EP3737519A1

EP3737519A1 - VERFAHREN ZUM METALLPULVERSPRITZGIEßEN

Info

Publication number: EP3737519A1
Application number: EP19701292.5A
Authority: EP
Inventors: Franz-Josef Wöstmann; Lutz KRAMER; Michael Heuser; Sebastian Boris Hein; Thomas Hartwig; Marco MULSER
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2020-11-18
Also published as: US20200360996A1; WO2019137963A1; CN111629848A

Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gusskörpers. Das Verfahren umfasst die Schritte: Herstellen eines oder mehrerer Einlegeteile; Bereitstellen des einen oder der mehreren Einlegeteile in einer Gussform eines Spritzgießwerkzeugs, so dass eine Kavität, die der Form des Gusskörpers entspricht, von dem einen oder den mehreren Einlegeteilen oder von dem einen oder den mehreren Einlegeteilen zusammen mit der Gussform, gebildet wird; Füllen der Kavität mit einer ein Pulver aus einem sinterfähigen Material enthaltenden Formmasse; Herstellen eines Grünteils durch Erstarren der Formmasse; Entnehmen eines Zwischenprodukts, bestehend aus Grünteil und dem einen oder den mehreren Einlegeteilen aus dem Spritzgießwerkzeug; Entfernen des einen Einlegeteils oder der mehreren Einlegeteile aus dem Zwischenprodukt; Entbinderung des Grünteils; Sintern des Grünteils.

Description

Verfahren zum Metallpulverspritzgießen

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Metallpulverspritzgießen zum Her stellen metallischer Formteile mit komplexer Geometrie und ein Verfahren zum Herstellen metallischer Wendeln.

Bei Metallpulverspritzgießverfahren, oft englisch„Metal-Injection-Molding", oder kurz„MIM", genannt, kommen nach dem Stand der Technik typischer weise Spritzgießwerkzeuge zum Einsatz, bei denen mit Hilfe von segmentier- ten Kavitäten, Schiebern oder Kernteilen die Abformung komplexer Formteile erreicht wird. Mit dieser Technologie können allerdings keine beliebig kom plexen Geometrien erreicht werden, da das Formteil durch ein Öffnen des Werkzeugs und Ziehen der Kerne entformt werden muss. Aufgabe der Anmeldung ist es, in einem Metallpulverspritzgießprozess kom plexe metallische Formteile herzustellen. Das wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Mögliche Ausführungen ergeben sich aus den Unteran-

Sprüchen sowie aus der Beschreibung und den Figuren.

Die vorliegende Anmeldung schlägt demgemäß ein Verfahren zum Herstellen von Formteilen mit komplexer Geometrie vor, bei dem ein oder mehrere Ein- legeteile in einer Gussform eines Spritzgießwerkzeugs bereitgestellt werden, so dass eine Kavität, die der Form des Gusskörpers entspricht, von dem einen oder den mehreren Einlegeteilen gebildet wird, oder von dem einen oder den mehreren Einlegeteilen zusammen mit der Gussform gebildet wird.

Hierzu wird eine pulvergefüllte Formmasse hergestellt, die einen Binder, bei spielsweise einen organischen Binder, und ein Pulver aus einem sinterfähigen Material, zur Herstellung eines gesinterten Formteils, enthält. Beispielsweise können Metallpulver zur Herstellung eines metallischen Formteils verwendet werden, insbesondere können Kupferpulver, Aluminiumpulver, Stahlpulver, Titanpulver und/oder Edelmetallpulver, wie beispielsweise Platinpulver, ver wendet werden. In einer Ausführung kann hochreines Kupferpulver verwen det werden. Zur Herstellung von Formteilen aus legierten Materialen können auch Pulver aus metallischen Legierungen, wie beispielsweise aus Aluminium legierungen, verwendet werden. Zur Herstellung von Formteilen aus legierten Materialien können vorlegierte Pulver verwendet werden oder es kann eine Kombination von Elementpulvern bereitgestellt werden. In einer anderen Aus führung kann auch ein Masteralloy verwendet werden, dem noch ein oder mehrere Elementpulver zugegeben werden.

Ebenfalls Gegenstand der Anmeldung ist ein Verfahren zur Herstellung metal lischer Wendeln. Dieses Verfahren kann auch losgelöst von dem oben er wähnten Verfahren, bei dem das eine oder die mehreren Einlegeteile bereit gestellt werden eingesetzt werden. Die Anmelderin behält sich vor, für das Verfahren zur Herstellung von Wendeln auch losgelöst von den übrigen Merkmalen des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen von Formteilen mit komplexer Geometrie, also insbesondere ohne die dort beschriebenen Einlegeteile, Schutz zu beanspruchen. In möglichen Ausführungen werden beide Verfahren miteinander kombiniert.

Metallische Wendeln, etwa Spulen oder Federn, werden nach dem Stand der Technik durch Wickeln von Draht, beispielsweise Runddraht oder Profildraht, hergestellt. In der industriellen Fertigung ist der Wickelprozess insbesondere für einfache Wendeln und für große Stückzahlen automatisiert und wird auf speziellen Wickelmaschinen durchgeführt. Beispielsweise für kleine filigrane Spulen, Spulen mit hohem Füllgrad oder bei besonderen Anforderungen an die Steifigkeit sind automatisierte Wickelanlagen jedoch nur eingeschränkt anwendbar, wodurch ein hoher Aufwand und hohe Kosten bei der Fertigung resultieren.

