EP3551359A1 - Werkzeugeinsatz, form- oder kernwerkzeug sowie verfahren zur herstellung von formen oder kernen - Google Patents

Werkzeugeinsatz, form- oder kernwerkzeug sowie verfahren zur herstellung von formen oder kernen

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Publication number
EP3551359A1
EP3551359A1 EP17825733.3A EP17825733A EP3551359A1 EP 3551359 A1 EP3551359 A1 EP 3551359A1 EP 17825733 A EP17825733 A EP 17825733A EP 3551359 A1 EP3551359 A1 EP 3551359A1
Authority
EP
European Patent Office
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core
mixture
tool
sand
housing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17825733.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfram Bach
Michael Kaftan
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Soplain GmbH
Original Assignee
Soplain 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 Soplain GmbH filed Critical Soplain GmbH
Publication of EP3551359A1 publication Critical patent/EP3551359A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B22C7/067—Ejector elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/12—Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening

Definitions

  • Binder introduced into the mold or core tool and there through
  • Heating cured By using an inorganic binder leakage of environmentally damaging gases when curing the mixture should be avoided.
  • From DE 24 35 886 A1 discloses a method for the production of foundry molds or cores by introducing a mixture of aggregate and binder in a mold or core box and heating the mixture is known, wherein the heating causes by passing a electrical current through the mixture becomes.
  • Mold or core tools for inorganic processes are primarily made of metal such as e.g. Made of steel or aluminum.
  • Insulation layer Insulation layer.
  • the electric current always seeks the path of least resistance to equalize the electrical potentials.
  • Metallic core tools have a resistance range of, for example, 2x10-7 ohm-meters (steel), with sand-binder mixtures ranging from about 10 1 to 10 2 ohm meters. Since the resistance at the core box is much lower than in the sand binder mixture, the stream flows up to the contact surface within the core box and is then passed through the sand binder mixture for a short distance. This has the consequence that on thicker parts of the
  • the core box material (7) should be made of metal and the Sandbindergemisch (2) fills the cavity of the core box. Between the contact surfaces of the core box is an insulation layer (16).
  • Shell formation Because of the shell formation, the interior of the sand core has not yet completely hardened, this results in a limitation of the maximum sand core thickness, which can be produced with existing methods.
  • the maximum thickness of the sand core depends on the duration of the heating and the weight of the sand core. If the heating is not sufficient, the outer shell of the sand core, despite complete curing, can not fully support the weight and can thus lead to breakage of the sand core.
  • the present invention therefore deals with the problem of providing an improved or at least one alternative embodiment for a method of the generic type which overcomes in particular the disadvantages known from the prior art.
  • the present invention is based on the general idea in selecting the material of the separable forming or core tools
  • Conductivity should be taken into account so that it corresponds to the electrical conductivity of the sand-binder mixture approximately during the optimal working temperature.
  • the electrical conductivity of the molding tool (cavity) is thus determined by the sand-binder mixture used.
  • Special ceramics such as silicon carbide or silicon nitride or aluminum oxide have a higher hardness integral than steel or aluminum.
  • silicon carbide has a better thermal conductivity than steel.
  • Binder which forms an electrolyte in dissolved form and has sufficient electrical conductivity on.
  • the present invention is further based on the general idea to provide a mold or core tool for producing molds or cores, for example.
  • a mold or core tool for producing molds or cores, for example.
  • G demkern, from a mixture of a molding material and a water-containing binder which forms an electrolyte in dissolved form and a sufficient electrical Having conductivity, the inventive mold or core tool has a consisting of at least two parts, electrically non-conductive, housing.
  • the molding or core tool moreover has at least two electrodes, wherein in each case one electrode is arranged in a part of the housing. Electrical energy is later introduced into the material via the two parallel electrodes and into the mixture via the latter, whereby the mixture is heated and thereby cured.
  • the process requires direct contact of the conductive material and the core box electrodes. Thus, it is possible to dispense with an insulating layer between the core box parts.
  • the introduction of the mixture takes place for each cycle of the sand core production wherein the material is introduced once per production of the forming or core tool.
  • the material thus forms the negative contour of the sand core or the mold to be produced later therein.
  • After the mixture in the Material is embedded, is then fed to the material heat, for example by means of electricity, which leads to a curing of the mixture.
  • the housing merely constitutes a receptacle for holding the conductive material and must not be electrically conductive, since otherwise the current is passed exclusively through the housing and not through the material or the mixture.
  • the housing can be made of plastic and has the advantage that it is comparatively light and therefore easy to handle. Alternatively, an insulating ceramic or other electrically non-conductive material may be used.
  • Parts of the housing are connected to one another via one or more parting planes as in previous patents, the electrodes preferably being arranged parallel to one another or even into a part of the housing
  • the voltage applied to the electrodes can be regulated, for example, increased, so that short cycle times for the curing process can be achieved. Short cycle times in turn allow a comparatively cost-effective production of the molds or cores.
  • the regulation of the power / voltage can be done by means of inverter / power controller or by applying different voltages.
  • the method can also be operated by means of a constant applied voltage.
  • the electrical energy in the form of alternating current or direct current can be applied to the material and sand. Be fed binder mixture. AC is available everywhere and can be regulated almost arbitrarily.
  • steam can be removed from the sand core and the material, the electrodes and the housing by means of core marks (nozzles) via bores.
  • the material may also be porous, thus allowing escape of the gases or water vapor.
  • holes are to be provided in the material for non-conductive ejector pins, which are used to remove the sand cores. These allow the removal of the sand cores after the curing of the mixture and the moving apart of the housing parts.
  • the ejector pins must be made of non-conductive material to avoid a short circuit with the system.
  • Required ejector pins are in the designated ejection holes with the base plate of
  • conductive ejector pins may also be used, as long as it is structurally ensured that they have no contact with a current-conducting material while the current is switched on.
  • Each binder has an optimal working temperature which the
  • the specific resistance curve of the desired inorganic sand-binder mixture has to be determined as a function of the temperature.
  • Table 1 shows exemplary selected resistance temperature values for sand binder mixtures based on inorganic binders and binder variations. Various water glass components and graphite additives were also investigated. The curves were determined as follows:
  • a comparison sample has to be created.
  • the specimen consists of two opposite metallic electrodes and an insulating tube between the electrodes. Geometry (area and distance of the electrodes) of the body inside the insulating tube must be determined.
  • the cavity is filled with a green uncured sand binder mixture.
  • the sand-binder mixture must correspond to the mixture to be used later during production. The mixture must be real
  • Measuring devices connected to determine the voltage, the current and the temperature. A constant voltage is applied to the electrodes via a power supply. The calculated resistance results from the applied voltage divided by the measured current.
  • Rho R * A / I
  • a feature during this process is that the material has not yet reached the planned operating temperature.
  • the heating of the core box takes place as well as in the typical production process.
  • the core parts are brought together from their starting position and form a
  • the electric control activates the current flow and this leads to a flow of current through the material as well as through the sand core.
  • the resistance of the sand binder mixture decreases as well as in the material until the optimum resistance is almost reached. At this moment the performance entry is optimal.
  • the Sandbindergemisch has now heated from the initial temperature to about 100 to 130 ° C depending on the size within a few seconds. As soon as the free charge carriers are reduced by evaporation of the water content in the Sandbindergemisch, the specific resistance of the Sandbindergemisches to rise. At this moment, the flow of current within the sand core is reduced. In order to achieve the desired optimum operating temperature for the Sandbindergemisch now the remaining heat energy must be transferred via the core box material as well as existing procedures.
  • a particular advantage of the method is therefore particularly in the heating of the Sandbindergemisches by the good thermal conductivity of the material.
  • a Sandbindergemisch is used with an operating temperature of about 170 ° C and a Einschusstemperatur of about 20 ° C. In total, about 150 ° C are needed for heating. By means of the method can therefore 2/3 (about 100 ° C) of the required heat energy very quickly means
  • Required ejector pins for ejecting the sand core from the cavity are fastened in the ejection bores provided for this purpose and allow the sand cores to be released from the material.
  • the third process describes the cooling phase before a break or
  • Core tool materials such as steel or aluminum is a very hard material (Mohs thickness 9.5) and thus extends the life of the core box due to less wear.
