EP3616806B1 - Verfahren zur herstellung eines modellformkernrohlings, eines modellformkerns und einer feingussform sowie ein giessverfahren zur herstellung eines gussteils mit einer hohlraumstruktur - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines modellformkernrohlings, eines modellformkerns und einer feingussform sowie ein giessverfahren zur herstellung eines gussteils mit einer hohlraumstruktur Download PDF

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EP3616806B1
EP3616806B1 EP18192272.5A EP18192272A EP3616806B1 EP 3616806 B1 EP3616806 B1 EP 3616806B1 EP 18192272 A EP18192272 A EP 18192272A EP 3616806 B1 EP3616806 B1 EP 3616806B1
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EP
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model
core
lost
blank
ceramic
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Johannes Otto
Michael Otto
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Johannes and Michael Otto GbR Vertreten Durch Die Gesellschafter Johannes Otto und Michael Otto
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/02—Lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a model mold core blank according to claim 1, a method for producing an investment casting mold according to claim 2 and a casting method for producing a cast part with a cavity structure according to claim 14.
  • Casting methods for producing components are known from the prior art. In these, a casting mold is filled with a material and removed after it has solidified or solidified. Particular challenges arise in the formation of undercuts on and cavity structures in the component.
  • the model can be made from wax, for example, and used to create a casting mold from a ceramic.
  • the casting mold is designed in particular as a lost mold in the form of a single-use ceramic coating of the model. After the wax has been removed from the casting mold, a cavity remains that can be filled with the material of the component to be manufactured. After filling and hardening, the mold is destroyed and the component removed.
  • cores are used around which the wax model is manufactured. After the wax has been removed from the ceramic coating, these cores remain in the cavity of the ceramic coating and then correspondingly also form a cavity in the component. The core is later removed from the component using mechanical or chemical processes.
  • a method is described in which a core is first produced according to a 3D model in a first CNC method.
  • the core is then positioned in a processing holder in order to subsequently be coated with a wax body blank. It is, so to speak, a process for the production of a model core blank.
  • the wax body blank is then processed in a second CNC process in such a way that a lost wax model of the component is created around the core.
  • the process can be described as a process for producing a model mold core.
  • the model mold core produced in this way therefore has a lost core and the lost model.
  • the disadvantage of the method for producing the model mold core blank and the model mold core is that the position of the core relative to the lost model cannot be achieved reliably with sufficient precision. This creates scrap.
  • the disadvantage of this work step is that the processing holder is exposed to the casting temperatures of the metal.
  • the processing holder can be deformed here, so that the relative positioning between the ceramic mold and the core changes.
  • the processing holder must be made of high-temperature-resistant materials, which makes it expensive and means increased effort when accommodating it in processing machines.
  • FIG EP 3 251 790 A2 famous One method of providing a mold for turbine blades is disclosed in FIG EP 3 251 790 A2 famous.
  • a model core is first made by first gluing sleeves into parallel holes on one side of a ceramic block. With these sleeves, the ceramic block is then placed on an annular holder that engages with a pin in one of the sleeves.
  • the ceramic block can be removed from the ring-shaped holder at any time, or it can be placed in a machine tool with it. Alternatively, it is also disclosed that the ceramic block is glued to the ring-shaped holder. After machining the ceramic block to A model core is encapsulated with wax and then the wax is machined.
  • the object of the invention is therefore to develop process steps that contribute to reliable, reproducible and, above all, precise positioning of a lost core relative to a ceramic form of an investment casting mold, the process steps being as little complex as possible and quick and inexpensive to perform. In particular, this should also prevent rejects from the core production to the finished component.
  • the invention relates to a method for producing a model mold core blank, which is particularly suitable for producing a cast part with a cavity structure, using a 3D model (three-dimensional model) of digital geometry coordinates of the cast part.
  • a ceramic blank is positioned on a processing holder and a fixation is established between the ceramic blank and the processing holder.
  • the cubature of the ceramic blank is preferably larger than a core element to be produced from it.
  • a core element is then manufactured, a lost core being manufactured from the ceramic blank based on the 3D model in a first CNC manufacturing process while the fixation continues, the machining holder being fixed in a CNC machine for performing the first CNC manufacturing process .
  • the lost core is preferably a cavity model of the cavity structure.
  • the method is supplemented by the fact that a stabilization frame is produced from the ceramic blank during the first CNC production process and while the fixation continues, the stabilization frame supporting the lost core, in particular at at least one support point which is arranged at a distance from the machining holder.
  • a stabilization frame is produced from the ceramic blank during the first CNC production process and while the fixation continues, the stabilization frame supporting the lost core, in particular at at least one support point which is arranged at a distance from the machining holder.
  • a removal of one or more support points between the stabilizing frame and the lost core is provided after the production of the lost core and before the production of the model blank, this preferably in the first CNC production process.
  • the lost core is thus kept stable during machining in the first CNC manufacturing process and particularly fine contours can be formed on the lost core.
  • the support points are preferably connecting webs which are preferably narrower and / or thinner than the adjoining area of the lost core.
  • the method provides for making a model blank by casting model material around the lost core and allowing the model material to solidify while the fixation continues.
  • the cubature of the model blank is preferably larger than a lost model to be produced from it, the lost model preferably being a positive model of the cast part if the outer contour of the lost model is produced by a material-removing process such as turning, milling, laser cutting, etc.
  • the cubature of the model blank is preferably smaller than a lost model to be produced from it, the lost model preferably being a positive model of the casting if the outer contour of the lost model is produced on the model blank by a material application process such as 3D printing.
  • the stabilizing frame is removed after the production of the lost core and before the production of the model blank, preferably after the removal of one or more support points, and furthermore preferably in the first CNC production process. This is particularly suitable for lost cores that have sufficient inherent stability.
  • the stabilizing frame is not removed before the model blank is produced.
  • the stabilizing frame can then also support the lost core during the production of the model blank and optionally also during the production of the lost model.
  • the stabilizing frame can be arranged at least partially in the model blank. However, it should be outside the lost model. Support points of the stabilization frame can then extend through the lost model to the lost core. This also stabilizes lost cores of unstable design during the further process steps, prevents changes in shape and prevents damage.
  • the advantage of the method according to the invention is that the lost core has a defined position relative to the machining holder. This avoids positioning problems which could otherwise arise from a subsequent fixation of an already manufactured core element with a lost core on a machining holder. This is because each time a core element is clamped in a machining fixture, stress deformations of the core element can occur.
  • the alternative production of a fixation by gluing takes a long time, and curing tensions in the adhesive can also lead to positional deviations between the core element and the processing holder. Even small deviations in the area of the fixation can lead to larger position deviations away from the fixation. All of this is avoided according to the invention.
  • a ceramic form is applied to the outer contour of the lost model and a positioning connection of the ceramic form is formed with at least one connection point on the core element. Finally, the lost model is removed from the ceramic mold.
  • the advantage here is that the core element and the lost shape have a high degree of relative positional accuracy to one another by means of the positioning connection.
  • the processing holder has no direct connection to the ceramic mold. This allows it to be removed.
  • the positioning connection should be designed in such a way that the removal of the processing holder has no influence on the relative positioning between the ceramic mold and the lost core.
  • an inexpensive processing holder can be used that does not have to withstand baking or sintering temperatures or casting temperatures during component production.
  • reusable machining holders can be used, in particular also those which are made at least in part or completely from tool steel.
  • the method for manufacturing an investment casting mold can be supplemented by the fact that a stabilization frame is manufactured from the ceramic blank during the first CNC manufacturing process and while the fixation continues, the stabilization frame supporting the lost core, in particular at at least one support point that is spaced apart from the processing holder is arranged.
  • a stabilization frame is manufactured from the ceramic blank during the first CNC manufacturing process and while the fixation continues, the stabilization frame supporting the lost core, in particular at at least one support point that is spaced apart from the processing holder is arranged.
  • removal of one or more support points between the stabilization frame and the lost core is optionally provided after the production of the lost core and before the production of the model blank, this preferably in the first CNC production process.
  • the lost core is thus kept stable during machining in the first CNC manufacturing process and particularly fine contours can be formed on the lost core.
  • the support points are preferably connecting webs which are preferably narrower and / or thinner than the adjoining area of the lost core.
  • a machining process in particular a milling process, and / or a generative manufacturing process such as, for example, 3D printing, selective laser melting or laser sintering, can be used as the first CNC manufacturing process.
  • the preferred method is the milling method.
  • a 3D printing process can also be provided in which a model material, for example wax, on and / or is printed around the lost core while the fixation continues.
  • a model material for example wax
  • Such 3D printing processes allow particularly complex geometries.
  • the machining holder is positioned in the executing CNC machine before the first CNC manufacturing method is carried out and before the machining holder is fixed.
  • the advantage here is that the machining holders can be connected to the ceramic blank away from the CNC machine. This reduces machine downtimes, especially if several machining holders have a uniform geometry.
  • the machining holder has a coupling piece for receiving in a zero point fixing system, the coupling piece being received in a zero point fixing system of the performing CNC machine when the first CNC manufacturing process is carried out.
  • a zero point fixing system is characterized in particular by the fact that no exact positioning has to take place during the production of the fixation.
  • the coupling piece only has to be roughly positioned and the alignment of the coupling piece in the zero point fixing system then takes place automatically during fixing.
  • defined correlating positioning surfaces contribute to correct positioning in a zero point fixing system, in particular both on the part of the coupling piece and on the part of the zero point fixing system.
  • Zero point fixing systems in the context of this document are zero point clamping systems and other holding mechanisms (adhesion, gluing, negative pressure, etc.). Zero point clamping systems fix by means of clamping forces. Zero point clamping systems can also be combined with other holding mechanisms so that clamping and other holding forces are used for fixation.
  • a model wax is particularly suitable as the model material.
  • the model material should have a lower melting temperature than the core element.
  • a sprue model is formed when the model blank is produced.
  • Such a sprue model will later form a sprue in the ceramic investment casting mold during the production of a ceramic investment casting mold. At the same time, it can be used as an outlet for removing the lost model and / or the lost core.
  • the sprue model is optionally conical. A funnel-shaped sprue then results.
  • CNC computer-aided numerical control or manufacturing steps which, in particular, are computer-aided and automated.
  • the surfaces of the core element can optionally be coated after the first CNC manufacturing process. As a result, the surfaces can be made particularly smooth.
  • the lost core can for example be placed in a model molding tool and the model blank can be formed around the lost core by filling / injecting model material such as wax, thermoplastic or the like into the space between the lost core and the inner walls of the model molding tool.