Zur Herstellung einer metallischen Wendel in dem Verfahren gemäß der An meldung wird eine wendelförmige Kavität in einem Spritzgießwerkzeug be reitgestellt.

Die Kavität wird mit einer ein Pulver aus einem sinterfähigen Material enthal tenden Formmasse gefüllt. Durch Erstarren der Formmasse wird ein Grünteil hergestellt, das anschließend aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen wird. Anschließend wird das Grünteil entbindert und gesintert.

Durch die Herstellung der Wendeln als Gusskörper in einem Spritzgießprozess kann eine erhöhte Flexibilität bei der Wendelgeometrie erreicht werden. Durch die mögliche Verwendung von Einlegeteilen wird die Flexibilität noch zusätzlich erhöht.

Die wendelförmige Kavität kann von einer Gussform des Spritzgießwerkzeugs gebildet werden. Sie kann aber auch von einem oder mehreren Einlegeteilen gebildet werden, die in der Gussform bereitgestellt werden, oder von einem oder mehreren Einlegeteilen zusammen mit der Gussform des Spritzgieß werkzeugs gebildet werden. Dabei kann es sich insbesondere um die oben erwähnten Einlegeteile mit den in dieser Anmeldung beschriebenen Eigen schaften handeln.

Zur Herstellung der Wendeln wird eine pulvergefüllte Formmasse hergestellt, die einen Binder, beispielsweise einen organischen Binder, und ein Pulver aus einem sinterfähigen Material, zur Herstellung eines gesinterten Formteils, enthält. Beispielsweise können Metallpulver zur Herstellung eines metalli schen Formteils verwendet werden, insbesondere können Kupferpulver, Alu miniumpulver, Stahlpulver, Titanpulver und/oder Edelmetallpulver, wie bei- spielsweise Platinpulver, verwendet werden. In einer Ausführung kann hoch reines Kupferpulver verwendet werden. Zur Herstellung von Formteilen aus legierten Materialen können auch Pulver aus metallischen Legierungen, wie beispielsweise aus Aluminiumlegierungen, verwendet werden. Zur Herstellung von Formteilen aus legierten Materialien können vorlegierte Pulver verwen det werden oder es kann eine Kombination von Elementpulvern bereitgestellt werden. In einer anderen Ausführung kann auch ein Masteralloy verwendet werden, dem noch ein oder mehrere Elementpulver zugegeben werden.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungen können optional im Zusam menhang mit allen in der Anmeldung beschriebenen Verfahren vorteilhaft verwendet werden.

In einer Ausführung werden Pulvermischungen aus metallischen und kerami schen Pulvern verwendet, zur Herstellung metall-keramischer Strukturen.

Die organischen Binder enthalten in einer Ausführung mindestens ein thermoplastisches Polymer. In einer Ausführung können die organischen Bin der weiterhin einen Weichmacher, der gezielt herausgelöst werden kann, und/oder ein zweites Polymer, das gezielt zersetzt werden kann, enthalten. Beispielsweise kann das zweite Polymer thermisch oder katalytisch zersetzbar sein.

Die organischen Binder können in unterschiedlichen Ausführungen außerdem weitere Komponenten enthalten, wie beispielsweise Tenside, Phasenvermitt ler, Benetzungshilfsmittel, Oligomere, kurzkettige Polymere und/oder weitere Weichmacher.

Die Zusammensetzung der organischen Binder richtet sich in unterschiedli chen Ausführungen nach der Zusammensetzung des Pulvers, um eine chemi sche Reaktion des Binders mit dem Pulver zu vermeiden und beispielsweise eine dem Pulver angemessene Benetzung zu bewirken.

Durch die Zusammensetzung der Formmasse können unterschiedliche Mate rialeigenschaften, wie beispielsweise eine bestimmte Leitfähigkeit, erreicht werden. Die Formmasse kann in einer Ausführung beispielsweise ein Stahlpulver ent halten, beispielsweise zur Herstellung von Stahlfedern. Die Formmasse kann in einer Ausführung auch ein Kupferpulver, beispielsweise aus hochleitfähi gem Kupfer, enthalten, beispielsweise zur Herstellung von Kupferspulen.

Die pulvergefüllte Formmasse wird beispielsweise gemischt und anschließend vorzugsweise unter hohen Scherkräften homogenisiert. Das kann durch Ver wendung einer Scherwalze oder eines Extruders, beispielsweise durch Ver wendung eines Doppelschneckenextruders, geschehen. Das Mischen und/oder das Homogenisieren der Formmasse kann aber auch durch Kneten oder durch eine Kombination aus Kneten und Extrudieren geschehen.

In einem Schritt des Verfahrens wird die Kavität mit der metallpulvergefüllten Formmasse gefüllt, indem die Formmasse in die Kavität eingespritzt wird. In einer Ausführung hat die eingespritzte Formmasse eine Temperatur von min destens 50°C, vorzugsweise mindestens 100°C, besonders bevorzugt mindes tens 120°C und eine Temperatur von höchstens 300°C, vorzugsweise höchs tens 250°C, besonders bevorzugt höchstens 200°C.

