer Anforderung durch ein Lost Foam Gießverfahren bislang nicht darstellbar waren. Die Wirkung eines Kühlelementes lässt sich über die Auswahl der Werkstoffe und der verwendeten Volumen steuern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Kühlung eines während eines Lost Foam Gießverfahrens mittels eines EPS-Modells hergestellten Bauteils gelöst, wobei das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

a) eine Kühlvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, insbesondere gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, wird flächig an zumindest einen Bereich des EPS-Modells stoff- und/oder kraftschlüssig festgelegt, wobei das EPS-Modell einen Gießlauf für eine Metallschmelze aufweist,
b) das EPS-Modell mit der Kühlvorrichtung ist oder in einen Gießbehälter eingeführt wird,
c) das EPS-Modell mit der Kühlvorrichtung wird durch Einfüllen von ungebundenem Sand in den Gießbehälter vollständig eingebettet,
d) zur Verdampfung des EPS-Modells wird Metallschmelze in den Gießlauf des EPS-Modell eingefüllt, und
e) zumindest ein Bereich der eingefüllten Metallschmelze wird durch das wenigstens eine Kühlelement gekühlt.

In einem ersten Schritt wird das zumindest eine Kühlelement der Kühlvorrichtung formschlüssig an wenigstens einen Bereich des EPS-Modells festgelegt. Das Festlegen beziehungsweise Fixieren des Kühlelementes erfolgt stoff- und/oder kraftschlüssig. Insbesondere kann das Kühlelement mittels eines Klebeelementes, wie eines Klebebandes, eines Kalt- oder Heißklebers, an dem EPS-Modell, insbesondere an Stellen des EPS-Modells, die später eine schnelle Kühlung erfordern, fixiert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das zumindest eine Kühlelement kraftschlüssig, beispielsweise mittels eines oder mehrerer Spann- und/oder Klemmelemente, an dem EPS-Modell unter einem bestimmten Anpressdruck festgelegt wird. Das EPS-Modell weist einen Gießlauf für Metallschmelze auf. Im einfachsten Fall ist der Gießlauf durch das EPS-Modell selbst gebildet. Es können aber auch zusätzliche Kanäle zu dem EPS-Modell vorgesehen sein, durch die die Metallschmelze zu dem EPS-Modell geführt wird. Das Festlegen des zumindest einen Kühlelements der Kühlvorrichtung an das EPS-Modell kann innerhalb eines Gießbehälters erfolgen. Das bedeutet, es ist möglich, dass das EPS-Modell zunächst in einen Gießbehälter eingeführt und anschließend das zumindest eine Kühlelement der Kühlvorrichtung formschlüssig an wenigstens einen Bereich des EPS-Modells festgelegt wird. Alternative dazu kann das zumindest eine Kühlelement der Kühlvorrichtung formschlüssig an wenigstens einen Bereich des EPS-Modells festgelegt werden und anschließend wird das EPS-Modell mit der Kühlvorrichtung in einen Gießbehälter eingeführt. Das Festlegen beziehungsweise Fixieren des zumindest einen Kühlelementes an das EPS-Modell kann beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Anschließend wird das EPS-Modell mit der Kühlvorrichtung in Sand, insbesondere ungebundenen Sand, eingebettet. Das EPS-Modell, welches ein sogenanntes Positivmodell des zu erzeugenden Bauteils darstellt, wird vollständig durch Sand umgeben. Nach der Einbettung in Sand wird Metallschmelze in den Gießlauf des EPS-Modells eingefüllt, so dass das EPS-Modell verdampft. Das heißt, das EPS-Modell verbrennt durch die eingegossene Metallschmelze, so dass die Metallschmelze die Form des EPS-Modells einnimmt. Nach dem Einfüllen der Metallschmelze wird der Bereich der eingefüllten Metallschmelze durch das wenigstens eine Kühlelement der Kühlvorrichtung gekühlt, an dem das Kühlelement angeordnet ist.