  • model material such as wax, thermoplastic or the like
  • the ceramic blank can first be brought into the desired blank shape by injection molding, transfer molding or casting of a suitable liquid of ceramic material.
  • the starting material can comprise one or more ceramic powders, a binder and, optionally, additives that can be introduced into a correspondingly shaped blank molding tool.
  • the blank molding tool can be removed, for example opened, in order to remove the green compact.
  • the green compact After the green compact is removed from the blank mold, it should be fired at a high temperature in one or more steps to remove the volatile binder and to sinter and cure the ceramic blank. As a result, it achieves a strength and dimensional accuracy that are sufficient for use in the casting of metallic material such as a titanium, nickel or cobalt-based alloy.
  • the 3D model of the digital geometry coordinates of the cast part can be adapted in order to take into account a correction of manufacturing-related deviations in shape, for example shrinkage or material stresses.
  • the invention also includes a model mold core blank which is produced by a method for producing a model mold core blank, as described above and below.
  • the advantages of the process are also inherent in the model mold core blank. In particular, it can be manufactured with high precision, process reliability, and inexpensively.
  • the invention also relates to a method for producing a model mold core, in which the method for producing a model mold core blank, as described above and below, is carried out, and the production of an outer contour of a lost model from and / or based on the model blank comprises on the 3D model in a second CNC manufacturing process, while the fixation continues, wherein the machining holder is set in a CNC machine for performing the second CNC manufacturing process.
  • the lost core assumes a defined position on the machining holder and, as a result, the lost model is also correctly positioned relative to the machining holder and thus also to the lost core.
  • the machining holder is preferably positioned before the second CNC manufacturing method is carried out and before the machining holder is fixed in the CNC machine performing the process. Machining holders with defined geometry can be positioned particularly easily, quickly and precisely in the CNC machine (s) performing the work. During the execution of process steps for which a CNC machine is not required, this CNC machine can be released and used for other purposes.
  • the machining holder has a coupling piece for receiving in a zero point fixing system, the coupling piece being received in a zero point fixing system of the performing CNC machine when the second CNC manufacturing process is carried out. This enables the machining holder to be received particularly precisely and quickly in the CNC machine.
  • the first CNC manufacturing process is preferably a material-removing process, more preferably a cutting process, and particularly preferably a milling process.
  • the second CNC manufacturing process is preferably either a material-removing process, more preferably a cutting process, and particularly preferably a milling process, or an application process such as 3D printing.
  • the second CNC manufacturing process can also combine removing and depositing processes. This allows different areas of the lost model to be produced particularly efficiently.
  • the optional stabilizing frame can lie at least partially outside of the lost model. It then has at least partially no contouring influence on the component to be produced later, which in particular will be based on the positive body of the lost model.
  • the subject matter of the invention also includes a model mold core which is produced according to the method for producing a model mold core, as described above and below.
  • the advantages of the process are also inherent in the model mold core. In particular, it can be manufactured with high precision, process reliability, and inexpensively.
  • the method can optionally be supplemented by a step in which the fixation between the processing holder and the core element and the separation of the core element from the processing holder take place before or after removing the lost model from the ceramic mold, ie in particular after the application of the ceramic mold or after the lost model has been removed from the ceramic mold, and particularly preferably before the implementation of a casting process for producing the cast part in the investment casting mold.
  • the ceramic form can be applied to the outer contour of the lost model, for example, by repeated immersion in a ceramic slip, with excess slip flowing off after each immersion, sanding with ceramic stucco and air drying. In this way, several ceramic layers can be built up, which form the ceramic shape in the manner of a molded shell on the outer contour.
  • the resulting arrangement can then be fed to a steam autoclave in order to remove the lost model, so that the ceramic mold with the lost core arranged therein remains as an investment casting mold.
  • the method can be supplemented by the optional step of firing the arrangement comprising the core element and the ceramic mold before or after the core element is separated from the processing holder. This removes volatile binder and sintered and cured the assembly.
  • the investment casting mold produced in this way achieves a strength and dimensional accuracy that are sufficient for use in the casting of metallic material such as a titanium, nickel or cobalt-based alloy.
  • a sprue model is also formed, in particular from the model blank.
  • This step can include the complete elaboration of the sprue model from the model blank or, if provided, the post-processing of a coarser sprue model already formed on the model blank.
  • Such a sprue model will later form a sprue in the ceramic investment casting mold during the production of a ceramic investment casting mold.
  • the sprue can be used as an outlet for removing the lost model and / or the lost core.
  • the sprue model is optionally conical. A funnel-shaped sprue then results.
  • the subject matter of the invention also includes an investment casting mold which is produced by the method for producing an investment casting mold, as described above and below.
  • the advantages of the process are also inherent in the investment casting mold. In particular, it can be manufactured with high precision, process reliability and inexpensively, with the lost core in particular being correctly positioned and held in the ceramic mold. Sprue structures and ventilation structures for the casting process can then be attached to the investment mold. Alternatively, separate sprue structures can also be used on the lost model as well as ventilation structures for the later casting process are attached so that they are connected to the investment casting mold or are part of it.
  • the invention also relates to a casting method for producing a casting with a cavity structure, in which a method for producing an investment casting mold, as described above and below, is carried out, and in which molten metal is poured into the ceramic mold around the lost core , solidification of the molten metal to form a solid component, and removal of the ceramic mold and the lost core from the solid component take place.
  • the solid component has cavity structures that are positioned very precisely in the solid component so that, for example, there are no weak points that could render the solid component unusable.
  • the lost core is removed from the cavity structure of the component.
  • the lost core is preferably removed from the solid component by water-based or chemical washing or other techniques. If the core element also has an optional stabilizing frame, this is also removed from the fixed component.
  • the casting method preferably comprises the optional step of releasing the fixation between the processing holder and the core element and separating the core element from the processing holder at the latest before the molten metal is poured into the ceramic mold.
  • an inexpensive processing holder can be used, which at least does not have to withstand the casting temperatures of the molten metal.
  • the casting process is particularly suitable when the molten metal is a titanium, nickel or cobalt-based alloy. With such expensive components, high costs can be achieved by reducing rejects and component damage in accordance with the method.
  • the investment casting mold is preheated before the molten metal is poured. This can have a positive effect on crystal formation and avoid cracks in the investment mold due to thermal stresses due to sudden temperature changes.
  • the metal melt preferably solidifies polycrystalline, and particularly preferably monocrystalline. A high component strength is achieved in this way.
  • a ceramic core blank 10 which is fixed to a machining holder 50 via a two-sided fixation 51.
  • the fixation 51 can be formed, for example, by gluing or clamping.
  • the two sides of the fixation 51 are opposite one another and the ceramic core blank 10 is arranged between the two sides.
  • the processing holder 50 has a coupling piece 52 and a processing bridge 53.
  • the processing bridge 53 extends between the two sides of the fixation 51 and is connected to the coupling piece 52 or formed in one piece with it.
  • the coupling piece 52 is designed for inclusion in a zero point fixing system of CNC processing machines.
  • the cubature of the ceramic core blank 10 is preselected or prefabricated in such a way that a core element 11 to be produced from the ceramic core blank 10 by material removal or ablation with a lost core 12 lies within this cubature.
  • Fig. 2 is a possible consequence of the initial situation Fig. 1 after or during the production of the core element 11, the lost core 12 from the ceramic blank 10 (see Fig. 1 ) is manufactured according to a 3D model in a first CNC manufacturing process, for example a CNC milling process, while the fixation 51 continues.
  • a (temporary) stabilizing frame 15 is made from the ceramic blank 10 (see FIG Fig. 1 ) manufactured in the first CNC manufacturing process while the fixation 51 continues.
  • the (temporary) stabilization frame 15 supports the lost core 12 via support points 16.
  • the support points 16 are each arranged at a distance from the fixation 51.
  • the support points 16 are connecting webs or pins, each of which is narrower than the adjoining area of the lost core 12.
  • FIG. 3 the lost core 12 of the core element 11, which extends between the two sides of the fixture 51. It can be seen that the stabilizing frame 15 was removed after the production of the lost core 12, in particular after it was removed from the support points 16.
  • the ceramic core blank 10 In the area of the fixation 51, the ceramic core blank 10 (see Fig. 1 ) not processed in order not to weaken the fixation 51 and not to damage the processing holder 50.
  • This unprocessed area of the ceramic core blank 10 can also be referred to as the fusing area.
  • the core element 11 At this stage, the core element 11 also has two connection points 13, to which a ceramic mold 81 (see FIG Fig. 7 ) will connect.
  • Fig. 4 is the arrangement according to Fig. 3 It is further used in such a way that the lost core 12 continues to be fixed to the processing holder 50 via the fixation 51 and is stored in a model molding tool 30 for producing a model blank 20 (see FIG Fig. 5 ) is arranged.
  • the model molding tool 30 has a first and a second mold half 31, 32 and is supported by positioning surfaces 33 on the processing holder 50, in particular on the coupling piece 52 and on the processing bridge 53 Model molding tool 30 out. In this way, a tool cavity 35 is formed around the lost core 11.
  • a model sprue 34 which is formed by the model molding tool 30, opens into this tool cavity 35 from above.
  • the after Fig. 4 The initial situation shown is suitable for the production of a model blank 20 (see Fig. 5 ) by casting model material through the model sprue 34 into the tool cavity 35, that is to say in particular around the lost core 12 located in the tool cavity 35.
  • the model material can be a model wax, for example.
  • the model material should have a lower melting temperature than the core element 11.
  • the model material is then allowed to solidify.
  • the fixation 51 still exists.
  • the lost core 12 is positioned in a defined position relative to the model blank 20.
  • the cubatures of the model blank 20 and the tool cavity 35 are each larger than a lost model 21 to be produced from them (see Fig. 6 ).
  • Fig. 5 After removing the model molding tool 30 according to the method status after Fig. 4 the arrangement remains in accordance with Fig. 5 .
  • Fig. 5 it can be seen how the core element 11 with the lost core 12 is still fixed on the machining holder 50 via the fixation 51. However, the lost core 12 is now also arranged in the model blank 20 made of the model material. This results in a model mold core blank 1.
  • a production-related sprue point 24 also remains on the model blank 20.
  • a conical sprue model 23 is also recognizable through the model blank 20.
  • the machining holder 50 with the coupling piece 52 can again be fixed in a CNC machine for carrying out the second CNC manufacturing method after it has been positioned.
