PL243474B1 - Sposób wykonywania form piaskowych zabezpieczonych powłoką ochronną - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wykonywania form piaskowych zabezpieczonych powłoką ochronną, przeznaczonych do wielokrotnego procesu reaktywnego formowania elementów izolacji oraz produktów powstałych przez wypełnienie gniazda formy materiałami polimerowymi, także kompozytami, opartymi zwłaszcza na żywicach epoksydowych lub kompozytowych opartych na materiałach celulozowych. Sposób według zgłoszenia charakteryzuje się tym, że proces infiltracji struktury formy realizuje się chemicznie poprzez nasączanie struktury formy surowej (1) materiałem chemoutwardzalnym lub termoutwardzalnym. Nakładanie warstwy ochronnej (3) na zewnętrzne powierzchnie formy piaskowej przeprowadza się dowolną metodą natryskową, zanurzeniową lub metodą osadzania, przy czym jako materiał na powłokę ochronną stosuje się materiał o własnościach antyadhezyjnych w postaci materiału organicznego chemoutwardzalnego, termoutwardzalnego, światło-utwardzalnego lub w postaci materiału nieorganicznego w tym metalu.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykonywania form piaskowych zabezpieczonych powłoką ochronną, przeznaczonych do wielokrotnego procesu reaktywnego formowania elementów izolacji oraz produktów powstałych przez wypełnienie gniazda formy materiałami polimerowymi, także kompozytami, opartymi zwłaszcza na żywicach epoksydowych lub kompozytami opartymi na materiałach celulozowych.

W procesach wytwarzania różnorodnych produktów zwłaszcza z branży elektrotechnicznych takich jak, przekładniki, przepusty, bieguny odlewane, których korpusy i ich wypełnienia wykonane są z materiałów termoutwardzalnych stosuje się formy metalowe, przeważnie ze stali nierdzewnej, ale także aluminium. Proces wykonania form do odlewania skomplikowanych geometrycznie produktów jest kosztowny i czasochłonny, a bardzo często zwłaszcza dla produkcji krótkoseryjnej zarówno czas, jak i koszt mają bardzo duże znaczenie. Dlatego też obecnie, często wykonuje się formy w wykorzystaniem technologii przyrostowych (druku 3D), zarówno z materiałów polimerowych jak i proszków metali.

Znane są sposoby wykonywania formy z materiału mineralnego w postaci pasku kwarcowego do odlewania produktów żywicznych z użyciem technologii druku 3D w oparciu o technologię selektywnego spajania materiałów sproszkowanych (np. gips, piasek, metal) za pomocą spoiwa (binder jetting). Jest to najszybsza i najtańsza metoda przyrostowa, która pozwala na wydruk obiektów o znacznych rozmiarach (do kilku metrów), dlatego też może być używana do wytworzenia form dla wielkogabarytowych odlewów żywicznych. Technologia ta jest często stosowana do wytwarzania form piaskowych stosowanych w odlewaniu metali. W tym przypadku forma jest jednorazowa, ponieważ po zalaniu ciekłym metalem i jego krystalizacji ulega zniszczeniu, w celu wydobycia odlanego produktu.

Niedogodnością tej metody jest fakt, że otrzymana przez wydruk piasku powierzchnia i struktura jest silnie porowata i w przypadku kontaktu z żywicą epoksydową tworzy trwałe połączenie, co wyklucza możliwość jej ponownego użycia.