  • the guidelines of the low voltage of up to 1000 V can be worked by adjusting the specific electrical resistance depending on sand core thickness. This not only gives the process a higher level of security for the employees but also reduces costs. Basically, however, higher voltages are possible as in existing patents. The rule is that the thicker the sand core the higher the tensions should be used.
  • Another advantage results from the fact that no external heating devices are needed. Not only does this increase the efficiency of the process as described above, it also reduces the acquisition and maintenance costs of any external heating devices. In addition, this makes it possible to provide systems with a smaller space requirement so that more equipment can tend to be accommodated on the same area.
  • Core tooling materials such as steel or aluminum are a very hard material (Mohs strength 9.5) and thus extends the life of the core box due to lower wear.
  • Fig. 2 is a phase diagram with a qualitative representation of an introduced electrical power and an associated resistor in one
  • Fig. 3 is a representation of the heating by means of existing electrical
  • the housing 3 is formed of plastic, insulating ceramic or other non-conductive material and receives a conductive material 7.
  • the material 7 forms a mold for receiving a mixture 9, from which, after hardening, the core 2 'or the mold 2 is formed.
  • the material 7 may be, for example, a ceramic material.
  • the specific electrical conductivity of the mixture 9 and the specific electrical conductivity of the material 7 are at least approximately the same size, differ, for example, not more than in phase 2 of FIG. 2, so that in
  • the mold 2 or the core 2 ' is produced as follows: First, after the material selection mentioned during the first construction, the electrically conductive material 7 is introduced into the housing 3 of the forming or core tool 1 and forms a negative mold for the subsequent mold 2 or Subsequently, the material 7 via the electrodes 10 electrical energy and thus heat is supplied to the material 7, which lead to a curing of the mixture 9. A hardening of the mixture 9 is effected in particular by evaporation of water from the mixture 9, wherein the mixture 9 may for example contain an inorganic binder, water and foundry sand.
  • the inorganic binder used in the mixture 9 may be water-soluble, but at least contain water and is in any case electrically conductive.
  • the voltage can be increased or decreased by the device 8, as a result of which a cycle time for producing the mold 2 or the core 2 'can be controlled.
  • the base plate of the tool (12) receives the housing (3) or the parts (4,5) and the material (7) and insulating screws (13) and angle (14) provide for attachment. Insulating screws (13) can also by
  • Alignment bolt (15) held in position.
  • Table 1 shows several series of measurements with different sand binder mixtures. The finding is that the specific electrical conductivity thereby depends on the desired sand-binder mixture and can be influenced by variation of additives and / or by changing the percentages. The stronger the electrically conductive component in the sand binder mixture, the lower the specific electrical resistance in the sand binder mixture.
  • Sandbinder mixture is not yet defined.
  • the electrically specific Property of the Sandbindergemisches targeted to influence the efficiency of the process to improve.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Materialauswahl für Verfahren zur Herstellung von Formen (2) oder Kernen (2') für Gießereizwecke. Bei der Auswahl des Kernkastenmaterials wird anstelle von Metallen wie Stahl oder Aluminium stattdessen Spezialkeramik wie z.B. Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid verwendet. Erfindungswesentlich ist dabei, - dass in ein Gehäuse (3) ein Material (7) zur Aufnahme der Mischung (9) eingebracht wird, <b>wobei das Material aus Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid besteht.</b> - dass dem Material (7) über in/an dem Gehäuse (3) angeordneten Elektroden (10) elektrische Energie und darüber Wärme zugeführt wird, die zu einem Aushärten der Mischung (9) führt. Damit lassen sich durch geringen abrasiven Verschleiß längere Lebensdauern für die Kernkästen ermöglichen.

Description

WERKZEUGEINSATZ, FORM- ODER KERNWERKZEUG SOWIE VERFAHREN ZUR
HERSTELLUNG VON FORMEN ODER KERNEN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Form- oder Kernwerkzeug zur Herstellung von Formen oder Kernen für Gießereizwecke unter Verwendung eines
gesinterten Kernkastenmaterials sowie einer Mischung aus einem Formstoff und einem Wasser enthaltenden anorganischen Bindemittel.
Aus der WO 2003/013761 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei welchem als anorganisches Bindemittel Magnesiumsulfat verwendet wird, welches in Wasser dispergiert und/oder gelöst und anschließend mit
Gießereisand vermischt ist. Anschließend wird diese Mischung aus einem Formstoff, das heißt bspw. Gießereisand und dem Wasser enthaltenden
Bindemittel, in das Form- oder Kernwerkzeug eingebracht und dort durch
Erhitzen ausgehärtet. Durch die Verwendung eines anorganischen Bindemittels soll ein Austreten von umweltschädigenden Gasen beim Aushärten der Mischung vermieden werden.
Das oben genannte Patent WO 2003/013761 A1 basiert dabei teilweise auf dem Patent DE 24 35 886 A1 aus dem Jahre 1974 zum Erhärten von Sandkernen mittels„Hindurchleiten eines elektrischen Stromes".
In der erwähnten Druckschrift WO 2003/013761 A1 ist ausgeführt, dass die zur Aushärtung erforderliche Energie mittels Elektrizität zur Verfügung gestellt wird. Die Elektrizität wird dabei über 2 oder mehrere Elektroden an„wenigstens eilweise elektrisch leitenden, gegeneinander isolierten Teilen der trennbaren Form- oder Kernwerkzeuge" angelegt.
Das genannte Patent berücksichtigt nicht die Unterschiede zwischen den elektrisch spezifischen Widerstandseigenschaften des Kernwerkzeugs und den elektrisch spezifischen Widerstandseigenschaften des Sand-Binder-Gemisches. Es verwendet„gegeneinander isolierte[n] Teile der trennbaren Form- oder Kernwerkzeuge".
Aus der DE 37 35 751 A1 ist ein gasdurchlässiges Formwerkzeug zur
Herstellung von Guss- und Kernformen aus aushärtbarem Formsand bekannt, wobei das Werkzeug aus heteroporös aufgebautem, offenporigem Material besteht und wobei die Wand des Formwerkzeuges einen ersten, an den
Formsand an grenzenden feinporigen Schichtbereich von 0,2-2 mm Dicke, 75- 95% der theoretischen Materialdichte und Porendurchmesser < 50 μιτ aufweist, an den ein zweiter, massiver Bereich in Form eines großporigen Stützskeletts von < 80% der theoretischen Materialdichte und einem mittleren
Porendurchmesser < 100 pm materialschlüssig angrenzt.
Aus der DE 24 35 886 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gießereiformen oder -kernen durch Einbringen eines Gemisches aus Aggregat und Binder in einen Form- oder Kernkasten und Erhitzen des Gemisches bekannt, wobei das Erhitzen mittels Durchleiten eines- elektrischen Stromes durch das Gemisch bewirkt wird.
Aus der EP 3 103 562 A1 ist eine Schablone bekannt, welche eine
rahmenförmige oder kastenförmige, sich vorzugsweise nach unten leicht verjüngend ausgebildete, Ausgestaltung mit einer umlaufenden Wandung und bei kastenförmiger Ausgestaltung auch einem Boden aufweist.
Form- oder Kernwerkzeuge für anorganische Verfahren werden vornehmlich aus Metall wie z.B. Stahl oder Aluminium hergestellt.
Damit ergibt sich Material bedingt der Nachteil, dass Metalle dem abrasiven Verschleiß unterliegen und somit die Lebensdauer eines Werkzeuges begrenzen. Der Nachteil des oben genannten Patentes ist, dass eine Isolationsschicht zwischen den Teilen des Form- oder Kernwerkzeuge benötigt wird, welche den Kurzschluss beim Anlegen der Spannung verhindern soll und somit den
Stromfluss durch das Sand-Binder-Gemisch bewirken soll.
Ein weiterer Nachteil der Technik ergibt sich trotz der Verwendung einer
Isolationsschicht. Der elektrische Strom sucht stets den Weg des geringsten Widerstandes zum Ausgleich der elektrischen Potentiale.