Anschließend wird durch Erstarren der Formmasse ein Grünteil hergestellt. Das Erstarren der Formmasse erfolgt typischerweise durch Abkühlen der Formmasse. Das Grünteil bildet dabei zusammen mit dem einen oder den mehreren Einlegeteilen ein Zwischenprodukt. Das Zwischenprodukt wird aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen.

Das eine oder die mehreren Einlegeteile werden in einem nachfolgenden Schritt entfernt. Dabei werden die Einlegeteile typischerweise zerstört.

In einem Schritt wird durch Entbinderung des Grünteils, beispielsweise chemi sche, katalytische und/oder thermische Entbinderung, der Binder entfernt.

In einem Schritt wird durch Sintern das Formteil verdichtet, wobei das Form teil seine angestrebte endgültige Form erhalten kann.

In einer Ausführung werden zuerst das eine oder die mehreren Einlegeteile entfernt und das Grünteil anschließend entbindert und gesintert. Sind keine Einlegeteile vorhanden, wird das Grünteil in einer Ausführungsform aus der Kavität des Spritzgießwerkzeugs entnommen, gegebenenfalls nachbearbeitet, entbindert und gesintert.

In einer Ausführungsform erfolgt das Entfernen und das Entbindern in dem selben Schritt. In einer Ausführung können das eine oder die mehreren Einle geteile während einer thermischen Entbinderung durch Herausbrennen ent fernt werden.

In einer Ausführungsform wird in einem dem Entfernen des einen oder der mehreren Einlegeteile nachgelagerten Schritt das Grünteil mechanisch ge spült, um Rückstände des einen Einlegeteils oder der mehreren Einlegeteile am Grünteil zu entfernen.

In einer Ausführung wird das Grünteil, vor oder nach dem Entfernen des einen oder der mehreren Einlegeteile, jedoch vorzugsweise vor dem Sintern, me chanisch nachgearbeitet. So können an dem noch vergleichsweise einfach bearbeitbaren Grünteil beispielsweise Grate, Angussstrukturen oder andere unerwünschte Teile des Grünteils mechanisch entfernt werden oder eine Oberfläche des Grünteils bearbeitet werden. Es wird somit ein wirtschaftli ches Entfernen von beispielsweise Graten oder Kanten sowie Nachbearbeiten ermöglicht und es kann eine hohe Werkzeugstandzeit und eine größere Tole ranz bei der Werkzeugfertigung sowie der Fertigung der Einlegeteile erreicht werden. Die Entfernung der Grate oder der Angussstrukturen oder der ande ren unerwünschte Teile kann automatisiert oder manuell erfolgen, beispiels weise mit einem Messer, einem Teppichmesser oder einen Skalpell.

Vorzugsweise sind die Einlegeteile zur Verwendung in einem anmeldungsge mäßen Verfahren so ausgestaltet, dass sie sich unter dem Druck der einge spritzten Formmasse und aufgrund des Hitzeeintrags der eingespritzten Formmasse nicht verformen. Eine Schwierigkeit besteht daher darin, Einlege teile bereitzustellen, die einerseits den mechanischen und thermischen Belas tungen standhalten können, die andererseits aber entfernbar sind.

Die Einlegeteile können hierfür einer Materialprüfung unterzogen werden. Die Einlegeteile können aus wasserlöslichen oder durch wässrige Medien zersetzbaren Stoffen gefertigt werden.

Hierfür können Einlegeteile beispielsweise aus einem duroplastischen Poly mer, insbesondere aus einem duroplastischen Polymer mit hydrolytisch spalt baren Funktionalitäten, wie zum Beispiel Ester, Anhydride oder Carbamate, hergestellt werden.

Die Einlegeteile können auch aus einem thermoplastischen Verbund herge stellt werden, beispielsweise aus einem Verbund, der wasserlösliche Materia lien enthält. Insbesondere kann ein wasserlösliches thermoplastisches Poly mer mit partikulären Einschlüssen, beispielsweise Einschlüssen von

Keramikpartikeln oder Salzpartikeln, verwendet werden.

In einer anderen Ausführung können auch Einlegeteile aus Salz oder aus nied rig schmelzenden Metallen oder Metalllegierungen verwendet werden.

Es können auch Einlegeteile aus einem thermoplastischen Polymer, wie bei spielsweise PMMA, verwendet werden, oder Einlegeteile aus einem Verbund, der ein solches thermoplastisches Polymer umfasst.

Die Einlegeteile können beispielsweise durch Gießen, Spritzgießen oder Reak tivspritzgießen hergestellt werden. Die Einlegeteile können auch in Rollpro zessen oder Umformverfahren hergestellt werden. Die Einlegeteile können auch in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden, wie zum Beispiel durch Stereolithographie, Direct Light Processing oder Digital Light Processing, Selektives Lasersintern, Selektives Laserschmelzen, Fused Deposi tion Modeling bzw. Fused Filament Fabrication, Multijet Modeling, Binder Jetting oder Laminated Object Molding. Die Einlegeteile können auch durch subtraktive Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Zerspanen oder Fräsen gefertigt oder nachbearbeitet werden.