Die Abkühlung und die damit einhergehende Erstarrung der Metallschmelze erfolgt durch einen Wärmetransport von der Metallschmelze in den Sand und wo ein Kühlelement ist in das Kühlelement. Die Wärmeleitfähigkeit des Kühlelementes ist im Vergleich zu der Wärmeleitfähigkeit des Sandes hoch, so dass dort, wo das Kühlelement auf die Metallschmelze trifft, eine erhöhte Abkühlung der Metallschmelze erfolgt. Durch die schnellere Abkühlung der Metallschmelze im Bereich des Kühlelementes wird an diesem Bereich eine schnellere Erstarrung der Metallschmelze erreicht. Die führt bei metallischen Gießwerkstoffen, wie beispielsweise Aluminium, Grauguss, etc., zur Ausbildung eines "feinen Gefüges" und zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des entstehenden Bauteils. Durch die bereichsweise verbesserte Kühlung ist das Lost Foam Gießverfahren auch für hoch beanspruchte Bauteile, wie zum Beispiel Zylinderköpfe für Turbomotoren von Kraftfahrzeugen, geeignet. Gleichzeitig können Vorteile des Lost Foam Gießverfahrens, wie eine Gewichtseinsparung durch optimierte Konstruktion, ein hoher Automatisierungsgrad und eine damit verbundene Effizienz für solche Bauteile genutzt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass vor dem Festlegen der Kühlvorrichtung an das EPS-Modell ein mineralischer Feuerfestüberzug auf das EPS-Modell aufgetragen wird. Das heißt, bei dem Verfahren wird auf das EPS-Modell ein mineralischer Feuerfestüberzug, die sogenannte Schlichte, aufgetragen. Erst anschließend werden ein oder mehrere Kühlelemente der Kühlvorrichtung an das EPS-Modell festgelegt. Dadurch ist zwischen einem Kühlelement und dem EPS-Modell der mineralische Feuerfestüberzug. Nach Eingießen der Metallschmelze verdampft das aus Polystyrol bestehende EPS-Modell. Der Überzug aus dem Feuerfestmaterial dient zum einen als Trennschicht zwischen der Metallschmelze und dem Sand und zum anderen gewährleistet er die Gasabfuhr der Verbrennungsgase in den Sand. Der auf das EPS-Modell aufgebrachte Feuerfestüberzug, welcher sich auch zwischen dem EPS-Modell und einem Kühlelement befindet, erfüllt auch dort seine Funktion als Absorber für Zersetzungsprodukte. Außerdem verhindert der Feuerfestüberzug den direkten Kontakt von Gießmetall und dem Kühlelement und verhindert die damit verbundenen Gussfehler, wie beispielsweise Kaltschlag, Gasblasen, etc.. Da die Dicke des Feuerfestüberzugs sich vorteilhafterweise lediglich im Zehntel Millimeter Bereich bewegt, ist der isolierende Effekt des Feuerfestüberzugs zu vernachlässigen beziehungsweise durch das Volumen und/oder die Wärmeleitfähigkeit des Kühlelementes auszugleichen.
Ferner ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem das wenigstens eine Kühlelement der Kühlvorrichtung aktiv gekühlt wird. Hierdurch kann eine nochmals erhöhte Abkühlung an bestimmten Bereichen des entstehenden Bauteils erreicht werden. Insbesondere vorteilhaft ist ein Verfahren, bei dem ein Kühlmedium aus einem Kühlaggregat durch wenigstens eine Leitung, wenigstens eine Bohrung und/oder wenigstens einen Hohlraum des wenigstens einen Kühlelementes zur lokalen Kühlung der eingefüllten Metallschmelze, insbesondere in einem geschlossenen Kühlkreislauf von und zu dem Kühlaggregat, geleitet wird. Hierdurch kann die Kühlleistung des wenigstens einen Kühlelementes nochmals erhöht und das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften des entstehenden Bauteils gezielt beeinflusst werden.