Metallische Kernwerkzeuge haben einen Widerstandsbereich von z.B. 2x10-7 Ohmmeter(Stahl) wobei Sand-Bindergemische im Bereich von ca. 101 bis 102 Ohmmeter liegen. Da der Widerstand am Kernkasten wesentlich geringer ist als im Sandbinder-Gemisch fließt der Strom bis zur Kontaktfläche innerhalb des Kernkastens und wird dann für eine kurze Strecke durch das Sand- Bindergemisch geleitet. Dies hat zur Folge, dass an dickeren Teilen des
Sandkerns fast kein Strom fließt und somit keine ausreichende Erwärmung erfolgt. Damit ergibt sich keine gleichmäßige Aushärtung der Mischung.
Dies kann exemplarisch an der Figur 3 erläutert werden. Das Kernkastenmaterial (7) soll aus Metall sein und das Sandbindergemisch (2) füllt den Hohlraum des Kernkastens aus. Zwischen den Kontaktflächen des Kernkastens befindet sich eine Isolationsschicht (16).
Wird ein derartig lediglich teilweise ausgehärteter Kern aus dem Form- oder Kernwerkzeug entnommen, kann dieser Schaden nehmen oder zu einem
Schaden bei einer späteren Verwendung in einem Gießwerkzeug führen.
Ein weiterer Nachteil basiert auf dem gleichen Ansatz, dass Strom sich immer den Weg des geringsten Widerstandes sucht. Bei Kernkästen aus nichtleitendem Material und zwei gegenüberliegenden Elektroden würde das Verfahren daher nur bei Geometrien mit gleichen Sandkerndicken funktionieren. Zum Beispiel ist dies der Fall bei Zylindern und Quadern. Somit ist das Verfahren nur anwendbar bei einfachen geometrischen Formen.
Ein weiterer Nachteil ist bei Aushärtung mittels Wärmeübertragung zu
beobachten. Da Sandbindergemische gemeinhin eher schlechte Wärmeleiter darstellen kommt es bei Wärmeübertragung von beheizten Kernkästen zur Schalenbildung an den Außenkanten des Sandkernes da die Schale eher aushärtet als das Sandkerninnere. Aus wirtschaftlichen Gründen wird dabei nicht immer die vollständige Aushärtung vor der Entnahme abgewartet, so dass die Sandkerne leichter Brechen können.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch den Effekt der oben genannten
Schalenbildung. Da Aufgrund der Schalenbildung das Innere des Sandkerns noch nicht vollständig ausgehärtet ist, führt dies zu einer Begrenzung der maximalen Sandkerndicken, welche mit bestehenden Verfahren hergestellt werden können. Die maximale Dicke des Sandkerns hängt dabei von der Dauer der Erwärmung sowie dem Eigengewicht des Sandkerns ab. Ist die Erwärmung nicht ausreichend so kann die äußere Schale des Sandkerns trotz vollständiger Aushärtung das Gewicht nicht vollständig tragen und kann somit zum Bruch des Sandkerns führen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der
unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei der Auswahl des Materials der trennbaren Form- oder Kernwerkzeuge eine
Spezialkeram ik zu verwenden. Dabei ist die spezifische elektrische
Leitfähigkeit so zu berücksichtigen, dass sie der elektrischen Leitfähigkeit der Sand-Binder-Mischung annährend während der optimale Arbeitstemperatur entspricht.
Die elektrische spezifische Leitfähigkeit des Formwerkzeuges (Kavität) wird also durch das verwendete Sand-Bindergemisch bestimmt.
Spezialkeram iken wie zum Beispiel Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid verfügen über einen höheren Härtegrat als Stahl oder Aluminium. Zudem verfügt zum Beispiel Siliziumkarbid eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Stahl.
Hierdurch kann der besondere Effekt erreicht werden, dass die Lebensdauer durch einen geringeren Verschleiß verlängert wird. Zudem können Taktzeiten eventuell reduziert werden aufgrund der besseren Wärmeleitfähigkeit.
Hierdurch kann weitere besondere Effekt erreicht werden, dass ein in das
Material eingeleiteter Strom in diesem und in der Mischung überall die annährend gleiche elektrische Leitfähigkeit vorfindet und dadurch sich keinen gravierend kürzerer, insbesondere abkürzenden, Weg durch die Mischung sucht, wodurch eine gleichmäßige Durchströmung der Mischung mit Strom und damit auch ein gleichmäßiges Erhitzen und hierdurch auch ein gleichmäßiges Aushärten derselben erreicht werden können und zwar unabhängig von der jeweils individuellen Form bzw. Gestalt des Kerns. Generell wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst ein elektrisch leitfähiges Material permanent in ein Gehäuse des Form- oder Kernwerkzeugs eingebracht und nimmt dort die zuvor beschriebene Mischung aus einem
Formstoff, bspw. aus Sand (Gießereisand), und Wasser enthaltenden
Bindemittel, welches in gelöster Form ein Elektrolyt bildet und eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist, auf.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Form- oder Kernwerkzeug zum Herstellen von Formen oder Kernen, bspw. Gießkernen, aus einer Mischung aus einem Formwerkstoff und einem Wasser enthaltenden Bindemittel anzugeben, welches in gelöster Form ein Elektrolyt bildet und eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist, wobei das erfindungsgemäße Form- oder Kernwerkzeug ein aus zumindest zwei Teilen bestehendes, elektrisch nicht leitendes, Gehäuse besitzt. Das Form- oder Kernwerkzeug weist darüber hinaus zumindest zwei Elektroden auf, wobei jeweils eine Elektrode in einem Teil des Gehäuses angeordnet ist. Über die beiden parallelen Elektroden wird später elektrische Energie in das Material und über dieses in die Mischung eingeleitet, wodurch die Mischung erhitzt und dadurch ausgehärtet wird.
Für das Verfahren ist ein direkter Kontakt des leitenden Materials und der Elektroden des Kernkastens notwendig. Somit kann auf eine Isolationsschicht zwischen den Kernkastenteilen verzichtet werden.
Die Einbringung der Mischung erfolgt für jeden Zyklus der Sandkernherstellung wobei das Material einmalig pro Herstellung des Form- oder Kernwerkzeugs eingebracht wird. Das Material bildet somit die Negativkontur des später darin herzustellenden Sandkerns bzw. der Form. Nachdem die Mischung in dem Material eingebettet ist, wird anschließend dem Material Wärme z.B. mittels Strom zugeführt, die zu einem Aushärten der Mischung führt.
Wie bei bestehenden Patenten stellt das Gehäuse lediglich ein Behältnis zur Aufnahme des leitenden Materials dar und muss elektrisch nicht leitfähig sein, da ansonsten der Strom ausschließlich über das Gehäuse geführt wird und nicht durch das Material bzw. die Mischung. Das Gehäuse kann aus Kunststoff sein und bietet den Vorteil, dass es vergleichsweise leicht und damit leicht zu handhaben ist. Alternativ kann auch eine Isolationskeramik oder ein anderes elektrisch nicht leitendes Material verwendet werden.
Teile des Gehäuses sind wie in vorherigen Patenten über ein oder mehrere Trennebenen miteinander verbunden, wobei die Elektroden vorzugsweise parallel zueinander angeordnet oder sogar in einen Teil des Gehäuses
eingebettet sein können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Einrichtung zur
Steuerung/Regulierung der elektrischen Spannung an den Elektroden
vorgesehen. Mittels einer derartigen Einrichtung kann die an die Elektroden angelegte Spannung reguliert, bspw. erhöht werden, so dass kurze Taktzeiten für den Aushärtevorgang erreichbar sind. Kurze Taktzeiten wiederum ermöglichen eine vergleichsweise kostengünstige Fertigung der Formen bzw. Kerne. Die Regelung der Leistung/Spannung kann mittels Wechselrichter/Leistungssteller erfolgen oder durch Aufschalten unterschiedlicher Spannungen.
Alternativ kann das Verfahren auch mittels konstanter angelegter Spannung betrieben werden.
Wie bereits in Patent DE 24 35 886 A1 ausgeführt kann die elektrische Energie in Form von Wechselstrom oder Gleichstrom dem Material und Sand- Bindergemisch zugeführt werden. Wechselstrom ist überall vorhanden und kann fast beliebig geregelt werden.
Zusätzlich sind im Material, in den Elektroden sowie im Gehäuse
Entlüftungsschlitze (Düsen) vorzusehen, um das Entweichen der Gase bzw. Wasserdampf zu ermöglichen. Beim Aushärten entstehende Gase bzw.