Vorteilhaft kommen in manchen Ausführungen Einlegeteile aus Materialien zum Einsatz, die chemisch entfernt werden können, etwa durch Auflösen in einem Lösungsmittel oder durch chemische Spaltung der Polymere und Auflö- sen der Spaltprodukte.

Das Herstellungsverfahren für die Einlegeteile kann angepasst werden, je nachdem welche Anforderungen an das Einlegeteil bestehen. Beispielsweise können in möglichen Herstellungsverfahren reaktive Stoffgemische oder thermoplastische Materialien zum Einsatz kommen. In beiden Fällen kann die Herstellung vorteilhaft in einem additiven Verfahren erfolgen.

In manchen Ausführungen, insbesondere wenn die Einlegeteile aus reaktiven Stoffgemischen hergestellt sind, können die Einlegeteile chemisch entfernt werden. Das kann beispielsweise durch Auflösen in einem geeigneten Lö sungsmittel oder durch chemische Spaltung der Polymere und Auflösen der Spaltprodukte geschehen. Das kann insbesondere bei großen Formteilen oder großen Wandstärken von Vorteil sein, da die chemischen Entfernungsprozes se so kontrolliert werden können, dass eine Beschädigung des Formteils durch zu schnell freigesetzte Gase vermeiden werden kann. Die Einlegeteile können in möglichen Ausführungen aber auch thermisch entfernt werden.

Die Einlegeteile können beispielsweise durch selektives Lasersintern, selekti ves Laserschmelzen, Fused Deposition Modeling oder Fused Filament Fabrication hergestellt werden. Es sei angemerkt, dass der Begriff„selektives Laserschmelzen" vor allem aus der Bearbeitung von Metallen bekannt ist. Das Verfahren kann jedoch auch für die Herstellung der hier gezeigten Einlegeteile mit den genannten Eigenschaften verwendet werden. Bei diesen Verfahren können beispielsweise thermoplastische Materialen verwendet werden, aus denen die Einlegeteile additiv gefertigt werden. Die Einlegeteile können je nach Material chemisch löslich oder unlöslich sein. Beispielsweise können Materialien verwendet werden, die in Aceton löslich sind, etwa Acrylnitril- Butadien-Styrol (ABS), Polyethylenterephthalat (PET) oder Polylactide (PLA).

Es können auch wasserlösliche Polymere verwendet werden, beispielsweise Polyvinylacetat (PVA), das häufig als lösliche Stützstruktur im Filamentdruck genutzt wird. Es können auch nicht-lösliche Polymere die nur thermisch aus getrieben werden können, verwendet werden, wie zum Beispiel Polyamide (PA) oder Polypropylen (PP).

Die Einlegeteile können beispielsweise auch in einem lichtbasierten additiven Fertigungsverfahren, wie etwa durch Stereolithographie, Direct Light Proces sing oder Digital Light Processing oder Multijet Modeling, hergestellt werden. Beispielsweise kommen bei diesen Verfahren reaktive Materialien zum Ein satz, sogenannte Harze, die durch eine lichtinduzierte chemische Reaktion vernetzen. Bevorzugt sind diese Verfahren mit Blick auf die erzielbaren Ge nauigkeiten der Drucke, da die Auflösung der lichtbasierten Verfahren typi scherweise größer ist als die der weiter oben genannten additiven Verfahren. Beispielsweise werden Acrylate als reaktive Materialien genutzt, Epoxide kön nen aber auch eingesetzt werden. Die so gebildeten Einlegeteile sind typi scherweise aus dreidimensional vernetzten Polymeren gebildet, die typi scherweise nicht löslich sind und die daher durch thermische Zersetzung oder chemische Spaltung entfernt werden.

Durch die Nutzung spaltbarer chemischer Funktionen (etwa die oben erwähn ten Anhydride, Ester, Carbamate), können die dreidimensionalen Netzwerke der dreidimensional vernetzten Polymere in kleine, molekulare Verbindungen abgebaut werden, die dann in Lösung gehen können. Bevorzugt werden zur Entfernung der Einlegeteile wässrige, basische Medien verwendet, die bei spielsweise im Falle der Ester zu einer Verseifung führen und bei den Anhydri den eine hydrolytische Spaltung bewirken. Eine Spaltung von Carbamaten ist im Sinne dieser Anmeldung ebenfalls nicht ausgeschlossen. In möglichen Aus führungen des vorgestellten Verfahrens erfolgt durch die gezielte Spaltung der funktionellen Gruppen ein chemischer Abbau des Einlegeteils und dessen Entfernung aus dem Verbund mit dem Feedstock.

Ein Vorteil der beschriebenen Entfernung der Einlegeteile durch chemische Spaltung liegt darin, dass ein Quellen der Einlegeteile vermieden werden kann. Dadurch ist die Gefahr der Rissbildung im Feedstock und damit der Be schädigung des Feedstockteils durch mechanischen Verzug gering.