  • the lost core 12 still occupies a defined position on the machining holder 50 and, as a result, the lost model 21 is also correctly positioned relative to the machining holder 50 and thus also to the lost core 12.
  • the lost core 12, together with the lost model 21, forms a model mold core 2.
  • the second CNC manufacturing process is a material-removing process, preferably a cutting process and particularly preferably a milling process being used.
  • the outer contour 22 of the lost model 21 is to be produced in these areas by a material-applying process, for example in a (CNC) 3D printing process.
  • the model mold core 2, namely the lost model 21 and the lost core 12 arranged therein, can now be separated from the processing holder 50, because the goal of arranging the lost core 12 exactly in the lost model 21 has been achieved and will not be adversely affected in the next steps .
  • the fixation 51 is as shown in Fig. 7 can be recognized in particular by the fact that the lost core 12 is separated from the fixing area.
  • the fixing area can remain on the processing holder 50. The fixing area can be removed from this later if necessary.
  • Fig. 7 also shows how the lost model 21 and the lost core 12 are encased in a ceramic mold 81 of an investment casting mold 80. Only the ends of the lost core 12 look out of the ceramic mold 81.
  • the ceramic mold 81 was applied to the outer contour 22 of the lost model 21 in accordance with the method.
  • the ceramic form 81 can be applied to the outer contour 22 of the lost model 21, for example, by repeated immersion in a ceramic slip, with excess slip flowing off after each immersion, along with sand Ceramic stucco and air drying is done. In this way, several ceramic layers can be built up, which form the ceramic mold 81 in the manner of a molded shell on the outer contour 22.
  • a positioning connection 82 of the ceramic mold 81 with the two connection points 13 on the core element 11 is established so that the lost core 12 is firmly connected to the ceramic mold 81.
  • the lost core 12 with the connection points 13 protrudes from the lost model 21.
  • the model mold core 2 can be held at these overhangs during the production of the ceramic mold 81, the connection points 13 should be kept free.
  • casting and / or ventilation structure parts can be attached to the lost model 21 before the ceramic mold 81 is applied. These are then preferably connected to the ceramic mold 81 when it is applied.
  • a sprue 83 which is part of the ceramic mold 81, was also formed with the aid of the sprue model 23.
  • the lost model 21 can now be removed from the ceramic mold 81, for example by melting it out, with the molten model material being able to run off through the sprue 83.
  • the arrangement according to Fig. 7 for example, be fed to a steam autoclave in order to remove the lost model 21.
  • the ceramic mold 81 with the lost core 12 arranged therein remains as the investment casting mold 80.
  • the investment casting mold 80 is not yet sufficiently stable for the subsequent method steps, it can first be fired.
  • the casting process can be prepared and carried out.
  • the preparation usually includes a change of work location and positioning in a casting device.
  • the investment casting mold 80 is optionally preheated before casting.
  • molten metal is then poured through the sprue 83 into the ceramic mold 81 and around the lost core 12.
  • the molten metal can be, for example, a titanium, nickel or cobalt-based alloy.
  • the ceramic mold 81 and the lost core 12 can be removed from the fixed component 102, in particular in a destructive manner.
  • the ceramic shape is typically broken open and / or milled.
  • the lost core 12 can be, for example, by chemical reactions For example, dissolved in water or otherwise dissolved, dissolve and then run out of the remaining cavity structures 101 in the solid component 102.
  • the lost model 21 is therefore a positive model of the cast part 100 and the lost core 12 is a model of the cavity structure 101.
  • the geometries to be generated in the manufacturing process are based on the geometry data of the later cast part 100.
  • the geometries to be generated can be determined by using a 3D model of digital geometry coordinates of the cast part 100. If necessary, the geometries to be generated are adapted with respect to the digital geometry coordinates of the cast part 100. This allows shrinkage, component stress and the like to be taken into account in order to finally obtain a physical cast part 100, the shape of which corresponds to the 3D model of digital geometry coordinates of the cast part 100.
  • a stabilizing frame 15 with support points 16 based on the process status Fig. 2 to maintain.
  • the stabilizing frame 15 can then support the lost core 12 during the production of the model blank 20 and optionally also during the production of the lost model 21.
  • the stabilizing frame 15 can be arranged at least partially in the model blank 20. However, it can also be at least partially outside the model blank 20. However, the stabilizing frame 15 should be arranged outside the lost model 21. Support points 16 of the stabilization frame 15 can then protrude through the lost model 21 as far as the lost core 12. As a result, lost cores 12 of unstable design are also stabilized during the further process steps.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Modellformkernrohlings gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Feingussform gemäß Anspruch 2 sowie ein Gießverfahren zur Herstellung eines Gussteils mit einer Hohlraumstruktur gemäß Anspruch 14.
  • Aus dem Stand der Technik sind Gießverfahren zur Herstellung von Bauteilen bekannt. Bei diesen wird eine Gussform mit einem Material gefüllt und nach dessen Verfestigung bzw. Erstarren entfernt. Besondere Herausforderung ergeben sich bei der Ausbildung von Hinterschneidungen am und Hohlraumstrukturen im Bauteil.
  • Gießtechnisch komplexe Bauteile werden daher durch sogenanntes Feingießen hergestellt, bei dem verlorene Modelle und verlorene Gussformen genutzt werden, um das Bauteil herzustellen. Nach Abschluss des Feingussverfahrens ist sowohl das Modell des Bauteils zerstört als auch die Gussform.
  • Das Modell kann beispielsweise aus Wachs hergestellt werden und der Erstellung einer Gussform aus einer Keramik dienen. Die Gussform wird insbesondere als verlorene Form in Gestalt einer einmal verwendbaren Keramikbeschichtung des Modells ausgebildet. Nach Entfernung des Wachses aus der Gussform verbleibt ein Hohlraum, der mit dem Material des herzustellenden Bauteils befüllbar ist. Nach dem Befüllen und Aushärten wird die Gussform zerstört und das Bauteil entnommen.
  • Um Hohlraumstrukturen im Bauteil ausbilden zu können, werden Kerne eingesetzt, um die das Wachsmodell gefertigt wird. Diese Kerne verbleiben nach dem Entfernen des Wachses aus der Keramikbeschichtung im Hohlraum der Keramikbeschichtung und bilden dann entsprechend auch einen Hohlraum im Bauteil aus. Die Entfernung des Kernes aus dem Bauteil erfolgt später durch mechanische oder chemische Verfahren.
  • Insbesondere zur Herstellung von Turbinenschaufeln wird in WO 2015/051916 A1 ein Verfahren beschrieben, bei dem zunächst eine Herstellung eines Kerns gemäß einem 3D-Modell in einem ersten CNC-Verfahren erfolgt. Anschließend wird der Kern in einer Bearbeitungshalterung positioniert, um im Anschluss mit einem Wachskörperrohling überzogen zu werden. Es handelt sich gewissermaßen um ein Verfahren zur Herstellung eines Modellformkernrohlings.
  • Danach wird der Wachskörperrohling in einem zweiten CNC-Verfahren derart bearbeitet, dass um den Kern herum ein verlorenes Modell des Bauteils aus Wachs entsteht. Bis hierhin lässt sich das Verfahren als Verfahren zur Herstellung eines Modellformkerns bezeichnen. Der so hergestellte Modellformkern weist also einen verlorenen Kern und das verlorene Modell auf.
  • Nachteilhaft an den Verfahren zur Herstellung des Modellformkernrohlings und des Modellformkerns ist, dass die Position des Kerns relativ zum verlorenen Modell nicht prozesssicher in hinreichender Präzision erreicht wird. Damit entsteht Ausschuss. Je später die von außen kaum feststellbare mangelhafte Positionierung des Kerns in dem verlorenen Modell erkannt wird, desto höher sind die Kosten des Ausschusses. In den verschiedenen Fertigungsstufen sind daher erhebliche Aufwände zu betreiben, um Fehlpositionierungen der Hohlraumstrukturen im finalen Bauteil zu verhindern.
  • Die im Verfahren von WO 2015/051916 A1 weiterführenden Schritte können die bis zur Herstellung des Modellformkerns entstandene Fehlpositionierung des Kerns nicht mehr ausgleichen. Gemäß dem Verfahren wird nämlich direkt im Anschluss eine keramische Form auf das verlorene Modell aufgebracht. Damit die keramische Form auch nach dem Entfernen des verlorenen Modells noch relativ zum Kern positioniert ist, wird die keramische Form vorher mit dem Bearbeitungshalter verbunden, an dem auch der Kern positioniert und festgelegt wurde. Das bis hierhin führende Verfahren ist also ein Verfahren zur Herstellung einer Feingussform.
  • Nachteilhaft an dieser Feingussform ist, dass ein teurer Bearbeitungshalter notwendig ist, der späteren Brennprozessen und dem Metallgießen standhält. Außerdem kann eine Fehlpositionierung des verlorenen Kerns in der keramischen Form vorliegen, welche entweder die Feingussform als solches oder das später gegossene Bauteil unbrauchbar macht.
  • Zum Verfahren gemäß WO 2015/051916 A1 gehört schließlich, die keramische Form mit dem innenliegenden Kern mit Metallschmelze zu füllen, während der verlorene Kern und die keramische Hülle weiterhin mit dem Bearbeitungshalter verbunden sind. Nach dem Erstarren des Metalls zu einem festen Bauteil werden die keramische Form und der Kern entfernt.
  • Nachteilhaft an diesem Arbeitsschritt ist, dass der Bearbeitungshalter den Gießtemperaturen des Metalls ausgesetzt ist. Hierbei kann sich der Bearbeitungshalter verformen, sodass die relative Positionierung zwischen der keramischen Form und dem Kern ändert. Außerdem muss der Bearbeitungshalter aus hochtemperaturfesten Materialien bestehen, was diesen teuer macht und erhöhten Aufwand bei der Aufnahme in Bearbeitungsmaschinen bedeutet.
  • Ein Verfahren zur Bereitstellung einer Gussform für Turbinenschaufeln ist aus EP 3 251 790 A2 bekannt. Bei diesem wird zunächst ein Modellkern dadurch hergestellt, dass in parallele Löcher auf einer Seite eines Keramikblocks zunächst Hülsen eingeklebt werden. Mit diesen Hülsen wird der Keramikblock anschließend auf einen ringförmigen Halter aufgesetzt, der mit je einem Pin in eine der Hülsen eingreift. Der Keramikblock kann gemäß einer Ausführung jederzeit von dem ringförmigen Halter abgenommen werden, oder aber mit diesem in eine Werkzeugmaschine gesetzt werden. Alternativ wird auch offenbart, dass der Keramikblock mit dem ringförmigen Halter verklebt wird. Nach maschineller Bearbeitung des Keramikblocks zu einem Modellkern wird dieser mit Wachs eingekapselt und anschließend das Wachs maschinell bearbeitet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Verfahrensschritte zu entwickeln, die zu einer prozesssicheren, reproduzierbaren und vor allem genauen Positionierung eines verlorenen Kerns relativ zu einer keramischen Form einer Feingussform beitragen, wobei die Verfahrensschritte möglichst wenig komplex sowie schnell und preiswert ausführbar sein sollen. Insbesondere soll hierdurch auch Ausschuss von der Kernherstellung bis zum fertigen Bauteil verhindert werden.