Am Beispiel eines Zylinderkopfes für ein Kraftfahrzeug können Kühlelemente im Bereich der Brennräume und der Brennraumdichtfläche angebracht werden. Die Effektivität der Kühlelemente wird durch die aktive Kühlung, das heißt mittels des Kühlmediums, welches durch die Kühlelemente geleitet wird, deutlich erhöht. Beispielsweise ist als Kühlmedium Wasser denkbar. Während des Abgusses und der Erstarrung der Metallschmelze sind derartige Kühlelemente mit einem Kühlaggregat der Kühlvorrichtung verbunden.
Allgemein betrachtet kann das EPS-Modell geschäumte Kunststoffe, insbesondere expandiertes Polystyrol, aufweisen, die ganz auf die zu vergießenden Metalle abgestimmt sind. So kann bei Eisenwerkstoffen ein Co-Polymer, insbesondere Polymethylmethacrylat und EPS, und bei Nichteisenmetallen EPS mit speziellen Beschichtungen und Korngrößen gewählt werden.
Wird ein mineralischer Feuerfestüberzug verwendet, hat dieser eine gute Gasdurchlässigkeit zu gewährleisten. Das heißt, es wird vorteilhafterweise ein mineralischer Feuerfestüberzug verwendet, der so zusammengesetzt ist, dass er die jeweiligen Zersetzungsprodukte aufnehmen und in den umgebenden Sand und an die Kühlelemente weiterleiten kann. Bei einem Stahlguss wird vorteilhafterweise ein Feuerfestüberzug verwendet, der gut sich bildende Wasserstoffe aufnehmen kann. Bei einem Aluminiumguss wird vorteilhafterweise ein keramischer Überzug mit einer hohen Gasdurchlässigkeit verwendet.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Figur 1: einen Querschnitt durch einen Gießbehälter, in dem ein EPS-Modell mit einer Kühlvorrichtung angeordnet ist,
Figur 2: einen Querschnitt durch ein EPS-Modell mit einer Kühlvorrichtung, die an dem EPS-Modell angeklebt ist,
Figur 3: einen Querschnitt durch ein EPS-Modell mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, die an dem EPS-Modell verspannt ist,
Figur 4: einen Querschnitt durch ein EPS-Modell mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, die an das EPS-Modell geklemmt ist, und
Figur 5: einen Querschnitt durch ein weiteren EPS-Modell mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, die an das EPS-Modell geklemmt ist, und
Figur 6: einen Querschnitt durch ein weiteren EPS-Modell mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, die Kühlkanäle aufweist.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Fig. 1 bis 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch in einem Querschnitt ein Gießbehälter 11 dargestellt, in dem ein EPS-Modell 4 mit einer Kühlvorrichtung 1 angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung 1 weist zwei Kühlelemente 2, 3 auf, die jeweils an einem Bereich des EPS-Modells 4 festgelegt sind. Dabei sind die zwei Kühlelemente 2, 3 formschlüssig an dem jeweiligen Bereich angeordnet. Die zwei Kühlelemente 2, 3 können ferner stoff- und/oder kraftschlüssig an dem EPS-Modell 4 fixiert sein. Das EPS-Modell 4 ist in dem Gießbehälter 11 in ungebundenen Sand 12 eingebettet. Das heißt, nach der Befestigung der Kühlelemente 2, 3 an dem EPS-Modell 4, ist dieses zusammen mit den Kühlelementen in den Gießbehälter 11 eingeführt worden und anschließend ist das EPS-Modell 4 zusammen mit den Kühlelementen 2, 3 vollständig durch Sand 12 eingebettet worden. Das EPS-Modell 4 weist einen Gießlauf 9, 10 für Metallschmelze auf. Der Gießlauf 9, 10 weist einen Einfüllbereich 10 und Leitungen 9 zu dem EPS-Modell 4 für die Metallschmelze auf.