Wasserdampf kann wie bei bestehenden Verfahren mittels Kernmarken(Düsen) aus dem Sandkern und dem Material, der Elektroden und dem Gehäuse über Bohrungen abgeführt werden. Alternativ kann das Material auch porös sein und somit das Entwichen der Gase oder Wasserdampf ermöglichen.
Weiterhin sind im Material Bohrungen für nichtleitende Ausstoßbolzen vorzusehen, welche zur Entnahme der Sandkerne Verwendung finden. Diese erlauben die Entnahme der Sandkerne nach dem Aushärten der Mischung und dem Auseinanderfahren der Gehäuseteile.
Die Ausstoßbolzen müssen dabei aus nichtleitendem Material sein um einen Kurzschluss mit der Anlage zu vermeiden. Benötigte Ausstoßbolzen werden in den dafür vorgesehenen Ausstoßbohrungen mit der Grundplatte des
Werkzeuges befestigt.
Alternativ können auch leitende Ausstoßbolzen verwendet werden, sofern konstruktionstechnisch sichergestellt ist, dass diese keinen Kontakt mit einem Strom leitenden Material haben während der Strom eingeschaltet ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung, wonach die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Materials zumindest annähernd der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit der Mischung bei Arbeitstemperatur entspricht, kann ein
gleichmäßiges und insbesondere gleichförmiges Durchleiten von Strom bzw. Spannung durch sowohl das Material als auch durch die Mischung erreicht werden, wodurch letztere gleichmäßig erwärmt und dadurch besonders gleichmäßig und dadurch qualitativ hochwertig ausgehärtet werden kann. Zur optimalen Auswahl elektrisch leitender Materialien für dieses Verfahren sind mehrere Schritte notwendig.
Jeder Binder verfügt über eine optimale Arbeitstemperatur welche die
bestmögliche Aushärtung sicherstellt. Bei den getesteten Bindern lag diese bei ca. 150-180°C und ist abhängig von den Herstellerangaben sowie
möglicherweise von verwendeten Binderzusätzen.
Zuerst muss die spezifische Widerstandskurve des gewünschten anorganischen Sand-Binder-Gemisches in Abhängigkeit der Temperatur ermittelt werden.
In Tabellen 1 sind beispielhaft ausgewählte Widerstands-Temperaturwerte für Sandbindergemische basierend auf anorganischer Binder und Bindervariationen abgebildet. Dabei wurden ebenfalls verschiedene Wasserglasanteile sowie Graphitzusätze untersucht. Die Kurven wurden wie folgt ermittelt:
Zuerst muss ein Vergleichsprobekörper erstellt werden. Der Probekörper besteht aus zwei gegenüberliegenden metallischen Elektroden und einem Isolierrohr zwischen den Elektroden. Geometrie (Fläche und Abstand der Elektroden) des Körpers innerhalb des Isolierrohres muss bestimmt werden. Der Hohlraum wird mit einer grünen, nicht ausgehärteten Sand-Bindermischung befüllt. Das Sand- Bindergemisch muss der später zu verwendenden Mischung während der Produktion entsprechen. Die Mischung muss entsprechend realen
Anwendungsbedingungen verdichtet werden. An die Elektroden werden
Messgeräte zur Ermittlung der Spannung, des Stromes und der Temperatur angeschlossen. An die Elektroden wird über eine Stromzuführung eine konstante Spannung angelegt. Der berechnete Widerstand ergibt sich aus der angelegten Spannung geteilt durch den gemessenen Strom.
Eine Berechnung des temperaturabhängigen spezifischen Widerstandes erfolgt dabei wie folgt: Rho = R * A / I
mit
Rho: spezifischer elektrischer Widerstand der Mischung
R: Widerstand vor Anstieg des elektrischen Widerstandes der Probe
A: Elektrodenfläche der Mischung
I: Dicke der Probe
Damit ergibt sich für jedes Sand-Bindergemisch eine temperaturabhängige Widerstandskurve. In Tabelle 1 sind Beispiele angefügt.
Alle gemessenen Widerstandskurven weisen dabei folgende charakteristische Form auf wie in Figur 2.
In Fig. 2 ist der typische Verlauf des elektrischen Widerstandes und der eingebrachten elektrischen Leistung einer konduktiv erwärmten Mischung 9 eines beliebigen anorganischen Sand-/Bindergemischs dargestellt. Nach dem
Einschalten der Spannung sinkt der Widerstand innerhalb kürzester Zeit deutlich (Phase 1 : Kapazitive Last). Danach beginnt die Phase 2 des langsam
abfallenden elektrischen Widerstandes im Kurvenverlauf (Zunahme der
Ladungsträger). In dieser Zeit steigt auch die durch die Probe aufgenommene Leistung kontinuierlich bis durch die erreichte Temperatur Ladungsträger verdampfen. Der Widerstand steigt nun sehr schnell an (Phase 3).
Für die Wahl des spezifischen elektrischen Widerstandes (Rho) des keramischen Materials für eine spätere Form ist der Zeitpunkt vor dem Anstieg des
elektrischen Widerstandes der Probe in Phase 3 optimal, da hier die größte Leistung eingebracht werden kann (kurz vor Ende Phase 2). Dies ist in Fig. 2 mit 1 1 bezeichnet.
Weiterhin sind auch spezifische elektrische Widerstände, die sich aus der Berechnung der Werte innerhalb der Phase 2 ergeben, denkbar. Der spezifische elektrische Widerstand der getesteten Mischungen ändert sich während des Erwärmungsprozesses. Er liegt bei unter 100°C bei ca. 85
Ohmmeter und fällt bei weiterer Erwärmung unter 25 Ohmmeter bei über 130°C. Mit weiterer Erwärmung nimmt der spezifische Widerstand sprunghaft zu. Dann ist aber auch die erforderliche Energie zur Austreibung des Wassers aus dem Binder, das zur Aushärtung führt, im Sand-Binder - Gemisch vorhanden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung kann der anorganische Binder durch andere Binderarten ersetzt werden sofern diese elektrisch leitfähig sind und Wärme zur Aushärtung benötigen sowie die sonstigen erforderlichen Eigenschaften aufweisen.
Zur optimalen Auswahl elektrisch leitender Materialien für dieses Verfahren ist nach der Ermittlung der Temperatur-Widerstandskurve des Sand- Bindergemisches die Bestimmung des Materials basierend auf dem benötigten spezifischen Widerstand möglich.
Basierend auf dem spezifischen Widerstandes des Sand-Binder-Gemisches muss eine Materialkomposition mittels Testreihen bestimmt werden, welche einen passenden elektrischen spezifischen Widerstand bei bestimmter
Temperatur aufweist. Diese bestimmte Temperatur richtet sich dabei nach der optimalen Temperatur welche der Binder benötigt um am besten auszuhärten.
Bei unseren Versuchen benötigten getestete Binder Temperaturen von ca. 150°C bis ca. 180°C um auszuhärten. Der Bereich um den optimalen Widerstand wurde dabei mittels Temperatur-Widerstandskurve (siehe oben) um ca. 25 Ohmmeter ermittelt. Folglich erfordert die getestete Binder-Mischung ein Material mit einem spezifischen Widerstand von ca. 25 Ohmmeter bei 150-180°C. Prinzipiell sollte der spezifische Widerstand des Materials gleich sein gegenüber dem optimalen spezifischen Widerstand für das Sand-Bindergemisch.
Sollte bei der Umsetzung der spezifische Widerstand des Materials über dem des Sandbindergemisches liegen so führt dies tendenziell zu einer Erwärmung vom Zentrum des Kernes in Richtung des Kernkastenmaterials da hier der Strom den Weg des geringeren Widerstandes vorfindet.
Sollte bei der Umsetzung der spezifische Widerstand des Materials geringer sein als im Sand-Bindergemisch so erfolgt tendenziell die Erwärmung von dem
Kernkastenmaterial in Richtung Sandkernzentrum.
Ebenso sollte der Verlauf der Temperatur-Widerstandskurve des Materials ähnlich verlaufen wie die Temperatur-Widerstandskurve des Sand- Bindergemisches. Je geringer die Abweichung beider Kurven desto effektiver ist das Verfahren.