Z opisu patentowego US8137607 znany jest sposób produkowania formy piaskowej dla przemysłu motoryzacyjnego w technologii przyrostowej. Przedstawiony sposób obejmuje wykonanie formy do odlewania oraz sposób użycia tej formy do wykonywania odlewanych części lub elementów. Sposób wykonania formy piaskowej zawiera następujące kroki: nadruk wielu warstw piasku odlewniczego z mieszaniną aktywatora w technologii 3D; nadruk dla każdej warstwy piaskowej żywicy spajającej w celu uformowania matrycy. Przy czym po nadruku ostatniej warstwy matrycy przeprowadza się zasysanie próżniowe żywicy infiltrującej przez warstwy piasku na głębokość większą niż 1 mm oraz utwardza się infiltrującą żywicę po zaabsorbowaniu jej w matrycy według znanych technologii utwardzania, przy czym proces utwardzania warstw piasku trwa tak długo aż matryca zostanie zinfiltrowana. Sposób wykonywania odlewanych części lub elementów polega na użyciu matrycy wykonanej przy zastosowaniu sekwencyjnego nakładania warstw z mieszaniny piasku z aktywatorem i stosowania nadruku z żywicy dla tworzonych warstw w celu uformowania ścianki podstawowej, ściankach bocznych na ściance podstawowej oraz wzorca również usytuowanego na ściance podstawowej, aby uformować gniazdo formy dla wykonania gotowej części lub elementu.

Przedstawione znane rozwiązanie nie jest wystarczające do zapewnienia prawidłowego procesu odlewania produktów żywicznych lub celulozowych, ponieważ nie zapewnia łatwego wyformowania oraz odpowiedniej wytrzymałości dla wielokrotnego formowania elementów, zwłaszcza wielkogabarytowych. Ponadto, rozwiązanie to używa techniki próżniowej do infiltracji gniazda formy, co znacznie komplikuje proces.

Z Europejskiego zgłoszenia patentowego EP3053671 znany jest sposób produkowania form do odlewów na bazie żelaza. Sposób zawiera etapy: (a) nakładania materiału utwardzającego zawierającego żywicę termoutwardzalną jako główny składnik i mającego lepkość 1-100 mPa-S do wnęki i powierzchni styku każdej części formy z zielonego piasku, (b) łączenia części formy z zielonego piasku, (c) utwardzania materiału utwardzającego na gorąco. Wspomniane zgłoszenie nie wspomina nic o nakładaniu powłoki ochronnej na powierzchnię formy.

Z kolei europejskie zgłoszenie patentowe EP1736566 ujawnia sposób nakładania powłoki o metalicznym albo ceramicznym wykończeniu na całość albo część powierzchni wyrobu termoplastycznego, metalicznego lub stopu metalu.

Zatem celem wynalazku jest zapewnienie sposobu przygotowania form do odlewania piaskowego, który stanowi uproszczenie istniejących rozwiązań i nie posiada wyżej wymienionych wad.

Istotą sposobu wykonywania form piaskowych zabezpieczonych powłoką ochronną według wynalazku jest to, że infiltracją struktury formy realizuje się chemicznie z pominięciem próżniowego zasysania żywicy infiltrującej przez warstwy piasku odlewniczego z mieszaniną aktywatora, a proces infiltracji polega na nasączeniu struktury formy surowej materiałem chemoutwardzalnym lub termoutwardzalnym sposobem powierzchniowym w warstwie zewnętrznej formy lub sposobem objętościowym w całej objętości struktury formy. Nakładanie warstwy ochronnej na zewnętrzną powierzchnie formy piaskowej przeprowadza się dowolną metodą natryskową, zanurzeniową lub metodą osadzania, przy czym jako materiał na powłokę ochronną stosuje się materiał o własnościach antyadhezyjnych w postaci materiału organicznego chemoutwardzalnego, termoutwardzalnego, światło-utwardzalnego lub w postaci materiału nieorganicznego w tym metalu. Operację nakładania zewnętrznej powłoki ochronnej prowadzi się aż do uzyskania jednolitej ciągłej powłoki z całkowitym zamknięciem porów w strukturze warstwy powierzchniowej formy.

Korzystanie do infiltracji struktury formy piaskowej stosuje się materiał chemoutwardzalny lub materiał termoutwardzalny o lepkości w zakresie od 1x10-4 Pa-s do 10 Pa-s oraz napięciu powierzchniowym względem powietrza z zakresu od 10 mN/m (lub dyn/cm) do 200 mN/m (lub dyn/cm), mierzonymi w temperaturze 20°C, i tak dobranymi względem uziarnienia piasku stosowanego do wydruku formy, aby była zapewniona samoistna penetracja struktury formy piaskowej przy wykorzystaniu mechanizmów kapilarnych w strukturze formy.