Durch eine derartige Kühlvorrichtung 1 kann in kostengünstiger und einfacher Art und Weise eine gute lokale Kühlung des entstehenden Bauteils während eines Lost Foam Gießverfahrens mittels eines EPS-Modells ermöglicht werden. Durch das stoff- und/oder kraftschlüssige Anbringen der Kühlelemente 2, 3 an dem EPS-Modell 4 ist sichergestellt, dass die Erstarrungsgeschwindigkeit der eingegossenen Metallschmelze lokal stark erhöht werden kann. Durch die lokale Erhöhung der Erstarrungsgeschwindigkeit der Metallschmelze kann in den Bereichen der Kühlelemente 2, 3 eine gerichtete Erstarrung der Metallschmelze eingeleitet und damit das Gefüge der erstarrenden Metallschmelze verfeinert werden.
Die Kühlelemente weisen die Form des Bereiches des EPS-Modells auf, an dem sie angeordnet werden. Dadurch, dass die Kühlelemente 2, 3 zusätzlich zu der flächigen beziehungsweise formschlüssigen Anlage stoff- und/oder kraftschlüssig an zwei Bereichen des EPS-Modells 4 festgelegt sind, ist gewährleistet, dass die Kühlelemente 2, 3 während der Erstarrung der auf das EPS-Modell 4 eingegossenen Metallschmelze eine hohe Kühlwirkung sicherstellen. Insbesondere kann durch eine derartige Kühlvorrichtung 1 ein Ausgleich von Maßabweichungen des EPS-Modells 4, insbesondere bei nicht parallelen Modellhälften, sichergestellt werden. Die stoffschlüssige und/oder kraftschlüssige Festlegung der Kühlelemente 2, 3 an dem EPS-Modell gewährleistet eine sichere Anhaftung der Kühlelemente 2, 3 an dem EPS-Modell 4.
In Fig. 2 sind die Kühlelemente 2, 3 der Kühlvorrichtung 1 an den jeweiligen stark zu kühlenden Bereichen durch ein Klebeelement 5 angeklebt. Als Klebeelement 5 kann ein doppelseitiges Klebeband, ein Kalt- oder ein Heißkleber dienen.
Insbesondere kann durch eine kraftschlüssige Festlegung der Kühlelemente 2, 3 an dem EPS-Modell 4 eine hohe Kühlwirkung auf das durch das Gießmetall entstehende Bauteil gewährleistet werden
Durch eine kraftschlüssige Festlegung kann der Anpressdruck der Kühlelemente 2, 3 während des gesamten Erstarrungsprozesses der Metallschmelze aufrecht gehalten werden. Das heißt, der Anpressdruck der Kühlelemente 2, 3 geht durch die kraftschlüssige Festlegung der Kühlelemente 2, 3 an dem EPS-Modell 4 und während des Erstarrens der eingegossenen Metallschmelze, selbst bei einer Volumenschwindung während des Erstarrens der Metallschmelze, nicht verloren.
Fig. 3 zeigt schematisch in einem Querschnitt ein EPS-Modell 4 mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1, die an dem EPS-Modell 4 kraftschlüssig angeordnet ist. Die Kühlelemente 2, 3 sind über zwei Spannelemente 6 an dem EPS-Modell 4 unter Ausübung eines bestimmten Anpressdrucks fixiert. Die Spannelemente 6 können als federelastische Bänder ausgebildet sein. Alternativ können die Spannelemente 6 durch Drähte, insbesondere verdrillte Drähte, ausgebildet sein. Ferner können Federspanner vorgesehen sein, durch die die Drähte gespannt werden können. Durch die Spannelemente 6 sind die Kühlelemente 2, 3 kraftschlüssig an dem EPS-Modell 4 und anschließend an der erstarrenden Metallschmelze gehalten. Durch die Spannelemente 6 können die Kühlelemente 2, 3 während des gesamten Erstarrungsprozesses des Gussteils mit einem bestimmten Anpressdruck auf das Gussteil gepresst werden. In Fig. 3 umreifen die als Bänder ausgebildeten Spannelemente 6 die Kühlelemente 2, 3 und damit das EPS-Modell 4.