  • Hauptmerkmale der Erfindung sind in Anspruch 1 sowie den Ansprüchen 2 und 14 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 3 bis 13 und 15 sowie der Beschreibung.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Modellformkernrohlings, der insbesondere zur Herstellung eines Gussteils mit einer Hohlraumstruktur geeignet ist, unter Verwendung eines 3D-Modells (dreidimensionalen Modells) digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils. In diesem Verfahren wird ein Positionieren eines Keramikrohlings an einem Bearbeitungshalter vorgenommen und eine Fixierung zwischen dem Keramikrohling und dem Bearbeitungshalter hergestellt. Die Kubatur des Keramikrohlings ist vorzugsweise größer als ein hieraus herzustellendes Kernelement. Anschließend erfolgt ein Herstellen eines Kernelements, wobei ein verlorener Kern aus dem Keramikrohling basierend auf dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Herstellungsverfahren gefertigt wird während die Fixierung fortbesteht, wobei der Bearbeitungshalter in einer CNC-Maschine zur Durchführung des ersten CNC-Herstellungsverfahrens festgelegt ist. Der verlorene Kern ist vorzugsweise ein Hohlraummodell der Hohlraumstruktur.
  • Ergänzt ist das Verfahren dadurch, dass ein Herstellen eines Stabilisierungsrahmens aus dem Keramikrohling während des ersten CNC-Herstellungsverfahrens erfolgt und während die Fixierung fortbesteht, wobei der Stabilisierungsrahmen den verlorenen Kern stützt, dies insbesondere an wenigstens einem Stützpunkt, der beabstandet von dem Bearbeitungshalter angeordnet ist. Durch derartige Stabilisierungsrahmen lassen sich sehr feine verlorene Kerne bereitstellen, die weder bei ihrer eigenen Herstellung noch bei sich anschließenden Fertigungsschritten verformt oder beschädigt werden. Der Stabilisierungsrahmen kann zumindest teilweise außerhalb des Modellrohlings liegen. In diesem Bereich stört er dann eine weitere Bearbeitung des Modellrohlings relativ wenig.
  • Gemäß dem Verfahren ist ein Entfernen von einem oder mehreren Stützpunkten zwischen dem Stabilisierungsrahmen und dem verlorenen Kern nach der Herstellung des verlorenen Kerns und vor dem Herstellen des Modellrohlings vorgesehen, dies bevorzugt im ersten CNC-Herstellungsverfahren. Damit ist der verlorene Kern während der Bearbeitung im ersten CNC-Herstellungsverfahren stabil gehalten und es können besonders feine Konturen am verlorenen Kern ausgebildet werden. Die Stützpunkte sind bevorzugt Verbindungsstege, die vorzugsweise schmäler und/oder dünner sind als der angrenzende Bereich des verlorenen Kerns.
  • Danach sieht das Verfahren ein Herstellen eines Modellrohlings durch Gießen von Modellwerkstoff um den verlorenen Kern herum und Erstarrenlassen des Modellwerkstoffs vor, während die Fixierung fortbesteht. Dabei ist die Kubatur des Modellrohlings vorzugsweise größer als ein hieraus herzustellendes verlorenes Modell, wobei das verlorene Modell vorzugsweise ein Positivmodell des Gussteils ist, wenn die Außenkontur des verlorenen Modells durch ein materialabtragendes Verfahren wie beispielsweise Drehen, Fräsen, Laserschneiden etc. hergestellt wird. Umgekehrt ist die Kubatur des Modellrohlings vorzugsweise kleiner als ein hieraus herzustellendes verlorenes Modell, wobei das verlorene Modell vorzugsweise ein Positivmodell des Gussteils ist, wenn die Außenkontur des verlorenen Modells durch ein Materialauftragsverfahren wie beispielsweise 3D-Druck auf dem Modellrohling hergestellt wird.
  • Optional wird der Stabilisierungsrahmen nach der Herstellung des verlorenen Kerns und vor dem Herstellen des Modellrohlings entfernt, vorzugsweise nach dem Entfernen von einem oder mehreren Stützpunkten, und des Weiteren bevorzugt im ersten CNC-Herstellungsverfahren. Dies eignet sich insbesondere für verlorene Kerne, die eine hinreichende Eigenstabilität aufweisen.
  • In einer anderen Variante wird der Stabilisierungsrahmen nicht entfernt bevor das Herstellen des Modellrohlings erfolgt. Der Stabilisierungsrahmen kann dann den verlorenen Kern auch bei der Herstellung des Modellrohlings und optional auch der Herstellung des verlorenen Modells stützen. Dabei kann der Stabilisierungsrahmen zumindest teilweise in dem Modellrohling angeordnet sein. Allerdings sollte er außerhalb des verlorenen Modells liegen. Stützpunkte des Stabilisierungsrahmens können dann durch das verlorene Modell bis an den verlorenen Kern heranragen. Hierdurch werden auch labil ausgestaltete verlorene Kerne während der weiteren Verfahrensschritte stabilisiert, Formänderungen vermieden und Beschädigungen verhindert.
  • Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass der verlorene Kern eine definierte Position relativ zum Bearbeitungshalter aufweist. Damit werden Positionierungsprobleme vermieden, die anderenfalls durch eine nachträgliche Fixierung eines bereits hergestellten Kernelements mit verlorenem Kern an einer Bearbeitungshalterung entstehen können. Bei jedem Einspannen eines Kernelements in einer Bearbeitungshalterung kann es nämlich zu Spannungsverformungen des Kernelementes kommen. Die alternative Herstellung einer Fixierung durch Kleben dauert lange und durch Aushärtungsspannungen im Klebstoff kann es ebenfalls zu Positionsabweichungen zwischen dem Kernelement und der Bearbeitungshalterung kommen. Bereits kleine Abweichungen im Bereich der Fixierung können zu größeren Positionsabweichungen abseits der Fixierung führen. All dies wird erfindungsgemäß vermieden.
  • Fernerhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Feingussform, bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden. Ein Verfahren zur Herstellung eines Modellformkerns bei dem folgende Schritte durchgeführt werden: Durchführen des Verfahrens zur Herstellung eines Modellformkernrohlings, der insbesondere zur Herstellung eines Gussteils mit einer Hohlraumstruktur geeignet ist, unter Verwendung eines 3D-Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils umfassend die folgenden Schritte:
    1. a) Positionieren eines Keramikrohlings an einem Bearbeitungshalter und Herstellen einer Fixierung zwischen dem Keramikrohling und dem Bearbeitungshalter;
    2. b) Herstellen eines Kernelements, wobei ein verlorener Kern aus dem Keramikrohling basierend auf dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Herstellungsverfahren gefertigt wird während die Fixierung fortbesteht, wobei der Bearbeitungshalter in einer CNC-Maschine zur Durchführung des ersten CNC-Herstellungsverfahrens festgelegt ist;
    3. c) Herstellen eines Modellrohlings durch Gießen von Modellwerkstoff um den verlorenen Kern herum und Erstarrenlassen des Modellwerkstoffs während die Fixierung fortbesteht. Zusätzlich sieht das Verfahren ein Herstellen einer Außenkontur eines verlorenen Modells aus und/oder auf dem Modellrohling basierend auf dem 3D-Modell in einem zweiten CNC-Herstellungsverfahren umfasst, während die Fixierung fortbesteht, wobei der Bearbeitungshalter in einer CNC-Maschine zur Durchführung des zweiten CNC-Herstellungsverfahrens festgelegt ist.
  • Bei diesem Verfahren erfolgt ein Auftragen einer keramischen Form auf die Außenkontur des verlorenen Modells und ein Ausbilden einer positionierenden Verbindung der keramischen Form mit wenigstens einer Anbindungsstelle am Kernelement. Schließlich wird das verlorene Modell aus der keramischen Form entfernt.
  • Vorteilhaft hieran ist, dass das Kernelement und die verlorene Form mittels der positionierenden Verbindung eine hohe relative Positionstreue zueinander aufweisen. Dabei weist der Bearbeitungshalter keine direkte Verbindung zur keramischen Form auf. Hierdurch kann er nämlich entfernt werden. Dabei sollte die positionierende Verbindung derart ausgebildet sein, dass die Entfernung des Bearbeitungshalters keinen Einfluss auf die relative Positionierung zwischen der keramischen Form und dem verlorenen Kern hat. Hierdurch kann ein preiswerter Bearbeitungshalter eingesetzt werden, der weder Einbrenn- bzw. Sintertemperaturen noch Gießtemperaturen bei der Bauteilerstellung aushalten können muss. Außerdem können wiederverwendbare Bearbeitungshalter genutzt werden, insbesondere auch solche, die zumindest in Teilen oder auch vollständig aus Werkzeugstahl bestehen.
  • Ergänzt kann das Verfahren zur Herstellung einer Feingussform dadurch sein, dass ein Herstellen eines Stabilisierungsrahmens aus dem Keramikrohling während des ersten CNC-Herstellungsverfahrens erfolgt und während die Fixierung fortbesteht, wobei der Stabilisierungsrahmen den verlorenen Kern stützt, dies insbesondere an wenigstens einem Stützpunkt, der beabstandet von dem Bearbeitungshalter angeordnet ist. Durch derartige Stabilisierungsrahmen lassen sich sehr feine verlorene Kerne bereitstellen, die weder bei ihrer eigenen Herstellung noch bei sich anschließenden Fertigungsschritten verformt oder beschädigt werden. Der Stabilisierungsrahmen kann zumindest teilweise außerhalb des Modellrohlings liegen. In diesem Bereich stört er dann eine weitere Bearbeitung des Modellrohlings relativ wenig.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Feingussform ist optional ein Entfernen von einem oder mehreren Stützpunkten zwischen dem Stabilisierungsrahmen und dem verlorenen Kern nach der Herstellung des verlorenen Kerns und vor dem Herstellen des Modellrohlings vorgesehen, dies bevorzugt im ersten CNC-Herstellungsverfahren. Damit ist der verlorene Kern während der Bearbeitung im ersten CNC-Herstellungsverfahren stabil gehalten und es können besonders feine Konturen am verlorenen Kern ausgebildet werden. Die Stützpunkte sind bevorzugt Verbindungsstege, die vorzugsweise schmäler und/oder dünner sind als der angrenzende Bereich des verlorenen Kerns.