Korzystnie operację nakładania warstwy ochronnej na zewnętrzne powierzchnie formy piaskowej metodą osadzania prowadzi się metodą fizycznego (ang. PVD - Physical Vapour Deposition) lub chemicznego (ang. CVD - Chemical Vapour Deposition) osadzania z fazy gazowej.

Korzystnie proces infiltracji struktury formy piaskowej oraz proces nakładania powłoki ochronnej prowadzi się metodą natryskową lub zanurzeniową, manualnie lub automatycznie.

Korzystanie w procesie infiltracji struktury formy piaskowej jako materiał chemoutwardzalny stosuje się materiały żywiczne, a w szczególności żywice akrylowe, epoksydowe lub poliuretanowe.

Korzystnie w procesie infiltracji struktury formy piaskowej jako materiał termoutwardzalny stosuje się silany, krzemiany, siloksany oraz hybrydowe układy zawierające mieszaniny tych materiałów.

Korzystnie w procesie nakładania warstwy ochronnej na zewnętrzne powierzchnie formy piaskowej jako materiał organiczny stosuje się materiały fluoropolimerowe na bazie PTFE Politetrafluoroetylen), PFA (Perfluoroalkoksy), FEP (Fluorowany Etylen - Propylen), ETFE (Kopolimer etylenu - tetrafluoroetylenu).

Korzystnie w procesie nakładania warstwy ochronnej na zewnętrzne powierzchnie formy piaskowej jako materiał nieorganiczny stosuje się materiały metaliczne oraz powłoki typu diamentopodobnego (DLC, Diamond-Like-Carbon).

Zaletą sposobu według wynalazku jest uzyskanie wzmocnienia mechanicznego struktury formy piaskowej oraz uniknięcie penetracji żywicy lub celulozy do formy podczas zalewania produktu wykonywanego z materiałów polimerowych lub formowania elementów z celulozy. Tak wykonana forma nadaje się do wielokrotnego użycia, co znacznie obniża koszty produkcji gotowych produktów. Sposób umożliwia uzyskanie zewnętrznej warstwy ochronnej na formie, odpornej na ścieranie oraz zapewniającej odpowiednie właściwości antyadhezyjne w stosunku do materiału użytego do formowania gotowego produktu. Ponadto, rozwiązanie to nie używa techniki próżniowej do infiltracji gniazda formy, co znacznie upraszcza proces, ponieważ jest prowadzony bez użycia technik wspomagających infiltrację formy oraz nakładania powłok ochronnych o charakterze antyadhezyjnym.

Sposób według wynalazku jest bliżej objaśniony na podstawie jego realizacji, w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia trzy etapowy A, B i C schemat blokowy realizacji sposobu, fig. 2 przedstawia formę piaskową 1 w stanie surowym po zakończeniu pierwszego etapu A realizacji sposobu według wynalazku, fig. 3 przedstawia formę piaskową w stanie po zakończeniu drugiego etapu realizacji B sposobu według wynalazku, w drugim sposobie wykonania formy 2b, fig. 5 przedstawia formę piaskową z powłoką ochronną 3 po zakończeniu trzeciego etapu C realizacji sposobu według wynalazku dla pierwszego sposobu wykonania formy 2a, a fig. 6 przedstawia formę piaskową z powłoką ochronną 3 po zakończeniu trzeciego etapu C realizacji sposobu według wynalazku dla drugiego sposobu wykonania formy 2b.

Sposób wykonywania form piaskowych zabezpieczonych powłoką ochronną obejmuje trzy etapy produkcji A, B i C, występujące po zrealizowaniu każdego z etapów kolejno.