Wie erwähnt können die Einlegeteile auch durch Binder Jetting hergestellt werden. Dabei wird ein Binder in ein Pulverbett gedruckt, um dort Pulverpar tikel innerhalb der gewünschten geometrischen Form zu verbinden. Bei Poly meren werden beispielsweise Thermoplastpulver eingesetzt. Die genutzten Binder sind beispielsweise Lösungsmittel für den Polymertyp oder reaktive Systeme, die durch einen Aushärtungsschritt eine Klebwirkung zwischen den Pulverkörnern entfalten. Zum Entfernen der Einlegeteile kann in einer Ausfüh rung ähnlich wie im Falle der reaktiven Materialien in einem chemischen Pro zess die durch den Binder bewirkte Haftung zwischen den Pulverpartikeln überwunden werden. Das heißt, der Binder wird beispielsweise durch ein ge eignetes Lösungsmittel gelöst oder in einem geeigneten flüssigen Medium chemisch gespalten. Danach können die losen Pulverpartikel ausgespült wer den. Ein besonderer Vorteil liegt in diesem Fall darin, dass verhältnismäßig wenig Material chemisch gespalten werden muss. Der Vorgang zeichnet sich daher im Vergleich zu Vorgängen, bei denen Vollmaterialien zum Einsatz kommen, durch seine Schnelligkeit aus. Jedoch können auch im Fall von durch Binder Jetting hergestellten Einlegeteilen beispielsweise lösliche Materialien genutzt werden, die dann zur Entfernung aufgelöst werden.

Weiterhin können mehrere Einlegeteile durch gleiche oder andere der oben beschriebenen Verfahren gefertigt und lösbar oder unlösbar miteinander ver bunden, bzw. zu einem einzigen Einlegeteil zusammengefügt werden. Die Ein legeteile begrenzen dann zusammen genommen und gegebenenfalls zusam men mit der Gussform des Spritzgießwerkzeugs die Kavität.

In einer Ausführung werden Einlegeteile in additiven Verfahren als Einzelteile hergestellt um ein Kombinieren von mehreren Einlegeteilen zu vermeiden und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu steigern.

Durch die unterschiedlichen möglichen Fertigungsverfahren für die Einlegetei le, sowie die Kombination dieser Fertigungsverfahren wird eine besondere Flexibilität beim Herstellen der Formteile erreicht. Es können selbst komplexe Geometrien erreicht werden, beispielsweise Geometrien mit Hinterschnitten, Durchbohrungen, Kanälen, oder Öffnungen. Außerdem können unterschiedli che Materialien zum Einsatz kommen, die auf unterschiedliche Weise entfernbar sind.

Die Einlegeteile können derart ausgebildet sein, dass die Gussform der ver wendeten Spritzgießwerkzeuge, in welche die Einlegeteile eingesetzt werden, zur Form des Formteils teilweise beitragen, zum Beispiel indem die Gussform die äußere Begrenzung vorgibt oder auch weitere Teile der Form vorgibt. Die Einlegeteile können aber auch so ausgestaltet sein, dass die Gussform des Spritzgießwerkzeugs gar keinen Einfluss auf die Form des Formteils hat, son dern die Form nur durch die Einlegeteile bestimmt wird. Die Einlegeteile sind beispielsweise so ausgestaltet, dass ihre äußere Begrenzung an die Gussform des Spritzgießwerkzeugs angepasst ist. In einer Ausführung wird ein Kontakt der Formmasse mit dem Spritzgießwerkzeug vermieden, um Anklebungen der Formmasse an dem Spritzgießwerkzeug zu vermeiden.

Die Einlegeteile und/oder die Gussform weisen Bereiche bzw. Öffnungen auf, in bzw. durch welche die Formmasse in die Kavität eingespritzt werden kann.

Die oben beschriebenen Fertigungsmethoden für die Einlegeteile und die Verwendung der Einlegeteile in Spritzgießwerkzeugen, die keine spezielle Form aufweisen müssen, erlauben eine wirtschaftliche Fertigung von Klein- und Pilotserien mit niedrigen Stückzahlen.

Das eine oder die mehreren Einlegeteile können entfernt werden, indem das Zwischenprodukt in ein wässriges Medium eingelegt wird, um das eine oder die mehreren Einlegeteile aufzulösen. Das eine oder die mehreren Einlegeteile können aber auch durch säure- oder basenbasierte Katalyse oder durch Hyd rolyse zersetzt werden. Das eine oder die mehreren Einlegeteile können in einer anderen Ausführung auch durch Herausbrennen entfernt werden.

In einer Ausführung erfährt das Einlegeteil oder erfahren die Einlegeteile beim Auslösen ein Aufquellen und es wird ein elastischer Binder für die pulverge füllte Formmasse verwendet, der die Verformung des Einlegeteils oder der Einlegeteile toleriert und nach dem Entfernen des Einlegeteils seine ursprüng liche Form wieder annimmt.

In einer Ausführung werden, wie erwähnt, in dem Verfahren Wendeln, also wendelförmige Körper, wie beispielsweise Spulen oder Federn, hergestellt, indem das eine oder die mehreren Einlegeteile so ausgestaltet sind, dass durch das eine oder die mehreren Einlegeteile und gegebenenfalls durch das Spritzgießwerkzeug, in dem die Einlegeteile angeordnet werden, eine wendel förmige Kavität vorgegeben wird. So können Wendeln mit beliebigen

Querschnittsgeometrien oder veränderlichem Querschnitt hergestellt werden, die durch Wickeln nicht herstellbar sind. Insbesondere können Wendeln mit nicht-runden Windungsprofilen hergestellt werden. Die Kavität, die mit der Formmasse gefüllt wird und die Form des angestreb ten wendelförmigen Gusskörpers vorgibt, kann eine komplexe Geometrie aufweisen. Nachfolgend werden einige Beispiele für solche komplexen Geometrien aufgezählt. Diese können miteinander kombiniert werden. Weite re Geometrien sind außerdem möglich und ergeben sich für den Fachmann aus der angestrebten Verwendung der Wendel.