  • Als erstes CNC-Herstellungsverfahren können ein spanabhebendes Verfahren, insbesondere ein Fräsverfahren, und/oder ein generatives Fertigungsverfahren wie zum Beispiel 3D-Drucken, selektives Laserschmelzen oder -sintern zum Einsatz kommen. Das bevorzugte Verfahren ist das Fräsverfahren.
  • Als Alternative zu dem Verfahrensschritt "Herstellen eines Modellrohlings durch Gießen von Modellwerkstoff um den verlorenen Kern herum und Erstarrenlassen des Modellwerkstoffs vor, während die Fixierung fortbesteht" kann auch ein 3D-Druckverfahren vorgesehen sein, bei dem ein Modellwerkstoff, z.B. Wachs, auf und/oder um den verlorenen Kern herum gedruckt wird, während die Fixierung fortbesteht. Solche 3D-Druckverfahren lassen besonders komplexe Geometrien zu. Mit solchen materialauftragenden Verfahren kann entweder der Modellrohling hergestellt werden, oder aber es wird unmittelbar die ganze oder zumindest Teile der Außenkontur des verlorenen Modells hergestellt.
  • Gemäß einer optionalen Verfahrensergänzung kann vorgesehen sein, dass der Bearbeitungshalter vor der Durchführung des ersten CNC-Herstellungsverfahrens und vor der Festlegung des Bearbeitungshalters in der durchführenden CNC-Maschine positioniert wird. Vorteilhaft hieran ist, dass die Bearbeitungshalter abseits der CNC-Maschine mit dem Keramikrohling verbindbar sind. Damit sinken die Maschinenstillstandzeiten, insbesondere wenn mehrere Bearbeitungshalter eine einheitliche Geometrie aufweisen.
  • In einer speziellen Verfahrensvariante weist der Bearbeitungshalter ein Koppelstück zur Aufnahme in einem Nullpunktfixiersystem auf, wobei das Koppelstück bei der Durchführung des ersten CNC-Herstellungsverfahrens in einem Nullpunktfixiersystem der durchführenden CNC-Maschine aufgenommen ist. Hierdurch sind schnelle Wechsel von Bearbeitungshaltern in der CNC-Maschine bei gleichzeitig hoher Positionierungspräzision möglich. Ein Nullpunktfixiersystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass bei der Herstellung der Fixierung keine exakte Positionierung erfolgen muss. Das Koppelstück muss nur grob positioniert werden und die Ausrichtung des Koppelstücks in dem Nullpunktfixiersystem vollzieht sich dann selbstständig beim Fixieren. Zu der korrekten Positionierung in einem Nullpunktfixiersystem tragen insbesondere definierte korrelierende Positionierungsflächen bei, insbesondere sowohl auf Seiten des Koppelstücks als auch auf Seiten des Nullpunktfixiersystems.
  • Unter Nullpunktfixiersystemen im Sinne dieses Dokumentes sind Nullpunktspannsysteme und andere Haltemechanismen (Haftung, Kleben, Unterdruck, etc.) zu verstehen. Nullpunktspannsysteme fixieren mittels Klemmkräften. Nullpunktspannsysteme können auch mit anderen Haltemechanismen kombiniert sein, sodass Klemm- und weitere Haltekräfte zur Fixierung ausgenutzt werden.
  • Als Modellwerkstoff eignet sich insbesondere ein Modellwachs. Der Modellwerkstoff sollte eine geringere Schmelztemperatur aufweisen als das Kernelement.
  • Gemäß einer speziellen Verfahrensausgestaltung wird beim Herstellen des Modellrohlings ein Angussmodell ausgebildet. Ein solches Angussmodell wird später bei der Herstellung einer keramischen Feingussform einen Anguss in der keramischen Feingussform ausbilden. Gleichzeitig kann er als Auslass zur Entfernung des verlorenen Modells und/oder des verlorenen Kerns genutzt werden. Optional ist das Angussmodell kegelförmig. Dann resultiert ein trichterförmiger Anguss.
  • Die Abkürzung CNC steht in dieser Anmeldung für rechnergestützte numerische Steuerung bzw. Herstellschritte, die insbesondere computergestützt automatisiert ablaufen.
  • Die Oberflächen des Kernelements können nach dem ersten CNC-Herstellverfahren optional beschichtet werden. Hierdurch können die Oberflächen besonders glatt ausgebildet sein.
  • Zur Herstellung des Modellrohlings kann der verlorene Kern beispielsweise in einem Modellformwerkzeug angeordnet und der Modellrohling um den verlorenen Kern dadurch gebildet werden, dass Modellwerkstoff wie Wachs, Thermoplast oder dergleichen in den Raum zwischen dem verlorenen Kern und den Innenwänden des Modellformwerkzeugs eingefüllt/eingespritzt wird.
  • Der Keramikrohling kann zunächst durch Spritzgießen, Spritzpressen oder Gießen, einer geeigneten Flüssigkeit von keramischem Material in die gewünschte Rohlingsgestalt gebracht werden. Das Ausgangsmaterial kann eine oder mehrere keramische Pulver, ein Bindemittel und optional Zusätze umfassen, die in ein entsprechend geformtes Rohlingsformwerkzeug einbringbar sind. Nachdem das keramische Material zu einem "Grünling" ausgehärtet ist, lässt sich das Rohlingsformwerkzeug entfernen, z.B. öffnen, um den Grünling zu entnehmen.
  • Nachdem der Grünling aus dem Rohlingsformwerkzeug entnommen wurde, sollte er bei hoher Temperatur in einem oder mehreren Schritten gebrannt werden, um das flüchtige Bindemittel zu entfernen und den Keramikrohling zu sintern und zu härten. Hierdurch erreicht er eine Festigkeit und Formtreue, die zur Verwendung beim Gießen von metallischem Material wie beispielsweise einer titan-, nickel- oder kobaltbasierten Legierung hinreichend sind.
  • Optional kann als einleitender Verfahrensschritt ein Anpassen des 3D-Modells der digitalen Geometriekoordinaten des Gussteils erfolgen, um eine Korrektur von Fertigungsbedingten Formabweichungen durch beispielsweise Schwindungen oder Materialspannungen zu berücksichtigen.
  • Zur Erfindung gehört auch ein Modellformkernrohling, der durch ein Verfahren zur Herstellung eines Modellformkernrohlings, wie es vor- und nachstehend beschrieben ist, hergestellt ist. Die Vorteile des Verfahrens wohnen auch dem Modellformkernrohling inne. Insbesondere ist dieser hochpräzise sowie prozesssicher und preiswert herstellbar.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Modellformkerns, bei dem das Verfahren zur Herstellung eines Modellformkernrohlings, wie es vor- und nachstehend beschrieben ist, durchgeführt wird, und das ein Herstellen einer Außenkontur eines verlorenen Modells aus und/oder auf dem Modellrohling basierend auf dem 3D-Modell in einem zweiten CNC-Herstellungsverfahren umfasst, während die Fixierung fortbesteht, wobei der Bearbeitungshalter in einer CNC-Maschine zur Durchführung des zweiten CNC-Herstellungsverfahrens festgelegt ist.
  • Vorteilhaft hieran ist, dass der verlorene Kern eine definierte Position am Bearbeitungshalter einnimmt und in der Folge auch das verlorene Modell korrekt relativ zum Bearbeitungshalter und damit auch zu dem verlorenen Kern positioniert ausgebildet wird.
  • Hierzu wird verfahrensgemäß vorzugsweise ein Positionieren des Bearbeitungshalters vor der Durchführung des zweiten CNC-Herstellungsverfahrens und vor der Festlegung des Bearbeitungshalters in der durchführenden CNC-Maschine vorgenommen. Bearbeitungshalter mit definierter Geometrie lassen sich besonders einfach, schnell und präzise in der oder den durchführenden CNC-Maschinen positionieren. Während der Durchführung von Verfahrensschritten, für die eine CNC-Maschine nicht benötigt wird, kann diese CNC-Maschine freigegeben und anderweitig genutzt werden.
  • In einer besonders bevorzugten Verfahrensausgestaltung weist der Bearbeitungshalter ein Koppelstück zur Aufnahme in einem Nullpunktfixiersystem auf, wobei das Koppelstück bei der Durchführung des zweiten CNC-Herstellungsverfahrens in einem Nullpunktfixiersystem der durchführenden CNC-Maschine aufgenommen ist. Damit gelingt eine besonders präzise und schnelle Aufnahme des Bearbeitungshalters in der CNC-Maschine.
  • Bei dem ersten CNC-Herstellungsverfahren handelt es sich vorzugsweise um ein abtragendes Verfahren, weiter bevorzugt um ein spanabhebendes Verfahren, und besonders bevorzugt um ein Fräsverfahren.
  • Bei dem zweiten CNC-Herstellungsverfahren handelt es sich vorzugsweise entweder um ein abtragendes Verfahren, weiter bevorzugt um ein spanabhebendes Verfahren, und besonders bevorzugt um ein Fräsverfahren, oder ein auftragendes Verfahren wie 3D-Druck. Das zweite CNC-Herstellungsverfahren kann auch abtragende und auftragende Verfahren kombinieren. Hierdurch lassen sich unterschiedliche Bereiche des verlorenen Modells besonders effizient herstellen.
  • Der optionale Stabilisierungsrahmen kann zumindest teilweise außerhalb des verlorenen Modells liegen. Er hat dann zumindest teilweise keinen konturgebenden Einfluss auf das später zu erzeugende Bauteil, welches insbesondere auf dem Positivkorpus des verlorenen Modells beruhen wird.
  • Zum Erfindungsgegenstand gehört auch ein Modellformkern, der nach dem Verfahren zur Herstellung eines Modellformkerns, wie es vor- und nachstehend beschrieben ist, hergestellt ist. Die Vorteile des Verfahrens wohnen auch dem Modellformkern inne. Insbesondere ist dieser hochpräzise sowie prozesssicher und preiswert herstellbar.