In den Fig. 4 und 5 sind jeweils schematisch in einer Querschnittansicht ein EPS-Modell 4 mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1, die an das EPS-Modell 4 geklemmt ist, dargestellt. In Fig. 4 ist durch die Pfeile F gezeigt, wie die Klemmkraft der nicht dargestellten Klemmelemente wirkt. Die beiden Kühlelemente 2, 3 werden jeweils gegen das EPS-Modell 4 gepresst. Als Klemmelemente 7 können beispielsweise Federn 8, insbesondere Spiralfedern, dienen, wie in Fig. 5 gezeigt. Die zwei Kühlelemente 2, 3 sind zum Verklemmen gegen das EPS-Modell 4 durch Spiralfedern 8 miteinander verbunden. Dies stellt eine einfache und kostengünstige Art der gegenseitigen Verklemmung der Kühlelemente 2, 3 gegen das EPS-Modell 4 und das entstehende Bauteil dar. Insbesondere können durch diese Art der Verklemmung auch Bereiche des entstehenden Bauteils gekühlt werden, die nicht parallel zueinander ausgerichtet sind.
Durch das formschlüssige und stoff- beziehungsweise kraftschlüssige Aufbringen der in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Kühlelemente 2, 3 auf das EPS-Modell 4 vor dem Gießen mittels Kleben, Klemmen, Spannen etc. und der Separierung dieser nach dem Auspacken des erstarrten Bauteils, ist eine Wiederverwendung der Kühlelemente 2,3 gewährleistet.
Am Beispiel eines Zylinderkopfes für ein Kraftfahrzeug können die Kühlelemente 2, 3 zum Beispiel im Bereich der Brennräume und der Brennraumdichtfläche angebracht werden.
In Fig. 6 ist in einem Querschnitt schematisch ein weiteres EPS-Modell mit einer Kühlvorrichtung dargestellt. Die Kühlelemente 2, 3 weisen Leitungen, Bohrungen und/oder Hohlräume 14 auf. Hierdurch sind die Kühlelemente 2, 3 zur aktiven Kühlung ausgebildet. Das bedeutet, die Kühlelemente 2, 3 werden zur verbesserten Wärmeabfuhr durch ein Kühlmedium, welches durch die Leitungen, Bohrungen und/oder Hohlräume 14 geleitet wird, gekühlt. Dadurch sind die Kühlelemente 2, 3 als Wärmetauscher ausgebildet. Besonders bevorzugt kann bei einer Kühlvorrichtung 1 vorgesehen sein, dass die Kühlelemente 2, 3 zum Durchleiten eines Kühlmediums von und zu einem nicht dargestellten Kühlaggregat der Kühlvorrichtung 1 ausgebildet sind. Das Kühlmedium kann gasförmig oder flüssig, insbesondere Wasser, sein. Hierdurch kann die Effektivität der Kühlelemente 2, 3 weiter gesteigert werden. Vorteilhafterweise weisen die Kühlelemente 2, 3 eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine adäquate Wärmekapazität auf. Die Kühlelemente 2, 3 sind insbesondere aus Stahl, Grauguss, Wolfram, Aluminium, Graphit oder Kupfer und deren Legierungen ausgebildet.
Das in den Fig. 1 bis 6 dargestellte EPS-Modell 4 weist ebenfalls Leitungen, Bohrungen und/oder Hohlräume 13 auf.