Spulenparameter bzw. Wendelparameter wie beispielsweise Steigung und Windungszahl pro Länge lassen sich durch eine entsprechend geformte Kavi tät gezielt einstellen.

Ein von der Wendel bzw. von den Windungen der Wendel begrenzter innerer Hohlraum kann, in einer Ebene orthogonal zu einer Längsrichtung der Wen del, eine komplexe Querschnittfläche aufweisen. Insbesondere kann der inne re Hohlraum eine Querschnittfläche aufweisen, die durch wickeln nicht oder nur schwer erreichbar ist. Der von den Windungen der gegossenen Wendel begrenzte innere Hohlraum kann eine runde oder eine nichtrunde Quer schnittfläche aufweisen und/oder eine entlang der Längsrichtung der Wendel veränderliche Querschnittfläche aufweisen. Die Querschnittfläche kann einen konstanten oder veränderlichen Radius, bzw. eine konstante oder veränderli che Seitenlänge besitzen und beispielsweise rund, oval, rechteckig oder viel eckig sein.

Die äußeren Wendelabmessungen in der Ebene orthogonal zu der Längsrich tung können mit dem vorgeschlagenen Verfahren ebenfalls eingestellt wer den. Die äußeren Wendelabmessungen können beispielsweise eine runde, ovale oder rechteckige Form haben. In der Ebene orthogonal zu der Längsrich tung kann eine Ausdehnung der Wendel beispielsweise zwischen 0.5cm x 0,5cm und 10 cm x 10 cm betragen. Beispielsweise kann eine rechteckige Wendel äußere Abmessungen von zwischen 1cm x 3cm und 3cm x 8cm haben. Größere und kleinere Abmessungen in beide Raumrichtungen sind ebenfalls möglich.

Die metallische Wendel kann außerdem ein komplexes Windungsquerschnitt profil aufweisen. Mit Windungsquerschnitt wird dabei der Querschnitt des Materials selbst bezeichnet, entsprechend dem Drahtquerschnitt eines Drah tes der beispielsweise bei gewickelten Spulen verwendet wird. Beispielsweise kann das Windungsquerschnittprofil rechteckig sein, was ein Wickeln er schweren oder unmöglich machen würde, aber bei der hier vorgestellten Me thode keine negativen Auswirkungen auf die Fertigung der Wendel hat. Das Windungsquerschnittprofil kann auch vieleckig oder oval sein, Einkerbungen und/oder Ausbuchtungen aufweisen und/oder entlang seiner Länge veränder lich sein. Eine Steigung der Wendel und/oder eine Windungsrichtung der Wendel können entlang der Längsrichtung veränderlich sein.

Durch die vorgeschlagene Herstellung der Wendel können die beschriebenen möglicherweise veränderlichen komplexen Windungsquerschnitte oder Flä chenquerschnitte des inneren Hohlraums, die möglicherweise veränderlichen äußeren Wendelabmessungen sowie die möglicherweise veränderlichen Spu lenparameter in Kombination vorliegen. Beispielsweise kann ein rechteckiges Windungsquerschnittprofil mit entlang der Wendel veränderlicher Seitenlän ge mit einem abgewinkelten Verlauf und einer entlang der Längsrichtung der Spule veränderlichen Steigung realisiert werden.

Zur Einstellung einer gewünschten Federhärte können beispielsweise be stimmte Materialien oder Legierungen für das Metallpulver gewählt werden und die gewünschte Steigung oder Windungsdicke oder

Windungsquerschnittsgeometrie der Feder eingestellt werden.

Spulen bzw. Wendeln, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt werden, können beispielsweise Windungsstärken zwischen 0,1 mm und 2 mm haben.

In einer Ausführung werden Wendeln mit Wandstärken von weniger als 200 pm, bevorzugt von weniger als 150 pm hergestellt.

Ein Füllfaktor der auf diese Weise hergestellten Spulen beträgt beispielsweise über 65 %, vorzugsweise über 75 %, besonders bevorzugt über 85 %. In einer Ausführung beträgt der Füllfaktor über 90 %, beispielsweise bei 95 %.

In einer Ausführung weisen die Einlegeteile beispielsweise Griffe, Ausbuch- tungen, Aussparungen oder andere Geometrien auf, die nicht zu der Form der Kavität beitragen und die eine Handhabung des Zwischenprodukts vereinfa chen. Beispielsweise kann das Zwischenprodukt an einem derartigen Griff oder einer derartigen Geometrie von Hand oder mit Hilfe eines Werkzeugs gegriffen und bewegt werden.