  • Hierzu kann das Verfahren optional durch einen Schritt ergänzt sein, bei dem ein Aufheben der Fixierung zwischen dem Bearbeitungshalter und dem Kernelement und ein Trennen des Kernelements vom Bearbeitungshalter vor oder nach dem Entfernen des verlorenen Modells aus der keramischen Form erfolgen, d.h. insbesondere nach dem Auftragen der keramischen Form oder nach dem Entfernen des verlorenen Modell aus der keramischen Form, und besonders bevorzugt vor der Durchführung eines Gießprozesses zur Herstellung des Gussteils in der Feingussform.
  • Das Auftragen der keramischen Form auf die Außenkontur des verlorenen Modells kann beispielsweise durch wiederholtes Eintauchen in einen Keramikschlicker erfolgen, wobei nach jedem Eintauchen überschüssiger Schlicker abfließt, ein Besanden mit Keramikstuck und ein Lufttrocknen erfolgt. Auf diese Weise lassen sich mehrere keramische Schichten aufbauen, die auf der Außenkontur die keramische Form in der Art einer Formschale bilden. Die resultierende Anordnung kann anschließend einem Dampfautoklav zugeführt werden, um das verlorene Modell zu entfernen, so dass als Feingussform die keramische Form mit dem darin angeordneten verlorenen Kern verbleibt.
  • Ergänzt sein kann das Verfahren um den optionalen Schritt eines Brennens der Anordnung umfassend das Kernelement und die keramische Form vor oder nach dem Trennen des Kernelements vom Bearbeitungshalter. Hierdurch wird flüchtiges Bindemittel entfernt und die Anordnung gesintert und gehärtet. Hierdurch erreicht die so entstandene Feingussform eine Festigkeit und Formtreue, die zur Verwendung beim Gießen von metallischem Material wie beispielsweise einer titan-, nickel- oder kobaltbasierten Legierung hinreichend sind.
  • In einer Verfahrensvariante wird bei dem Herstellen der Außenkontur des verlorenen Modells aus dem Modellrohling auch ein Angussmodell ausgebildet, insbesondere aus dem Modellrohling. Dieser Schritt kann das vollständige Herausarbeiten des Angussmodells aus dem Modellrohling umfassen oder sofern vorgesehen, die Nachbearbeitung eines bereits am Modellrohling ausgebildeten gröberen Angussmodells. Ein solches Angussmodell wird später bei der Herstellung einer keramischen Feingussform einen Anguss in der keramischen Feingussform ausbilden. Gleichzeitig kann der Anguss als Auslass zur Entfernung des verlorenen Modells und/oder des verlorenen Kerns genutzt werden. Optional ist das Angussmodell kegelförmig. Dann resultiert ein trichterförmiger Anguss.
  • Zum Erfindungsgegenstand gehört auch eine Feingussform, die nach dem Verfahren zur Herstellung einer Feingussform, wie es vor- und nachstehend beschrieben ist, hergestellt ist. Die Vorteile des Verfahrens wohnen auch der Feingussform inne. Insbesondere ist diese hochpräzise sowie prozesssicher und preiswert herstellbar, wobei insbesondere der verlorene Kern korrekt in der keramischen Form positioniert und gehalten ist. An die Feingussform lassen sich im Anschluss Angussstrukturen sowie Entlüftungsstrukturen für das Gießverfahren anbringen. Alternativ können auch schon am verlorenen Modell separate Angussstrukturen sowie Entlüftungsstrukturen für das spätere Gießverfahren angebracht werden, sodass diese im Anschluss mit der Feingussform verbunden bzw. Teil hiervon sind.
  • Außerdem betrifft die Erfindung ein Gießverfahren zur Herstellung eines Gussteils mit einer Hohlraumstruktur, bei dem ein Verfahrens zur Herstellung einer Feingussform, wie es vor- und nachstehend beschrieben ist, durchgeführt wird, und bei dem ein Gießen von Metallschmelze in die keramische Form um den verlorenen Kern, ein Erstarren der Metallschmelze zu einem festen Bauteil, und ein Entfernen der keramischen Form und des verlorenen Kerns von dem festen Bauteil erfolgen. Basierend auf dem Verfahren weist das feste Bauteil Hohlraumstrukturen auf, die sehr genau im festen Bauteil positioniert sind, sodass beispielsweise keine Schwachstellen vorliegen, die das feste Bauteil unbrauchbar machen könnten. Der verlorene Kern wird insbesondere aus der Hohlraumstruktur des Bauteils entfernt. Die Entfernung des verlorenen Kerns erfolgt vorzugsweise durch wasserbasiertes oder chemisches Auswaschen oder andere Techniken aus dem festen Bauteil. Sofern das Kernelement noch einen optionalen Stabilisierungsrahmen aufweist, so wird auch dieser vom festen Bauteil entfernt.
  • Das Gießverfahren umfasst vorzugsweise den optionalen Schritt des Aufhebens der Fixierung zwischen dem Bearbeitungshalter und dem Kernelement und ein Trennen des Kernelements vom Bearbeitungshalter spätestens vor dem Gießen der Metallschmelze in die keramische Form. Hierdurch kann ein preiswerter Bearbeitungshalter eingesetzt werden, der zumindest nicht den Gießtemperaturen der Metallschmelze standhalten muss.
  • Das Gießverfahren ist besonders geeignet, wenn die Metallschmelze eine Titan-, Nickel- oder Kobalt-Basis-Legierung ist. Bei derart teuren Bauteilen, lassen sich hohe Kosten durch die verfahrensgemäße Reduktion von Ausschuss und Bauteilschäden erzielen.
  • Optional wird die Feingussform vor dem Gießen der Metallschmelze vorgewärmt. Dies kann die Kristallbildung positiv beeinflussen und Risse der Feingussform durch thermische Spannungen durch plötzlichen Temperaturwechsel vermeiden.
  • Die Metallschmelze erstarrt vorzugsweise polykristallin, und besonders bevorzugt einkristallin. Damit wird eine hohe Bauteilfestigkeit erzielt.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Keramikkernrohling an einem Bearbeitungshalter;
    Fig. 2
    ein Kernelement mit einem verlorenen Kern und einem Stabilisierungsrahmen an einem Bearbeitungshalter;
    Fig. 3
    einen verlorenen Kern an einem Bearbeitungshalter;
    Fig. 4
    einen verlorenen Kern an einem Bearbeitungshalter, wobei der verlorene Kern in einem zweiteiligen Modellformwerkzeug zur Herstellung eines Modellrohlings angeordnet ist;
    Fig. 5
    einen verlorenen Kern an einem Bearbeitungshalter, wobei der verlorene Kern in einem Modellrohling angeordnet ist;
    Fig. 6
    einen verlorenen Kern an einem Bearbeitungshalter, wobei der verlorene Kern in einem verlorenen Modell angeordnet ist;
    Fig. 7
    ein verlorenes Modell und einen verlorenen Kern, die von einer keramischen Form einer Feingussform eingehüllt sind; und
    Fig. 8
    ein Gussteil mit einem festen Bauteil und einer Hohlraumstruktur.
  • Die Fig. 1 bis 7 zeigen eine mögliche chronologische Folge von Verfahrensergebnissen nach der Durchführung verschiedener Verfahrensschritte. Technische Merkmale, die Bezugszeichen aufweisen, zu welchen bereits in einer vorhergehenden Figur Ausführungen gemacht sind, werden zum Teil nicht erneut beschrieben. Es gelten vielmehr die vorhergehenden Beschreibungsteile entsprechend.
  • Zunächst erkennt man in Fig. 1 einen Keramikkernrohling 10 der über eine zweiseitige Fixierung 51 an einem Bearbeitungshalter 50 festgelegt ist. Die Fixierung 51 kann beispielsweise durch Kleben oder Klemmen ausgebildet sein. Vorliegend liegen sich die zwei Seiten der Fixierung 51 gegenüber und der Keramikkernrohling 10 ist zwischen den zwei Seiten angeordnet. Dabei weist der Bearbeitungshalter 50 ein Koppelstück 52 und eine Bearbeitungsbrücke 53 auf. Die Bearbeitungsbrücke 53 erstreckt sich zwischen den zwei Seiten der Fixierung 51 und ist mit dem Koppelstück 52 verbunden oder einteilig hiermit ausgebildet. Das Koppelstück 52 ist zur Aufnahme in einem Nullpunktfixiersystem von CNC-Bearbeitungsmaschinen ausgelegt.
  • Die Kubatur des Keramikkernrohlings 10 ist so vorgewählt bzw. vorgefertigt, dass ein aus dem Keramikkernrohling 10 durch Materialentfernung bzw. -abtragung herzustellendes Kernelement 11 mit einem verlorenen Kern 12 innerhalb dieser Kubatur liegt.
  • Damit ist also verfahrensgemäß zunächst ein Positionieren des Keramikrohlings 10 an dem Bearbeitungshalter 50 und ein Herstellen der Fixierung 51 zwischen dem Keramikrohling 10 und dem Bearbeitungshalter 50 notwendig, um zum Verfahrensergebnis nach Fig. 1 zu gelangen.
  • In Fig. 2 ist ein mögliches Folgeergebnis der Ausgangssituation nach Fig. 1 nach oder bei dem Herstellen des Kernelements 11 dargestellt, wobei der verlorene Kern 12 aus dem Keramikrohling 10 (siehe Fig. 1) gemäß einem 3D-Modell in einem ersten CNC-Herstellungsverfahren, beispielsweise einem CNC-Fräsverfahren, gefertigt wird, während die Fixierung 51 fortbesteht. Gleichzeitig wird ein (temporärer) Stabilisierungsrahmen 15 aus dem Keramikrohling 10 (siehe Fig. 1) im ersten CNC-Herstellungsverfahrens hergestellt während die Fixierung 51 fortbesteht. Der (temporäre) Stabilisierungsrahmen 15 stützt den verlorenen Kern 12 über Stützpunkte 16 ab. Die Stützpunkte 16 sind jeweils beabstandet von der Fixierung 51 angeordnet. Bei den Stützpunkten 16 handelt es sich um Verbindungsstege oder -zapfen, die jeweils schmäler sind als der angrenzende Bereich des verlorenen Kerns 12.
    Der Bearbeitungshalter 50 ist bei der Durchführung des ersten CNC-Herstellungsverfahrens mit dem Koppelstück 52 in einer CNC-Maschine zu dessen Durchführung festgelegt.