Etap pierwszy A, polega na wykorzystaniu znanej technologii wydruku 3D w celu uzyskania surowej formy piaskowej 1 przeznaczonej do formowania gotowego produktu. Etap pierwszy A obejmuje nakładanie w technologii 3D wielu warstw piasku odlewniczego z mieszaniną aktywatora, przy zastosowaniu nadruku z żywicy dla każdej warstwy w celu wzmocnienia wnętrza struktury tak wytwarzanej formy surowej.

W etapie drugim B surową formę piaskową poddaje się procesowi infiltracji chemicznej przy użyciu materiału organicznego chemoutwardzalnego, termoutwardzalnego, światło-utwardzalnego, materiału nieorganicznego lub materiału hybrydowego organiczno-nieorganicznego, w celu uzyskania jednolitej wewnętrznej struktury 2 formy bez stosowania infiltracji próżniowej dla formy surowej. Substancje infiltrujące używane do poprawy zwięzłości formy są tak dobrane, aby zapewnić samoistną penetrację struktury formy piaskowej wykorzystującą mechanizmy kapilarne, bez konieczności stosowania technik próżniowych jako środka wspomagającego penetrację. Proces infiltracji przeprowadza się albo powierzchniowo 2a albo objętościowo 2b, przy czym w obu przypadkach proces nasączania prowadzi się wielokrotnie i tak długo, aż otrzyma się odpowiednią jakość struktury tzn. uzyska się pożądane zamknięcie porów, wyrównanie powierzchni oraz zmniejszenie chropowatości i zapewnienie gładkości powierzchni. Proces infiltracji prowadzony powierzchniowo polega na zastosowaniu substancji infiltrującej jedynie na zewnętrznej powierzchni formy 2a. Proces infiltracji prowadzony objętościowo polega na zastosowaniu substancji infiltrującej, która całkowicie przesiąka strukturę formy 2b. Etap infiltracji B surowej formy prowadzi się metodą natryskową, zanurzeniową lub inną, przy czym operację infiltracji prowadzi się automatycznie lub półautomatycznie.

Przykładowymi materiałami używanymi do infiltracji formy mogą być materiały chemoutwardzalne lub termoutwardzalne, takie jak: żywice akrylowe, żywice epoksydowe, żywice poliuretanowe, silany, krzemiany (w tym szkło wodne), siloksany, oraz układy hybrydowe zawierające kombinacje tych materiałów. Materiały chemoutwardzalne lub termoutwardzalne stosowane są do infiltracji formy surowej powinny charakteryzować się lepkością względem powietrza w przedziale od 10 mN/m (lub dyn/cm) do 200 mN/m (lub dyn/cm), mierzonych w temperaturze 20°C.

Następnie w etapie trzecim C formę po infiltracji 2 poddaje się procesowi nakładania zewnętrznej powłoki ochronnej, który to etap prowadzi się aż do uzyskania zewnętrznej powłoki 3 o strukturze ciągłej warstwy i o pożądanej właściwej grubości warstwy, charakteryzującej się własnościami antyadhezyjnymi w stosunku do materiału użytego do formowania gotowego produktu. Proces nanoszenia powłok ochronnych prowadzi się metodą natryskową, zanurzeniową, malowania proszkowego lub inną specjalistyczną metodą nanoszenia powłok, przykładowo metodą fizycznego (ang. PVD - Physical Vapour Deposition) lub chemicznego osadzanie z fazy gazowej (ang. CVD - Chemical Vapour Deposition), przy czym operację nakładania prowadzi się automatycznie lub półautomatycznie. Możliwe jest również zastosowanie sposobu manualnego nakładania powłoki, polegającego na użyciu pędzla lub wałka. Jako substancje do wykonania zewnętrznej powłoki ochronnej formy stosuje się materiały chemoutwardzalne, termoutwardzalne lub światłoutwardzalne, takie jak: materiały organicznego, przykładowo materiały fluoropolimerowe na bazie PTFE Politetrafluoroetylen), PFA (Perfluoroalkoksy), FEP (Fluorowany Etylen - Propylen), ETFE (Kopolimer etylenu-tetraflouroetylenu), materiały metaliczne oraz inne materiały nieorganiczne, przykładowo powłoki diamentopodobne DLC (ang. DLC - Diamon-Like-Carbon).