Das Verfahren gemäß der Anmeldung erlaubt die Herstellung von Gusskör pern mit unterschiedlicher Geometrie, indem unterschiedliche Einlegeteile gefertigt werden, die in demselben Spritzgießwerkzeug eingesetzt werden können. Die Einlegeteile können derart gefertigt sein, dass ihre Kavitäten ei nen unterschiedlichen Verlauf haben, aber ihre Außenkontur die gleiche ist, so dass die unterschiedlichen Einlegeteile in dem Spritzgießwerkzeug Platz finden.

Beispielhafte Ausführungen sind in den Figuren gezeigt. Es zeigen:

Fig. 1 Ein Einlegeteil zur Verwendung im Metallpulverspritzgießen in einem Spritzgießwerkzeug;

Fig. 2 Ein Zwischenprodukt, das Einlegeteil aus Fig. 1 und ein Grünteil umfassend; und

Fig. 3 Das Grünteil aus Fig. 2 nach Entfernen des Einlegeteils.

In Figur 1 ist ein Einlegeteil 1 gemäß der Anmeldung gezeigt. Das Einlegeteil 1 weist eine wendelförmige Kavität 1.1 auf, zur Herstellung einer Spule für ei nen Elektromotor, beispielsweise für einen Pedelecmotor. Das Einlegeteil 1 wird durch Digital Light Processing einteilig aus einem duroplastischen Poly mer hergestellt. Das Einlegeteil 1 kann in ein Spritzgießwerkzeug (nicht ge zeigt) eingesetzt werden, so dass das Spritzgießwerkzeug das Einlegeteil 1 umschließt. Anschließend kann in das Spritzgießwerkzeug und in die Kavitäten eine Formmasse eingespritzt werden.

Figur 2 zeigt ein Zwischenprodukt, welches das Einlegeteil 1 aus Figur 1 und ein Grünteil 2 aus einer in der wendelförmigen Kavität 1.1 erstarrten Form masse umfasst. Die Formmasse enthält ein hochleitfähiges Kupferpulver und einen elastischen organischen Binder. Die Formmasse kann in anderen Aus führungen auch ein anderes Metallpulver, wie beispielsweise Stahlpulver, Aluminiumpulver oder Titanpulver enthalten oder Pulver aus Legierungen enthalten. Das Zwischenprodukt wird aus dem Spritzgießwerkzeug entnom men. In einem nächsten Schritt wird das Einlegeteil 1 entfernt, in dem es durch Hydrolyse zersetzt wird. Eine Ausdehnung bzw. Verformung des Einle- geteils 1 während des Zersetzens wird durch den elastischen organischen Bin der der Formmasse toleriert und das Grünteil 2 nimmt nachdem das Einlege teil 1 vollständig zersetzt ist wieder die Form der wendelförmigen Kavität 1.1 an.

Figur 3 zeigt das Grünteil 2 aus Figur 2, wobei das Einlegeteil 1 entfernt wur de. Das Grünteil 2 besitzt die für das Formteil angestrebte Geometrie. An dem vergleichsweise einfach bearbeitbaren Grünteil 2 können in Nachbearbei tungsschritten ungewünschte Angussstrukturen, Kanten oder Grate mecha nisch leicht entfernt werden. Durch anschließendes Entbindern wird der orga nische Binder entfernt und dann durch Sintern das Bauteil verdichtet, wo durch das Bauteil seine endgültige Form enthält. Durch die Herstellung des wendelförmigen Grünteils in einem Spritzgießverfahren kann das Grünteil ein rechteckiges Windungsquerschnittprofil 2.1 sowie einen abgewinkelten Ver lauf 2.3 aufweisen, was durch ein Wickeln nicht erreichbar ist.

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich unter anderem auf die folgenden Aspekte:

1. Verfahren zur Herstellung metallischer Wendeln, die folgenden Schrit te umfassend:

Bereitstellen einer wendelförmigen Kavität (1.1) in einem Spritzgießwerkzeug;

Füllen der Kavität (1.1) mit einer ein Pulver aus einem sinterfä higen Material enthaltenden Formmasse;

Herstellen eines Grünteils (2) durch Erstarren der Formmasse; Entnehmen des Grünteils (2) aus dem Spritzgießwerkzeug; Entbinderung des Grünteils (2);

Sintern des Grünteils (2). 2. Verfahren nach Aspekt 1, wobei die wendelförmige Kavität (1.1) von einer Gussform des Spritzgießwerkzeugs und/oder von einem oder mehreren Einlegeteilen (1) gebildet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Form masse ein Stahlpulver enthält zur Herstellung von Stahlfedern.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Form masse ein Kupferpulver enthält zur Herstellung von Kupferspulen, vor zugsweise hochreines Kupfer zur Herstellung hochleitfähiger Kupfer spulen.

5. Metallische Wendel, hergestellt in eine Verfahren nach einem der vor hergehenden Aspekte.

6. Metallische Wendel nach Aspekt 5, wobei die Wendel eine Kupferspu le oder Aluminiumspule oder eine Spule aus einer Kupferlegierung oder aus einer Aluminiumlegierung ist.

7. Metallische Wendel nach Aspekt 5, wobei die Wendel eine Stahlfeder ist.

8. Metallische Wendel nach einem der Aspekte 5 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, dass eine von den Windungen der gegossenen Wendel be grenzter innerer Hohlraum (2.2) eine nicht runde Querschnittfläche aufweist.