Die Testreihen zur Bestimmung des Materials können dabei wie folgt
durchgeführt werden:
Ein Ausgangsmaterial wie z. Beispiel Silizium Karbid wird in Form einer kleinen Probeplatte hergestellt. Diese Materialprobe wird dann in eine Vorrichtung zwischen zwei Elektroden eingespannt, so dass diese Elektroden einen direkten Kontakt zur Probeplatte haben. Anschließend wird die Temperatur- Widerstandskurve für dieses Probematerial ermittelt.
Sollte die Abweichung zwischen dem spezifischen Widerstand des
Probematerials und des optimalen spezifischen Widerstandes des Sand- Bindergemisches zu groß sein, muss die Materialkomposition überarbeitet werden.
Bei durchgeführten Tests haben sich Siliziumkarbid-Kompositionen mit einer Variation des Graphitanteils in der Keramikmischung als positiv erwiesen. Aber grundsätzlich sind auch andere Materialkompositionen oder Materialzusätze, welche den elektrischen spezifischen Widerstand beeinflussen, möglich. Der Graphitanteil ist dabei in der Keramik gebunden und hat somit keinen Einfluss auf weitere Abguss-Prozesse.
Diese Tests müssen solange wiederholt werden, bis eine geeignete
Materialkomposition gefunden wurde, welche den gewünschten spezifischen Widerstand aufweist.
Weiterhin muss das ausgewählte Material auch die sonstigen physischen
Eigenschaften für das Umfeld von Gießereien erfüllen. Beispielweise sind hier Bruchfestigkeit, Oberflächenrauigkeit, Wärmausdehnung und Wärmeleitfähigkeit genannt.
Beispielsweise verfügt die für weitere Tests ausgewählte Keramik bei Erreichen der erforderlichen Betriebstemperatur von ca. 180°C einen spezifischen
Widerstand von ca. 30 Ohmmeter für das oben genannte Sand-Bindergemisch.
Anschließend muss die maximale Kurzzeitbelastung des Materials ermittelt werden, bei der noch keine permanente Beschädigung des Materials auftritt. Diese maximale Kurzzeitbelastung spielt nachfolgend für die Elektrosteuerung eine wichtige Rolle. Dies wird mit Belastungstests ermittelt und kann zu
Abplatzungen am Material bei Überschreiten der maximalen Kurzzeitbelastung führen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung kann das vorstehend und nachstehend genannte Material durch andere
Materialien ersetzt werden sofern diese elektrisch leitfähig sind und die
Anpassung des elektrisch spezifischen Widerstandes der gewählten Mischung entspricht und auch die sonstigen Anforderungen an den Gießereibetrieb erfüllt werden.
Der wiederholte Begriff der„Anpassung" beschreibt die vorher genannten Schritte zur Auswahl eines geeigneten Materials an die spezifisch elektrischen Eigenschaften von Sandbindergemischen.
Nachdem die Auswahl(Anpassung) des geeigneten Materials nach dem oben beschriebenen Verfahren erfolgreich war und an das Sandbindergemisch angepasst wurde, kann der Aufbau des Kernkastens für die Anwendung des Verfahrens hergestellt werden.
Der kritischste Arbeitsschritt ist dabei die Herstellung des Materials.
Bei der beispielhaft genannten Siliziumkarbid-Keramik wird die Keramik in mehreren Fertigungsschritten nach gängigen Keramikherstellungsverfahren hergestellt. Besonders die Feinbearbeitung nach dem Sintern erfordert größte Aufmerksamkeit aufgrund des sehr harten Materials (Mohshärte von ca. 9,5). Je genauer die Feinbearbeitung erfolgt, desto geringer sind die späteren
Toleranzabweichungen für mit dem Verfahren produzierten Sandkerne.
Sobald die Feinbearbeitung des Materials erfolgreich abgeschlossen ist, kann die Befestigung im Kernkasten erfolgen. Das Material benötigt auf der
gegenüberliegenden Seite der konturgebenden Oberfläche eine direkte
Kontaktfläche mit der jeweiligen Elektrode. In Versuchen hat sich dabei empfohlen die Kontaktfläche eben zu schleifen um einen sehr guten Kontakt zwischen der Elektrode und dem Material zu ermöglichen. Dies führt zu dem gewünschten Effekt die Übergangswiderstände dabei gering zu halten.
Wie in Figur 4 dargestellt sollte die Elektrode dabei auf der Rückseite des Materialteils schwimmend verlegt werden. Dies ist geboten, da das Material der Elektroden normalerweise eine höhere Wärmeausdehnung besitzt als das Kernkastenmaterial. Hierzu können in der Rückseite des Materials zwei Stifte befestigt werden, welche die Elektroden während des Produktionsprozesses in Position halten.
Durch die parallele Anordnung der Elektroden kann eine vergleichsweise gleichmäßige Durchleitung elektrischer Energie durch das Material und die Mischung erreicht werden, woraus sich wiederum Vorteile bezüglich einer gleichmäßigen Erwärmung und einer gleichmäßigen Aushärtung ergeben.
Eine mögliche Ausführung sieht auch eine Einbringung der Elektroden in das Material vor. In diesem Falle würden keine Stifte zur Ausrichtung benötigt.
Die Elektroden sowie das Material werden dann mittels einer Vertiefung in einem isolierenden Material aufgenommen werden.
Die Befestigung der mehrlagigen Ebenen kann dabei mittels Verankerung in der Grundplatte des Werkzeugs erfolgen. Für die Befestigung können Winkel mit Schraubverbindungen verwendet werden wie in Figur 5 beispielhaft aufgezeigt. Um einen schnellen Austausch einzelner Materialien zu ermöglichen, können hierbei auch Schnellschlusssystem anstelle von Schrauben verwendet werden.
Die Befestigungsschrauben sollten dabei aus nichtleitendem Material sein um eine Stromführung auf das Gehäuse zu vermeiden.
Die Elektroden benötigen eine Stromzuführung welche mit dem externen
Schaltschrank verbunden ist und somit eine Elektrosteuerung ermöglicht.
Die Elektrosteuerung muss auf den Kernkasten sowie das Verfahren angepasst werden. Die Elektrosteuerung übernimmt dabei die Aufgabe den Kernkasten mittels Stromführung und Elektroden ausreichend mit Strom zu versorgen. Bei neuen Anlagen muss die Elektrosteuerung entsprechend mit eingeplant werden. Beim Umbau von bestehenden Anlagen auf das neue Verfahren können unter Umständen bestehende Schaltanlagen umgebaut und angepasst werden.
Wichtig ist, dass die Energiezufuhr in das Material über Elektroden (10) erfolgt. Dabei ist Wechselstrom oder Gleichstrom denkbar.
Die Steuerung der Stromzuführung muss die maximale Kurzzeitbelastung des gewählten Materials sowie die Widerstands-Temperaturkurve des Materials und des Sand-Bindergemisch berücksichtigen.
Die Elektrosteuerung ist so zu wählen, dass ein möglichst hoher Leistungseintrag mittels hoher Spannung erfolgt jedoch die maximale Kurzzeitbelastungsgrenze nie überschritten wird um Beschädigungen am Material zu verhindern und somit ein wirtschaftliches Verfahren zu gewährleisten.
Der Leistungseintrag und damit zusammenhängende Wärmeentwicklung in das Sand-Binder-Gemisch ist abhängig von dem spezifischen Widerstand sowie der angelegten Spannung. Daher kann mit Regelung der Spannung auch der Leistungseintrag und die Temperatur gesteuert werden. Zusätzlich sollte der Kernkasten über Temperatursensoren verfügen um eine Erwärmung über den vorgeschriebenen Arbeitsbereichs des Binders zu vermeiden, da eine zu hohe Temperatur die Bindungskraft ansonsten negativ beeinflussen würde.
Die Elektrosteuerung regelt dabei auch die unterschiedlichen Prozessschritte der Kernschießmaschine. Dabei muss speziell beim Zusammenfahren der
Kernkastenteile darauf geachtet werden, das die Zusammenführung in einem angepassten Tempo passiert um eine Stoßwirkung im Kernkastenmaterial und somit eine mögliche permanente Beschädigung zu vermeiden.
Bei Kernwerkzeugen mit mehreren Sandkernen können entweder ein
Elektrodenpaar pro Sandkern verwendet werden oder ein Elektrodenpaar welche alle Sandkerne des kompletten Kernkasten abdeckt. Hierbei ist zu berücksichtigen dass beim Erwärmungsprozess die Steuerung so zu wählen ist, dass alle Sandkerne in der gewünschten Taktzeit aushärten können aber auch niemals die Temperatur im Sandkern über den Punkt steigt, an dem die Binder ihre Bindungskraft verlieren.