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wykonywania form piaskowych zabezpieczonych powłoką ochronną do odlewów z materiałów polimerowych obejmujący wydruk formy piaskowej w technologii 3D oraz infiltrację struktury formy piaskowej, znamienny tym, że proces infiltracji struktury formy powtarza się aż do uzyskania jednolitej struktury wewnętrznej (2a, 2b) formy, z pominięciem próżniowego zasysania żywicy infiltrującej przez warstwy piasku odlewniczego z mieszaniną aktywatora, przy czym proces infiltracji realizuje się poprzez nasączanie struktury formy surowej (1) materiałem chemoutwardzalnym lub termoutwardzalnym, sposobem powierzchniowym w warstwie zewnętrznej (2a) formy lub sposobem objętościowym w całej objętości struktury formy (2b), przy czym sposób obejmuje nakładanie warstwy ochronnej (3) na zewnętrzne powierzchnie formy piaskowej, które przeprowadza się dowolną metodą natryskową, zanurzeniową, malowania proszkowego lub metodą osadzania, przy czym jako materiał na powłokę ochronną stosuje się materiał o własnościach antyadhezyjnych w postaci materiału organicznego che moutwardzalnego, termoutwardzalnego, światło-utwardzalnego lub w postaci materiału nieorganicznego w tym metalu, a operację nakładania zewnętrznej powłoki ochronnej (3) prowadzi się aż do uzyskania jednolitej ciągłej powłoki z całkowitym zamknięciem porów w strukturze warstwy powierzchniowej formy.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do infiltracji struktury formy piaskowej (1) stosuje się materiał chemoutwardzalny lub materiał termoutwardzalny o lepkości w zakresie od 1x10^-4 Pa-s do 10 Pa-s oraz napięciu powierzchniowym względem powietrza zakresu od 10 mN/m (lub dyn/cm) do 200 mN/m (lub dyn/cm), mierzonymi w temperaturze 20°C, i tak dobranymi względem uziarnienia piasku stosowanego do wydruku formy (1), aby była zapewniona samoistna penetracja struktury formy piaskowej przy wykorzystaniu mechanizmów kapilarnych w strukturze formy.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że operację nakładania warstwy ochronnej (3) na zewnętrzne powierzchnie formy piaskowej metodą osadzania prowadzi się metodą fizycznego (ang. PVD - Physical Vapour Deposition) lub chemicznego (ang. CVD - Chemical Vapour Deposition) osadzania z fazy gazowej.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces infiltracji struktury formy piaskowej (1) oraz proces nakładania powłoki ochronnej (3) prowadzi się metodą natryskową lub zanurzeniową manualnie lub automatycznie.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w procesie infiltracji struktury formy piaskowej (1) jako materiał chemoutwardzalny stosuje się materiały żywiczne, a w szczególności żywice akrylowe; epoksydowe lub poliuretanowe.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w procesie infiltracji struktury formy piaskowej (1) jako materiał termoutwardzalny stosuje się silany, krzemiany, siloksany oraz hybrydowe układy zawierające mieszaniny tych materiałów.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w procesie nakładania warstwy ochronnej (3) na zewnętrzne powierzchnie formy piaskowej jako materiał organiczny stosuje się materiały fluoropolimerowe na bazie PTFE (Politetrafluoroetylen), PFA (Perfluoroalkoksy), FEP (Fluorowany Etylen - Propylen), ETFE (Kopolimer etylenu-tetrafluoroetylenu).
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w procesie nakładania warstwy ochronnej (3) na zewnętrzne powierzchnie formy piaskowej jako materiał nieorganiczny stosuje się materiały metaliczne typu powłoki diamentopodobne (DLC, Diamond-Like-Carbon).