9. Metallische Wendel nach einem der Aspekte 5 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, dass der von den Windungen der gegossenen Wendel be grenzte innerer Hohlraum (2.2) eine entlang einer Längsrichtung 3 der Spule veränderliche Querschnittfläche aufweist.

10. Metallische Wendel nach einem der Aspekte 5 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass sie ein nicht rundes Windungsquerschnittprofil (2.1) aufweist.

11. Metallische Wendel nach einem der Aspekte 5 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, dass sie ein veränderliches Windungsquerschnittprofil (2.1) aufweist. Metallische Wendel nach einem der Aspekte 5 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, dass sie eine entlang der Längsrichtung (3) veränderliche Steigung und/oder Windungsrichtung aufweist.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Gusskörpers, die folgenden Schritte umfassend:

Herstellen eines oder mehrerer Einlegeteile (1);

Bereitstellen des einen oder der mehreren Einlegeteile (1) in einer Gussform eines Spritzgießwerkzeugs, so dass eine Kavität (1.1), die der Form des Gusskörpers entspricht, von dem einen oder den mehreren Einlegeteilen (1) oder von dem einen oder den mehreren Einlegeteilen (1) zusammen mit der Gussform, gebildet wird;

Herstellen eines Grünteils (2) durch Erstarren der Formmasse;

Entnehmen eines Zwischenprodukts, bestehend aus Grünteil (2) und dem einen oder den mehreren Einlegeteilen (1) aus dem Spritzgießwerkzeug;

Entfernen des einen Einlegeteils (1) oder der mehreren Einlege teile (1) aus dem Zwischenprodukt;

Entbinderung des Grünteils (2),

Sintern des Grünteils (2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ein Metal-Injection- Molding-Verfahren ist und/oder die Formmasse ein Metallpulver ent hält.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Formmasse Kupferpulver, Stahlpulver oder Aluminiumpulver enthält.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ein legeteile aus einem duroplastischen Polymer, aus einem thermoplasti schen Polymer, aus einem thermoplastischen Verbund oder aus Salz hergestellt sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Her stellung des einen oder der mehreren Einlegeteile (1) ein reaktives Stoffgemisch verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die einge spritzte Formmasse eine Temperatur von zwischen 50°C und 300°C hat, vorzugsweise zwischen 100°C und 250°C, besonders bevorzugt zwischen 120°C und 200°C.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eine oder die mehreren Einlegeteile in einem additiven Fertigungsver fahren hergestellt werden.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Einlegeteile aus einem Duroplast oder aus einem thermoplastischen Verbund in ei nem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eine oder die mehreren Einlegeteile (1) durch Stereolithographie oder Di rect Light Processing oder Digital Light Processing oder Multijet Mode- ling hergestellt werden.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das eine oder die mehreren Einlegeteile (1) durch selektives Lasersintern oder selek tives Laserschmelzen oder Fused Deposition Modeling oder Fused Fi lament Fabrication hergestellt werden.

11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eine oder die mehreren Einlegeteile aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Polyethylenterephthalat (PET) oder Polylactide (PLA) oder Polyvinylacetat (PVA) gebildet werden.

12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eine oder die mehreren Einlegeteile (1) aus einem dreidimensional vernetzten Polymer gebildet werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eine oder die mehreren Einlegeteile (1) entfernt werden, indem das Zwi schenprodukt in ein wässriges Medium eingelegt wird, um das eine oder die mehreren Einlegeteile (1) aufzulösen, oder wobei das eine oder die mehreren Einlegeteile (1) durch säure- oder basenbasierte Ka talyse oder durch Hydrolyse zersetzt werden.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eine oder die mehreren Einlegeteile (1) chemisch entfernt werden, durch Auflösen in einem Lösungsmittel oder durch chemische Spaltung von Polymeren, aus denen das eine oder die mehreren Einlegeteile gebil det sind, und Auflösen der Spaltprodukte.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eine oder die mehreren Einlegeteile (1) durch Binder Jetting hergestellt werden und das eine oder die mehreren Einlegeteile (1) entfernt wer den, indem ein für das Binder Jetting verwendeter Binder in einem Lö sungsmittel gelöst, oder in einem flüssigen Medium chemisch gespal ten wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kavi tät (1.1) wendelförmig ist.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die pul vergefüllte Formmasse durch Kneten und/oder durch Extrudieren, vor zugsweise durch Verwendung eines Doppelschneckenextruders, her gestellt wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eine oder die mehreren Einlegeteile (1) während einer thermischen Entbinderung durch Herausbrennen zersetzt werden.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin ei nen dem Entfernen des einen oder der mehreren Einlegeteile (1) nachgelagerten Schritt umfassend, in dem das Grünteil (2) mechanisch gespült wird, um Rückstände des einen Einlegeteils (1) oder der meh reren Einlegeteile (1) zu entfernen.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin ei nen Schritt umfassend in dem das Grünteil (2) vor dem Sintern mecha nisch nachgearbeitet wird.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Her stellung von Gusskörpern mit unterschiedlicher Geometrie unter schiedliche Einlegeteile (1) für dieselbe Gießform gefertigt werden.