Sonstige Vorrichtungen zur externen Beheizung von Kernkästen können bei Verwendung des Verfahrens entfallen. Andere Vorrichtungen wie zum Beispiel zur Drucklüftung können weiterverwendet werden.
Sollte nur das Material wie in diesem Patent durch Spezialkeram ik ersetzt werden sollten bestehende Heizsysteme weiterverwendet werden.
Der regelmäßige Produktionsprozess unterteilt sich dabei in 3 Prozesse. Der erste Prozess beschreibt die Inbetriebnahme der Anlage nach einem kurzen oder längeren Stillstand.
Ein Merkmal während dieses Prozesses ist, dass das Material noch nicht die geplante Betriebstemperatur erreicht hat. Die Erwärmung des Kernkastens erfolgt dabei wie auch bei dem typischen Produktionsprozess. Die Kernteile werden von ihrer Ausgangsposition zusammengeführt und bilden eine
Kontaktfläche. Anschließend kann das Sandbindergemisch in den Kernkasten geschossen werden. Im nächsten Schritt erfolgt dann die Energiezuführung mittels Strom dank der Elektrosteuerung. Aufgrund erhöhter spezifischer
Widerstände des Materials benötigt der Aufwärm prozess etwas länger als die regulären Produktionstaktzeiten. Während des Aufwärm prozesses erwärmt sich langsam der Kernkasten und mit dem Anstieg der Temperatur fällt der
spezifische Widerstand des Materials. Je stärker der Widerstand fällt umso schneller erwärmt sich das Material weiter nach dem Prinzip der
Widerstandsheizung. Da der Wärmeeintrag bei den ersten Sandkernen nicht unter optimalen Bedingungen erfolgt kann es zu einem erhöhten Ausschuss während dieses Prozesses kommen.
Sobald die gewünschte Betriebstemperatur für den Binder am Kernkasten erreicht ist beginnt der eigentliche Produktionsprozess. Die Prozessparameter können dabei wie folgt beschrieben werden. Das Material des Kernkastens verfügt über die Betriebstemperatur und damit über den optimalen spezifischen Widerstand des Sandbindergemisches. Die Kernkastenteile sind
auseinandergefahren und die Sandkernkavität ist leer. Im ersten Schritt werden die Kernkastenteile geschlossen und anschließend das Sand-Bindergemisch in den Kernkasten geschossen. Der spezifische Widerstand ist abhängig von der Temperatur des Sand-Bindergemisches. Das Gemisch kann dabei
Raumtemperatur haben oder bereits vorgeheizt sein.
Sobald das Sandbindergemisch in den Kernkasten geschossen wurde kühlt die direkte Kontaktfläche zum Sandbindergemisch des Kernkastenmaterials etwas ab. Damit steigt kurzfristig der Widerstand des Kernkastenmaterials wobei gleichzeitig dank der Wärmeaufnahme der spezifische Widerstand des Sand- Bindergemisches fällt. Da wie oben beschrieben die Temperatur- Widerstandskurven des Materials und des Sandbindergemisches ähnlich verlaufen bleibt die Abweichung des spezifischen Widerstandes begrenzt.
Die Elektrosteuerung aktiviert den Stromfluss und dies führt zu einem Stromfluss durch das Material als auch durch den Sandkern. Mit steigender Erwärmung nimmt nun der Widerstand des Sandbindergemisches als auch im Material ab bis annährend der optimale Widerstand erreicht ist. In diesem Moment ist der Leistungseintrag optimal.
Das Sandbindergemisch hat sich nun von der Ausgangstemperatur auf ca. 100 bis 130°C je nach Größe innerhalb weniger Sekunden erwärmt. Sobald durch Verdampfung des Wasseranteils im Sandbindergemisch die freien Ladungsträger reduziert werden, beginnt schlagartig der spezifische Widerstand des Sandbindergemisches zu steigen. In diesem Moment ist der Stromfluss innerhalb des Sandkerns reduziert. Um die gewünschte optimale Betriebstemperatur für den Sandbindergemisch zu erreichen muss nun die verbleibende Wärmeenergie über das Kernkastenmaterial wie auch bei bestehenden Verfahren übertragen werden.
In durchgeführten Tests wird dabei das Siliziumkarbidmaterial kontinuierlich erwärmt um den Wärmeverlust des Materials an den Sandkern auszugleichen.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt daher besonders in der Erwärmung des Sandbindergemisches durch die gute Wärmeleitfähigkeit des Materials.
Der weitere besondere Vorteil des Verfahrens liegt daher besonders in der Erwärmung des Sandbindergemisches von der Temperatur bei Einschuss bis auf ca. 130°C durch das Prinzip der Widerstandsheizung mittels Stromfluss innerhalb des Sandkerns. Der weitere Vorteil ist das effiziente Erwärmen des Materials und damit der Wärmezuführung in der Phase von 130°C bis auf die gewünschte Betriebstemperatur des Sandbindergemisches.
Als Beispiel wird ein Sandbindergemisch mit einer Betriebstemperatur von ca. 170°C und einer Einschusstemperatur von ca. 20°C herangezogen. In Summe werden ca. 150°C zur Erwärmung benötigt. Mittels des Verfahrens kann daher 2/3 (ca. 100°C) der benötigten Wärmeenergie sehr schnell mittels
Widerstandsheizung innerhalb des Sandkerns erzeugt werden und ca. 1/3 mittels Wärmeübertragung des Materials auf den Sandkern.
Nach dem Erreichen der Betriebstemperatur bzw. dem Aushärten kann der Sandkern wie bei bestehenden Kernschießverfahren entnommen werden.
Benötigte Ausstoßbolzen zum Ausstoß des Sandkerns aus der Kavität werden in den dafür vorgesehenen Ausstoßbohrungen befestigt und ermöglichen die Loslösung der Sandkerne aus dem Material. Der dritte Prozess beschreibt die Abkühlungsphase vor einer Pause bzw.
Abschaltung. In dieser Phase kann der Kernkasten einfach im ausgefahrenen Zustand abkühlen und steht dann jederzeit für den 1 . Prozessschritt wieder zur Verfügung.
Im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei welchen stets befürchtet werden musste, das sich Kernkästen nach einer gewissen Anzahl von Schüssen abnutzen und damit die Sandkerne die geforderten Toleranzen nicht mehr einhalten kann mit der erfindungsgemäßen Auswahl von Spezialkeram ik für das Material Form- oder Kernwerkzeug eine längere prozesssichere Herstellung von Formen bzw. Kernen ermöglicht werden.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich für das Kernwerkzeug. Bestehende Systeme welche Wärmeenergie zum Aushärten benötigen, erfordern, dass die Wärme von der Heizquelle möglichst nah an den Sandkern im Kernkasten zugeführt wird. Dies wird teilweise durch komplizierte Heizbohrungen innerhalb der Grundplatte oder des Kernkastens gelöst. Diese Arbeitsschritte können eventuell vereinfacht werden, da die Wärme nicht so nah an den Sandkern dank der besseren
Wärmeleitfähigkeit herangebracht werden muss.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Verwendung von Materialien wie z.B. Siliziumkarbid-Keramik welche im Vergleich zu bestehenden
Kernwerkzeugmaterialien wie Stahl oder Aluminium eine sehr hartes Material darstellt (Mohs Stärke 9,5) und somit sich die Lebensdauer des Kernkastens verlängert aufgrund geringerem Verschleiß.
Ein weiterer Vorteil im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei welchen stets befürchtet werden musste, dass die Mischung aufgrund unterschiedlicher interner elektrischer Widerstände, bspw. hervorgerufen durch unterschiedliche Sandkerndicken, einen lokal
unterschiedlichen Aushärtegrad aufwies, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstmals eine gleichförmige, das heißt gleichmäßige und zudem prozesssichere Aushärtung der Mischung erreicht werden, wodurch sich Formen bzw. Gießkerne von besonders hoher Qualität unabhängig von ihrer
geometrischen Struktur herstellen lassen. Darüber hinaus wird mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren die Gefahr der Schalenbildung an einer
Kernoberfläche bzw. einer Formoberfläche verhindert, was beispielsweise bei einem Aushärten mittels Wärme von außen (z.B. Ölheizung) der Fall wäre.