Bezugszeichenliste

1: Kühlvorrichtung
2: Kühlelement
3: Kühlelement
4: EPS-Modell
5: Klebeelement
6: Spannelement
7: Klemmelement
8: Federelement
9: Gießlauf
10: Gießlauf
11: Gießbehälter
12: Sand
13: Leitung, Bohrung, Hohlraum im EPS-Modell
14: Leitung, Bohrung, Hohlraum im Kühlelement

Claims

Kühlvorrichtung (1) zur Kühlung eines während eines Lost Foam Gießverfahrens mittels eines EPS-Modells (4) hergestellten Bauteils, wobei die Kühlvorrichtung (1) wenigstens ein Kühlelement (2, 3) aufweist, welches an zumindest einen Bereich des EPS-Modells (4) flächig anordenbar ist, wobei das wenigstens eine Kühlelement (2, 3) stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig an dem zumindest einen Bereich des EPS-Modells (4) festlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (1) zwei oder mehr Kühlelemente (2, 3) aufweist und dass zur kraftschlüssigen Festlegung der zwei oder mehr Kühlelemente (2, 3) wenigstens ein Spannelement (6) und/oder wenigstens ein Klemmelement (7) vorgesehen ist, und wobei das wenigstens eine Spannelement (6) und/oder das wenigstens eine Klemmelement (7) zur gegenseitigen Verspannung beziehungsweise zum gegenseitigen Verklemmen der zwei oder mehr Kühlelemente (2, 3) gegen das EPS-Modell (4) ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kühlelement (2, 3) zur stoffschlüssigen Festlegung an den zumindest einen Bereich des EPS-Modells (2, 3) ein Klebeelement (5) aufweist.
Kühlvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Spannelement (6) ein Band, einen Draht, eine Feder, einen Federspanner und/oder einen Schraubspanner umfasst.
Kühlvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Klemmelement (7) zum hydraulischen, pneumatischen oder mechanischen Verklemmen der zwei oder mehr Kühlelemente (2, 3) gegen das EPS-Modell (4) ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehr Kühlelemente (2, 3) zum Verklemmen gegen das EPS-Modell (4) durch Federelemente (8), insbesondere Spiralfedern, miteinander verbunden sind.
Kühlvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kühlelement (2, 3) zur aktiven Kühlung ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kühlelement (2, 3) wenigstens eine Leitung (14), wenigstens eine Bohrung (14) und/oder wenigstens einen Hohlraum (14) zum Durchleiten eines Kühlmediums von und zu einem Kühlaggregat der Kühlvorrichtung (1) aufweist.
Kühlvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kühlelement (2, 3) aus Stahl, Grauguss, Wolfram, Aluminium, Graphit oder Kupfer und/oder deren Legierungen ausgebildet ist.
Verfahren zur Kühlung eines während eines Lost Foam Gießverfahrens mittels eines EPS-Modells (4) hergestellten Bauteils, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
a) eine Kühlvorrichtung (1) gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche wird flächig an zumindest einen Bereich des EPS-Modells (4) stoff- und/oder kraftschlüssig festgelegt, wobei das EPS-Modell (4) einen Gießlauf (9, 10) für eine Metallschmelze aufweist,

b) das EPS-Modell (4) mit der Kühlvorrichtung (1) ist oder in einen Gießbehälter (11) eingeführt wird,

c) das EPS-Modell (4) mit der Kühlvorrichtung (1) wird durch Einfüllen von ungebundenem Sand (12) in den Gießbehälter (11) vollständig eingebettet,

d) zur Verdampfung des EPS-Modells (4) wird Metallschmelze in den Gießlauf (9, 10) des EPS-Modell (4) eingefüllt,

e) zumindest ein Bereich der eingefüllten Metallschmelze wird durch das wenigstens eine Kühlelement (2, 3) gekühlt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Festlegen der Kühlvorrichtung (1) an das EPS-Modell (4) ein mineralischer Feuerfestüberzug auf das EPS-Modell (4) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmedium aus einem Kühlaggregat durch wenigstens eine Leitung (14), wenigstens eine Bohrung (14) und/oder wenigstens einen Hohlraum (14) des wenigstens einen Kühlelementes (2, 3) zur lokalen Kühlung der eingefüllten Metallschmelze, insbesondere in einem geschlossenen Kühlkreislauf von und zu dem Kühlaggregat, geleitet wird.