  • Nach Abschluss des ersten CNC-Herstellungsverfahrens verbleibt gemäß Fig. 3 der verlorene Kern 12 des Kernelements 11, der sich zwischen den zwei Seiten der Fixierung 51 erstreckt. Erkennbar wurde der Stabilisierungsrahmen 15 nach der Herstellung des verlorenen Kerns 12 entfernt, dies insbesondere nach dem Entfernen von den Stützpunkten 16.
  • Im Bereich der Fixierung 51 wurde der Keramikkernrohling 10 (siehe Fig. 1) nicht bearbeitet, um die Fixierung 51 nicht zu schwächen und den Bearbeitungshalter 50 nicht zu beschädigen. Dieser unbearbeitete Bereich des Keramikkernrohlings 10 (siehe Fig. 1) kann auch als Fixierbereich bezeichnet werden. Bereits in diesem Stadium weist das Kernelement 11 auch zwei Anbindungsstellen 13 auf, an die später eine keramische Form 81 (siehe Fig. 7) anschließen wird.
  • Gemäß Fig. 4 wird die Anordnung nach Fig. 3 derart weiterverwendet, dass der verlorene Kern 12 weiterhin über die Fixierung 51 an dem Bearbeitungshalter 50 festgelegt und in einem Modellformwerkzeug 30 zur Herstellung eines Modellrohlings 20 (siehe Fig. 5) angeordnet ist. Das Modellformwerkzeug 30 weist eine erste und eine zweite Formhälfte 31, 32 auf und stützt sich über Positionierungsflächen 33 am Bearbeitungshalter 50 ab, dies insbesondere an dem Koppelstück 52 und an der Bearbeitungsbrücke 53. Im Bereich der Anbindungsstellen 13 ragt das Kernelement 11 durch Öffnungen aus dem Modellformwerkzeug 30 heraus. Auf diese Weise ist ein Werkzeughohlraum 35 um den verlorenen Kern 11 ausgebildet. In diesen Werkzeughohlraum 35 mündet von oben ein Modellanguss 34, der von dem Modellformwerkzeug 30 ausgebildet wird.
  • Die nach Fig. 4 gezeigte Ausgangssituation ist dazu geeignet, nunmehr eine Herstellung eines Modellrohlings 20 (siehe Fig. 5) dadurch durchzuführen, dass ein Gießen von Modellwerkstoff durch den Modellanguss 34 in den Werkzeughohlraum 35 erfolgt, insbesondere also um den im Werkzeughohlraum 35 liegenden verlorenen Kern 12 herum. Bei dem Modellwerkstoff kann es sich beispielsweise um ein Modellwachs handeln. Der Modellwerkstoff sollte eine geringere Schmelztemperatur aufweisen als das Kernelement 11. Man lässt den Modellwerkstoff anschließend erstarren. Dabei besteht die Fixierung 51 immer noch fort. Entsprechend ist der verlorene Kern 12 in einer definierten Position relativ zum Modellrohling 20 positioniert.
  • Die Kubaturen des Modellrohlings 20 und des Werkzeughohlraums 35 sind jeweils größer als ein hieraus herzustellendes verlorenes Modell 21 (siehe Fig. 6).
  • Nach Entfernung des Modellformwerkzeugs 30 gemäß dem Verfahrenszustand nach Fig. 4 verbleibt die Anordnung gemäß Fig. 5. In Fig. 5 erkennt man, wie das Kernelement 11 mit dem verlorenen Kern 12 weiterhin über die Fixierung 51 an dem Bearbeitungshalter 50 festgelegt ist. Nunmehr ist der verlorene Kern 12 jedoch zusätzlich in dem Modellrohling 20 aus dem Modellwerkstoff angeordnet. Daraus ergibt sich ein Modellformkernrohling 1. Entsprechend dem Modellanguss 34 des Modellformwerkzeugs 30 verbleibt auch noch ein herstellungsbedingter Angusspunkt 24 am Modellrohling 20.
  • Mit Hilfe einer entsprechenden Aussparung des Werkzeughohlraums 35 ist durch den Modellrohling 20 erkennbar auch ein kegelförmiges Angussmodell 23 ausgebildet.
  • Um von dem Zustand nach Fig. 5 zu demjenigen nach Fig. 6 zu gelangen, ist ein Herstellen einer Außenkontur 22 des verlorenen Modells 21 aus dem Modellrohling 20 notwendig, das gemäß dem 3D-Modell in einem zweiten CNC-Herstellungsverfahren durchgeführt wird, während die Fixierung 51 weiterhin fortbesteht. Hierzu kann der Bearbeitungshalter 50 mit dem Koppelstück 52 erneut in einer CNC-Maschine zur Durchführung des zweiten CNC-Herstellungsverfahrens festgelegt werden, nachdem er positioniert wurde. Dies gelingt besonders einfach durch den Einsatz von einem Nullpunktfixiersystem. Verfahrensgemäß nimmt der verlorene Kern 12 also immer noch eine definierte Position am Bearbeitungshalter 50 ein und in der Folge ist auch das verlorene Modell 21 korrekt relativ zum Bearbeitungshalter 50 und damit auch zu dem verlorenen Kern 12 positioniert. Der verlorene Kern 12 bildet zusammen mit dem verlorenen Modell 21 einen Modellformkern 2 aus.
  • Das zweite CNC-Herstellungsverfahren ist ein abtragendes Verfahren, wobei vorzugsweise ein spanabhebendes Verfahren, und besonders bevorzugt ein Fräsverfahren eingesetzt werden.
  • Sollte der Modellrohling 20 alternativ ganz oder teilweise eine kleinere Kubatur aufweisen als das spätere verlorene Modell 21, so ist die Außenkontur 22 des verlorenen Modells 21 in diesen Bereichen durch ein materialauftragendes Verfahren herzustellen, beispielsweise in einem (CNC) 3D-Druckverfahren.
  • Nunmehr kann der Modellformkern 2, nämlich das verlorene Modell 21 und der darin angeordnete verlorene Kern 12, vom Bearbeitungshalter 50 getrennt werden, denn das Ziel, den verlorenen Kern 12 exakt im verlorenen Modell 21 anzuordnen ist erreicht und wird in den nächsten Schritten nicht negativ beeinflusst. Die Fixierung 51 wird wie man in Fig. 7 erkennen kann insbesondere dadurch aufgehoben, dass der verlorene Kern 12 vom Fixierbereich abgetrennt wird. Der Fixierbereich kann dabei am Bearbeitungshalter 50 zurückbleiben. Hiervon lässt sich der Fixierbereich bei Bedarf später entfernen.
  • Fig. 7 zeigt außerdem, wie das verlorene Modell 21 und der verlorene Kern 12, von einer keramischen Form 81 einer Feingussform 80 eingehüllt sind. Nur noch die Enden des verlorenen Kerns 12 schauen aus der keramischen Form 81 heraus. Hierzu wurde die keramische Form 81 verfahrensgemäß auf die Außenkontur 22 des verlorenen Modells 21 aufgetragen. Das Auftragen der keramischen Form 81 auf die Außenkontur 22 des verlorenen Modells 21 kann beispielsweise durch wiederholtes Eintauchen in einen Keramikschlicker erfolgen, wobei nach jedem Eintauchen überschüssiger Schlicker abfließt, ein Besanden mit Keramikstuck und ein Lufttrocknen erfolgt. So lassen sich mehrere keramische Schichten aufbauen, die auf der Außenkontur 22 die keramische Form 81 in der Art einer Formschale bilden. Verfahrensgemäß ist dabei vorgesehen, dass eine positionierende Verbindung 82 der keramischen Form 81 mit den beiden Anbindungsstelle 13 am Kernelement 11 hergestellt wird, sodass der verlorene Kern 12 fest mit der keramischen Form 81 verbunden ist. Hierzu ragt der verlorene Kern 12 mit den Anbindungsstellen 13 aus dem verlorenen Modell 21 heraus. An diesen Überständen kann der Modellformkern 2 bei der Herstellung der keramischen Form 81 gehalten werden, wobei die Anbindungsstellen 13 freigehalten werden sollten.
  • Optional kann vor dem Aufbringen der keramischen Form 81 ein Anbringen von Anguss- und/oder Entlüftungsstrukturteilen an dem verlorenen Modell 21 erfolgen. Diese werden dann vorzugsweise beim Aufbringen der keramischen Form 81 mit dieser verbunden.
  • Erkennbar wurde mit Hilfe des Angussmodells 23 auch ein Anguss 83 ausgebildet, der Teil der keramischen Form 81 ist.
  • Jetzt kann das verlorene Modell 21 aus der keramischen Form 81 entfernt werden, beispielsweise durch Ausschmelzen, wobei der geschmolzene Modellwerkstoff durch den Anguss 83 ablaufen kann. Hierzu kann die Anordnung nach Fig. 7 beispielsweise einem Dampfautoklav zugeführt werden, um das verlorene Modell 21 zu entfernen. Es verbleibt als Feingussform 80 die keramische Form 81 mit dem darin angeordneten verlorenen Kern 12.
  • Soweit die Feingussform 80 noch nicht hinreichend stabil für die anschließenden Verfahrensschritte ist, kann diese zunächst gebrannt werden.
  • Sobald die Feingussform 80 fertiggestellt ist, kann der Gießprozess vorbereitet und durchgeführt werden. Die Vorbereitung umfasst meist einen Arbeitsortwechsel und das Positionieren in einer Gießvorrichtung. Optional wird die Feingussform 80 vor dem Gießen vorgewärmt. Verfahrensgemäß schließt sich dann ein Gießen von Metallschmelze durch den Anguss 83 in die keramische Form 81 sowie um den verlorenen Kern 12 an. Die Metallschmelze kann beispielsweise eine Titan-, Nickel- oder Kobalt-Basis-Legierung sein. Nach dem Erstarren der Metallschmelze zu einem festen Bauteil 102 (siehe Fig. 8) können die keramische Form 81 und der verlorene Kern 12 von dem festen Bauteil 102 entfernt werden, insbesondere zerstörend. Die keramische Form wird typischerweise aufgebrochen und/oder aufgefräst. Der verlorene Kern 12 lässt sich beispielsweise durch chemische Reaktionen, zum Beispiel wassergelöst oder anderweitig gelöst, auflösen und läuft dann aus den verbleibenden Hohlraumstrukturen 101 im festen Bauteil 102 heraus.
  • Übrig bleibt ein Gussteil 100 wie es in Fig. 8 gezeigt wird, dass ein festes Bauteil 101 sowie eine Hohlraumstruktur 102 in dem festen Bauteil 101 aufweist. Verfahrensgemäß ist das verlorene Modell 21 also ein Positivmodell des Gussteils 100 und der verlorene Kern 12 ein Modell der Hohlraumstruktur 101.