Mit dem erfindungsgemäßen Form- oder Kernwerkzeug ist somit erstmals eine prozesssichere Herstellung von Formen bzw. Kernen möglich, durch die
Anpassung der elektrisch spezifischen Leitfähigkeit des Form- Kernkastenmaterials an das Sand-Binder-Gemisch. Dies erlaubt die
gleichmäßige Durchleitung von elektrischer Energie und somit gleichmäßige Erhitzung und dadurch gleichmäßiges aushärten. Dies war bislang aufgrund der oben genannten Nachteile bestehender Patente nicht möglich.
Durch die Anpassung des elektrischen Widerstandes des Materials an das Sand- Binder-Gemisch können auch größere und kompliziertere Sandkerne mittels einer Elektrode pro Kernteil wirtschaftlich hergestellt werden da es an keiner Stelle zu signifikanten Widerstandsunterschieden aufgrund von Sandkerndicken durch unterschiedliche Konturen kommt.
Zudem kann mittels Anpassung des spezifischen elektrischen Widerstandes je nach Sandkerndicke auch den Richtlinien der Niederspannung von bis zu 1000 V gearbeitet werden. Damit weißt das Verfahren nicht nur eine höhere Sicherheit für die Mitarbeiter auf sondern ist auch kostengünstiger. Grundsätzlich sind aber auch höhere Spannungen wie in bestehenden Patenten möglich. Dabei gilt, dass je dicker der Sandkern desto höhere Spannungen sollten verwendet werden.
Durch die direkte Erwärmung des Sandkerns sowie des Materials ohne Umwege über externe Heizvorrichtungen wie bei Ölheizungen oder Wasserdampf steigt die Effizienz des Verfahrens und dank der gleichmäßigen Wärmzuführung über die gesamte Oberfläche des Kerns ergeben sich kurze Erwärmungsphasen und damit kurze Taktzeiten.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass keine externen Heizvorrichtungen benötigt werden. Dies steigert nicht nur wie oben beschrieben die Effizienz des Verfahrens sondern reduziert auch die Anschaffungs- und Unterhaltskosten für eventuelle externe Heizvorrichtungen. Zudem ermöglicht dies Anlagen mit einem geringerem Platzbedarf vorzusehen so dass tendenziell mehr Anlage auf der gleichen Fläche untergebracht werden können.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich für das Kernwerkzeug. Bestehende Systeme welche Wärmeenergie zum Aushärten benötigen, erfordern, dass die Wärme von der Heizquelle möglichst nah an den Sandkern im Kernkasten zugeführt wird. Dies wird teilweise durch komplizierte Heizbohrungen innerhalb der Grundplatte oder des Kernkastens gelöst. Diese Arbeitsschritte können komplett entfallen, da die Wärme direkt dort erzeugt wird, wo sie benötigt wird: Im Sandkern und Kernkasten.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Verwendung von Materialien wie z.B. Siliziumkarbid-Keramik welche im Vergleich zu bestehenden
Kernwerkzeugmaterialien wie Stahl oder Aluminium eine sehr hartes Material darstellt (Mohs Stärke 9,5) und somit sich die Lebensdauer des Kernkastens verlängert aufgrund geringerem Verschleiß.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der vorstehend und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Form- oder
Kernwerkzeug,
Fig. 2 ein Phasendiagramm mit qualitativer Darstellung einer eingebrachten elektrischen Leistung und eines zugehörigen Widerstandes in einem
Kern oder einer Form.
Fig. 3 eine Darstellung der Erwärmung mittels bestehenden elektrischen
Verfahren ohne Anpassung des spezifischen Widerstandes des
Kernkastenmaterials an das Sandbindergemisch.
Fig. 4 Darstellung einer möglichen Kernkastenausführung
Fig. 5 Befestigung des Materials mit isolierendem Gehäuse und Grundplatte Fig. 6 Darstellung von Entlüftungs- und Ausstoßbohrungen Entsprechend der Fig. 1 weist ein erfindungsgemäßes Form- oder Kernwerkzeug 1 zur Herstellung von Formen 2 oder Kernen 2' für Gießereizwecke, ein zur Maschine hin elektrisch isoliertes Gehäuse 3 auf, das aus zwei Teilen 4, 5 besteht, die über eine Trennebene 6 miteinander verbunden sind. Das Gehäuse ist auf einer Grundplatte 12 befestigt.
Das Gehäuse 3 ist dabei aus Kunststoff, Isolationskeramik oder einem anderem nicht leitenden Material ausgebildet und nimmt ein leitfähiges Material 7 auf. Das Material 7 bildet eine Form zur Aufnahme einer Mischung 9, aus welcher nach dem Aushärten der Kern 2' bzw. die Form 2 gebildet wird. Das Material 7 kann beispielsweise ein Keramikmaterial sein. Erfindungsgemäß sind dabei die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Mischung 9 und die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Materials 7 zumindest annähernd gleich groß, unterscheiden sich bspw. nicht mehr als in Phase 2 von Fig. 2, so dass im
Material 7 und der Mischung 9 im Wesentlichen dieselbe spezifische elektrische Leitfähigkeit und derselbe spezifische elektrische Widerstand herrschen. Das erfindungsgemäße Form- oder Kernwerkzeug 1 besitzt darüber hinaus zumindest zwei Elektroden 10, die parallel zueinander angeordnet sind. Vorgesehen ist eine Einrichtung 8 zur Regulierung bzw. Steuerung der den Elektroden 10 zugeführten Spannung.
Erfindungsgemäß entspricht nun die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Materials 7 des Kerns 2' oder der Form 2 näherungsweise der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit der Mischung 9 in Phase 2 von Fig. 2, wodurch ein vergleichsweise gleichmäßiges Durchleiten von elektrischer Energie durch die Mischung 9 möglich ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Form- oder Kernwerkzeug 1 lässt sich dabei eine Form 2 bzw. ein Kern 2' bzw. ein Gießkern 2', auf qualitativ höchstem Niveau herstellen, da aufgrund der zumindest nahezu gleichen elektrischen Leitfähigkeit der für die Form 2 bzw. den Kern 2' benutzten Mischung 9 und des Materials 7 eine gleichmäßige Durchleitung von elektrischem Strom durch das Material 7 und die Mischung 9 und damit ein gleichmäßiges Erwärmen und Aushärten der Mischung 9 erfolgen können und zwar unabhängig von den jeweiligen
geometrischen Abmessungen der Form 2 bzw. des Kerns 2'.
Hergestellt wird die Form 2 oder der Kern 2' dabei wie folgt: Zunächst wird nach der genannten Materialauswahl beim erstmaligen Aufbau das elektrisch leitfähige Material 7 in das Gehäuse 3 des Form- oder Kernwerkzeugs 1 eingebracht und bildet eine Negativform für die die spätere Form 2 bzw. den späteren Kern 2' bildende Mischung 9. Anschließend wird dem Material 7 über die Elektroden 10 elektrische Energie und damit Wärme zugeführt, die zu einem Aushärten der Mischung 9 führen. Ein Aushärten der Mischung 9 erfolgt dabei insbesondere durch ein Verdampfen von Wasser aus der Mischung 9, wobei die Mischung 9 bspw. ein anorganisches Bindemittel, Wasser und Gießereisand enthalten kann.
Das in der Mischung 9 eingesetzte anorganische Bindemittel kann dabei wasserlöslich sein, zumindest aber Wasser enthalten und ist auf alle Fälle elektrisch leitfähig. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit dem erfindungsgemäßen Form- oder Kernwerkzeug 1 lässt sich ein besonders gleichmäßig erhitzter und dadurch auch besonders gleichmäßig ausgehärteter und damit homogener Gießkern bzw. Kern 2' schaffen und dies unabhängig von der jeweiligen geometrischen Abmessung des Kerns 2' bzw. der Form 2, da aufgrund der vorzugsweise gleichen elektrischen Leitfähigkeit der Mischung 9 für den Kern 2' und des Materials 7 sich der elektrische Strom keine kürzeren Wege sucht, wie dies bei bislang aus dem Stand der Technik bekannten Form- oder Kernwerkzeugen der Fall war. Dies hatte bislang nämlich dazu geführt, dass aufgrund der durch die geometrischen Abmessungen des Kerns 2' bzw. der Form 2 bedingten elektrischen Pfade diese unter Umständen bislang nicht gleichmäßig ausgehärtet waren und somit Bereiche mit vollständiger Aushärtung und lediglich teilweise oder gar keiner Aushärtung aufwiesen, wodurch die Qualität der bislang mit den bisherigen Form- oder Kernwerkzeugen hergestellten Formen bzw.
Kernen oftmals nicht zufriedenstellend war.
Durch die Einrichtung 8 lässt sich insbesondere die Spannung erhöhen oder erniedrigen, wodurch eine Taktzeit zur Herstellung der Form 2 bzw. des Kerns 2' steuerbar ist.
Die Grundplatte des Werkzeuges (12) nimmt das Gehäuse (3) bzw. die Teile (4,5) sowie das Material (7) auf und Isolierschrauben (13) und Winkel(14) sorgen für eine Befestigung. Isolierschrauben (13) können dabei auch durch
Schnellspannsysteme ersetzt werden um einen leichteren und schnelleren Ausbau zu ermöglichen.
Das Material„schwimmt" auf der Elektrode und die Elektrode wird durch
Ausrichtungsbolzen(15) in ihrer Position gehalten.
Nachfolgend ist die Tabellen 1 zum weiteren Verständnis beigefügt. Tabelle 1 zeigt dabei mehrere Messreihen mit unterschiedlichen Sandbindergemischen. Die Erkenntnis ist dabei, dass die spezifische elektrische Leitfähigkeit dabei vom gewünschten Sand-Bindergemisch abhängt und durch Variation von Zusätzen und/oder von Veränderung der prozentualen Anteile beeinflusst werden kann. Je stärker der elektrisch leitenden Anteil im Sandbindergemisch, desto geringer der spezifische elektrische Widerstand im Sandbindergemisch.
Daher ist die oben beschriebene Vorgehensweise zur Ermittlung der spezifischen elektrischen Eigenschaft des gewünschten Sandbindergemisches anzuwenden. Allerdings kann auch dieses Verfahren angewendet werden, wenn die
Sandbindermischung noch nicht definiert ist. In diesem Falle kann versucht werden z.B. mittels der Variation von Zusätzen die elektrisch spezifische Eigenschaft des Sandbindergemisches gezielt zu beeinflussen um die Effizienz des Verfahrens zu verbessern.
Siehe Tabelle 1 : Messtabellen Sandbindergemisch
Höhe Geringster gemessener
i spezifische Fläche spezifischer elektrischer
Messreihe Probekörper \ Widerstand
i Wärme Sand Probekörper cm2 Widerstand [Ohm cm] cm2 (Optimaler Punkt) Ohm i
iWasserglass 2% i 0,835J/g*K 6,1 2 1080 3294 iWasserglass 3% i 0,835J/g*K 6,1 2 1130 3447 iWasserglass 3% und Graphit 0,5% i 0,835J/g*K 6,1 2 588 1793 iWasserglass 3% Graphit 1% Messreihe 1 i 0,835J/g*K 6,1 2 529 1613 iWasserglass 3% Graphit 1% Messreihe 2 i 0,835J/g*K 6,1 2 498 1519 iWasserglass 4% Messreihe 1 i 0,835J/g*K 6,1 2 523 1595 iWasserglass 4% Messreihe 2 i 0,835J/g*K 6,1 2 584 1781 iWasserglass 10% und Graphit 5,0% i 0,835J/g*K 6,1 2 12,78 39
Mnnotek Binder von ASK i 0,835J/g*K 6,1 2 781 2383 iCordis Binder von Hüttenes Albertus i 0,835J/g*K 6,1 2 683 2083 iGießerbinder (undisclosed) ; 0,835J/g* 3,5 499 1371
Tabelle 1 : Messreihen Sand-Binder Gemische.
*****

Claims

Ansprüche
1 . Werkzeugeinsatz aus einem Material (7) für Kernschießmaschinen zur Herstellung von Gießkernen mit mindestens einer Kavität zur Aufnahme einer Formstoffmischung (9), wobei das Material (7) überwiegend aus Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid besteht,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der spezifische elektrische Widerstand des Materials (7) bei einer
Materialtemperatur von 150° C bis 180°C zwischen 0,5 Ohmmeter und 200 Ohmmeter liegt, wobei das Material (7) Kohlenstoffanteile beinhalten kann, um die elektrische Leitfähigkeit einzustellen.
2. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich um einen gesinterten Einsatz handelt.
3. Werkzeugeinsatz nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,56 W/(m*K) beträgt.
4. Werkzeugeinsatz nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zum Entweichen von Wasserdampf oder Gasen der Werkzeugeinsatz porös ausgeführt ist und oder Entlüftungsschlitze(17) enthält.
5. Werkzeugeinsatz nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus mindestens zwei Teilen besteht, die zusammengesetzt mindestens eine direkte Kontaktfläche bilden.
Form- oder Kernwerkzeug (1 ) zum Herstellen von Formen(2) oder Kernen (2'), für Gießereizwecke, wobei
- in ein Gehäuse(3) mindestens ein Werkzeugeinsatz nach einem der vorangehenden Ansprüche eingesetzt ist,
- das Gehäuse(3) aus mindestens 2 Teilen (4, 5) besteht, welche zum Beginn und Abschluss eines Taktvorgangs zusammen- bzw.
auseinandergefahren werden können und zusammengefahren eine direkte Kontaktfläche.
- Bohrungen für Ausstoßbolzen im Werkzeug, sowie mindestens eines Teiles des Gehäuses (4, 5) zur Entnahme der Sandkerne bei Bedarf vorzusehen sind.
Verfahren zur Herstellung von Formen (2) oder Kernen (2') für
Gießereizwecke, mittels Anpassung des spezifischen elektrischen
Widerstandes des Werkzeugeinsatzes an den spezifischen elektrischen Widerstand einer Mischung (9) aus mindestens einem Formstoff, insbesondere Gießereisand, und mindestens einem Wasser enthaltenden anorganischen, Wärme aushärtbaren Bindemittel, welches eine
ausreichende elektrische Leitfähigkeit von mindestens 5 ■ 10~3 S/m aufweist,
wobei,
- in ein elektrisch nicht leitendes Gehäuse (3) mindestens ein
Werkzeugeinsatz aus einem elektrisch leitfähigen Material (7) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Aufnahme der Mischung (9) eingebracht wird, wobei die elektrische Leitfähigkeit des
Materials (7) bei Betriebstemperatur zwischen 150 °C und 180 °C zumindest näherungsweise der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit der Mischung (9) bei einer Temperatur zwischen ca. 100°C bis 130°C entspricht,
- dem Werkzeugeinsatz (7) über in/an dem Gehäuse (3) parallel
angeordnete und bei Bedarf vollflächigen Elektroden (10) elektrische Energie und darüber Wärme zugeführt wird, die zum Aushärten der Mischung (9) führt,
- wobei das Gehäuse (3) aus mindestens zwei Teilen (4, 5) besteht, welche zum Beginn und Abschluss des Taktvorgangs der Form - oder Kernherstellung zusammen- bzw. auseinandergefahren werden und zusammengefahren eine direkte Kontaktfläche ohne isolierende Zwischenschicht bilden,
- benötigte Bohrungen (16') für Ausstoßbolzen (16) im Werkzeug,
mindestens einer Elektrode (10) sowie mindestens eines Teiles (4, 5) des Gehäuses (3) zur Entnahme der Sandkerne vorhanden sind,
- zum Entweichen von Wasserdampf oder Gasen sowohl das Werkzeug als auch die Elektroden sowie mindestens ein Teil(4,5) des Gehäuses (3) porös ausgeführt und/oder Entlüftungsschlitze (17) vorhanden sind
- der oder die Formen oder Kerne (2,2') nach dem Aushärten der
Mischung (9) und dem Auseinanderfahren der Gehäuseteile (4, 5) mittels Ausstoßbolzen (16) aus dem Werkzeug gedrückt und entnommen werden.
EP17825733.3A 2016-12-06 2017-12-02 Werkzeugeinsatz, form- oder kernwerkzeug sowie verfahren zur herstellung von formen oder kernen Withdrawn EP3551359A1 (de)

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