  • Die in den Herstellverfahren zu erzeugenden Geometrien, insbesondere des verlorenen Kerns 12 und des verlorenen Modells 21, basieren auf den Geometriedaten des späteren Gussteils 100. Durch Verwendung eines 3D-Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils 100 lassen sich die zu erzeugenden Geometrien bestimmen. Soweit notwendig, werden die zu erzeugenden Geometrien gegenüber den digitalen Geometriekoordinaten des Gussteils 100 angepasst. Hierdurch lassen sich Schrumpf, Bauteilspannungen und ähnliches berücksichtigen, um final ein physisches Gussteil 100 zu erhalten, dessen Form dem 3D-Modell digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils 100 entspricht.
  • Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
  • In einer abweichenden Variante ist es beispielsweise möglich, einen Stabilisierungsrahmen 15 mit Stützpunkten 16 über den Verfahrensstand nach Fig. 2 beizubehalten. Der Stabilisierungsrahmen 15 kann dann den verlorenen Kern 12 auch bei der Herstellung des Modellrohlings 20 und optional auch bei der Herstellung des verlorenen Modells 21 stützen. Dabei kann der Stabilisierungsrahmen 15 zumindest teilweise in dem Modellrohling 20 angeordnet sein. Er kann aber auch zumindest teilweise außerhalb des Modellrohlings 20 liegen. Allerdings sollte der Stabilisierungsrahmen 15 außerhalb des verlorenen Modells 21 angeordnet sein. Stützpunkte 16 des Stabilisierungsrahmens 15 können dann durch das verlorene Modell 21 bis an den verlorenen Kern 12 heranragen. Hierdurch werden auch labil ausgestaltete verlorenen Kerne 12 während der weiteren Verfahrensschritte stabilisiert.
  • Die Alternative, einen vollständig oder partiell kleineren Modellrohling 20 durch ein materialauftragendes Verfahren wie 3D-Druck zu der Außenkontur 22 des verlorenen Modells 21 zu ergänzen, wurde bereits erwähnt. Bezugszeichenliste
    1 Modellformkernrohling 32 zweite Formhälfte
    2 Modellformkern 33 Positionierungsfläche
    34 Modellanguss
    10 Keramikrohling 35 Werkzeughohlraum
    11 Kernelement
    12 verlorener Kern 50 Bearbeitungshalter
    13 Anbindungsstelle 51 Fixierung
    15 Stabilisierungsrahmen 52 Koppelstück
    16 Stützpunkt 53 Bearbeitungsbrücke
    20 Modellrohling 80 Feingussform
    21 verlorenes Modell 81 keramische Form
    22 Außenkontur 82 positionierende Verbindung
    23 Angussmodell 83 Anguss
    24 Angusspunkt
    100 Gussteil
    30 Modellformwerkzeug 101 Hohlraumstruktur
    31 erste Formhälfte 102 festes Bauteil

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Modellformkernrohlings (1), der insbesondere zur Herstellung eines Gussteils (100) mit einer Hohlraumstruktur (101) geeignet ist, unter Verwendung eines 3D-Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils (100) umfassend die folgenden Schritte:
    a) Positionieren eines Keramikrohlings (10) an einem Bearbeitungshalter (50) und Herstellen einer Fixierung (51) zwischen dem Keramikrohling (10) und dem Bearbeitungshalter (50);
    b) Herstellen eines Kernelements (11), wobei ein verlorener Kern (12) aus dem Keramikrohling (10) basierend auf dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Herstellungsverfahren gefertigt wird während die Fixierung (51) fortbesteht, wobei der Bearbeitungshalter (50) in einer CNC-Maschine zur Durchführung des ersten CNC-Herstellungsverfahrens festgelegt ist;
    Herstellen eines Stabilisierungsrahmens (15) aus dem Keramikrohling (10) während des ersten CNC-Herstellungsverfahrens und während die Fixierung (51) fortbesteht, wobei der Stabilisierungsrahmen (15) den verlorenen Kern (12) stützt;
    Entfernen von einem oder mehreren Stützpunkten (16) zwischen dem Stabilisierungsrahmen (15) und dem verlorenen Kern (12) nach Herstellung des verlorenen Kerns (12) und vor dem Herstellen des Modellrohlings (20);
    c) Herstellen eines Modellrohlings (20) durch Gießen von Modellwerkstoff um den verlorenen Kern (12) herum und Erstarrenlassen des Modellwerkstoffs während die Fixierung (51) fortbesteht.
  2. Verfahren zur Herstellung einer Feingussform (80), bei dem folgende Schritte durchgeführt werden:
    A) Durchführen eines Verfahrens zur Herstellung eines Modellformkerns (2), bei dem folgende Schritte durchgeführt werden:
    a. Durchführen des Verfahrens zur Herstellung eines Modellformkernrohlings (1), der insbesondere zur Herstellung eines Gussteils (100) mit einer Hohlraumstruktur (101) geeignet ist, unter Verwendung eines 3D-Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils (100) umfassend die folgenden Schritte:
    a) Positionieren eines Keramikrohlings (10) an einem Bearbeitungshalter (50) und Herstellen einer Fixierung (51) zwischen dem Keramikrohling (10) und dem Bearbeitungshalter (50);
    b) Herstellen eines Kernelements (11), wobei ein verlorener Kern (12) aus dem Keramikrohling (10) basierend auf dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Herstellungsverfahren gefertigt wird während die Fixierung (51) fortbesteht, wobei der Bearbeitungshalter (50) in einer CNC-Maschine zur Durchführung des ersten CNC-Herstellungsverfahrens festgelegt ist;
    c) Herstellen eines Modellrohlings (20) durch Gießen von Modellwerkstoff um den verlorenen Kern (12) herum und Erstarrenlassen des Modellwerkstoffs während die Fixierung (51) fortbesteht;
    b. Herstellen einer Außenkontur (22) eines verlorenen Modells (21) aus und/oder auf dem Modellrohling (20) basierend auf dem 3D-Modell in einem zweiten CNC-Herstellungsverfahren während die Fixierung (51) fortbesteht, wobei der Bearbeitungshalter (50) in einer CNC-Maschine zur Durchführung des zweiten CNC-Herstellungsverfahrens festgelegt ist;
    B) Auftragen einer keramischen Form (81) auf die Außenkontur (22) des verlorenen Modells (21) und Ausbilden einer positionierenden Verbindung (82) der keramischen Form (81) mit wenigstens einer Anbindungsstelle (13) am Kernelement (11), wobei der Bearbeitungshalter keine direkte Verbindung zur keramischen Form aufweist;
    C) Entfernen des verlorenen Modells (21) aus der keramischen Form (81).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, umfassend den folgenden Schritt:
    - Herstellen eines Stabilisierungsrahmens (15) aus dem Keramikrohling (10) während des ersten CNC-Herstellungsverfahrens und während die Fixierung (51) fortbesteht, wobei der Stabilisierungsrahmen (15) den verlorenen Kern (12) stützt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, umfassend den folgenden Schritt:
    - Entfernen von einem oder mehreren Stützpunkten (16) zwischen dem Stabilisierungsrahmen (15) und dem verlorenen Kern (12) nach Herstellung des verlorenen Kerns (12) und vor dem Herstellen des Modellrohlings (20).
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 oder 4, umfassend den folgenden Schritt:
    - Entfernen des Stabilisierungsrahmens (15) nach Herstellung des verlorenen Kerns (12) und vor dem Herstellen des Modellrohlings (20).
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den folgenden Schritt:
    - Positionieren des Bearbeitungshalters (50) vor der Durchführung des ersten CNC-Herstellungsverfahrens und vor der Festlegung des Bearbeitungshalters (50) in der durchführenden CNC-Maschine.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bearbeitungshalter (50) ein Koppelstück (52) zur Aufnahme in einem Nullpunktfixiersystem aufweist, und wobei das Koppelstück (52) bei der Durchführung des ersten CNC-Herstellungsverfahrens in einem Nullpunktfixiersystem der durchführenden CNC-Maschine aufgenommen ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den folgenden Schritt:
    - Ausbilden eines Angussmodells (23) beim Herstellen des Modellrohlings (20).
  9. Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 2 in Kombination mit einem der Ansprüche 3 bis 8, umfassend den folgenden Schritt:
    - Positionieren des Bearbeitungshalters (50) vor der Durchführung des zweiten CNC-Herstellungsverfahrens und vor der Festlegung des Bearbeitungshalters (50) in der durchführenden CNC-Maschine.
  10. Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 2 in Kombination mit einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei der Bearbeitungshalter (50) ein Koppelstück (52) zur Aufnahme in einem Nullpunktfixiersystem aufweist, und wobei das Koppelstück (52) bei der Durchführung des zweiten CNC-Herstellungsverfahrens in einem Nullpunktfixiersystem der durchführenden CNC-Maschine aufgenommen ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 2 in Kombination mit einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei bei dem Herstellen der Außenkontur (22) des verlorenen Modells (21) aus dem Modellrohling (20) ein Angussmodell (23) ausgebildet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 2 in Kombination mit einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei folgender Schritt durchgeführt wird:
    - Aufheben der Fixierung (51) zwischen dem Bearbeitungshalter (50) und dem Kernelement (11) und Trennen des Kernelements (11) vom Bearbeitungshalter (50) vor oder nach dem Entfernen des verlorenen Modells (21) aus der keramischen Form (81).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei folgender Schritt durchgeführt wird:
    - Brennen der Anordnung umfassend das Kernelement (11) und die keramische Form (81) nach dem Trennen des Kernelements (11) vom Bearbeitungshalter (50).
  14. Gießverfahren zur Herstellung eines Gussteils (100) mit einer Hohlraumstruktur (101), bei dem folgende Schritte durchgeführt werden:
    i) Durchführen des Verfahrens zur Herstellung einer Feingussform (80) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 13;
    ii) Gießen von Metallschmelze in die keramische Form (81) um den verlorenen Kern (12);
    iii) Erstarren der Metallschmelze zu einem festen Bauteil (102);
    iv) Entfernen der keramischen Form (81) und des verlorenen Kerns (12) von dem festen Bauteil (102).
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei folgender Schritt durchgeführt wird:
    i.b) Aufheben der Fixierung (51) zwischen dem Bearbeitungshalter (50) und dem Kernelement (11) und Trennen des Kernelements (11) vom Bearbeitungshalter (50) spätestens vor dem Gießen der Metallschmelze in die keramische Form (81).
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