WO2019141783A1 - Verfahren zur herstellung eines keramischen kerns für das herstellen eines gussteils mit hohlraumstrukturen sowie keramischer kern - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines keramischen kerns für das herstellen eines gussteils mit hohlraumstrukturen sowie keramischer kern Download PDF

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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • This invention relates in the field of investment casting verbes a method for producing a ceramic core for preparing the preparation, by means of a ceramic mold, a casting with cavity structures, which is adapted to form the ceramic core, using a 3D model of digital geometry coordinates of the casting as well as improving a sol chen ceramic core.
  • the invention improves the manufacture of all types of high quality castings, because it allows, much less limited in complexity and geometrical inaccuracy than heretofore, the image of a lost model in a lost form with lost cores, not just without molds for making the cores They need to be able to directly map the geometry of the cores, as is usually the case with Ceramic Injection Molding (CIM).
  • CIM Ceramic Injection Molding
  • it makes it possible even with much larger casting and in particular special core dimensions and / or smaller-sized and more complex details, in particular the cavity structures and the core thereof, the latter such as undercuts, than previously possible.
  • Investment casting is known to take place using a lost Mo model in a lost form, which is formed in the form of a disposable ceramic coating of the model.
  • the known method comprises the following steps:
  • investment casting of hollow metal parts is a lost-mold process and is also referred to as lost wax casting.
  • the manufacturing process then typically takes place in the following typical steps:
  • a core of ceramic material is obtained by ceramic injection molding (CIM) into a multi-part reusable injection mold, followed by debinding, firing and finishing.
  • CIM ceramic injection molding
  • the core forms, complementary (as negative), the geometry of the cavity in the later casting.
  • a wax pattern is produced around the core by wax injection molding into a multi-part reusable injection mold.
  • the core is inserted in the wax injection mold.
  • the wax model depicts the outer contour of the metal part that is to be poured.
  • the wax model together with the core, or several such wax models, shall become a structure (a guard cluster), a complete continuous casting grape added, namely with feeders (sprues) and sprues, as well as filters and in the case of DS and SX casting, for example, with starters, seed selectors and Keimlei.
  • the wax model is melted out of the dish, typically in a steam autoclave at elevated pressure.
  • the shell is fired at temperatures between 700 ° C and 1100 ° C. As a result, residues of wax and other organic substances are burned out, and the ceramic shell material comes the required strength. Inspection and repair will ensure that the shell is free of damage.
  • the shell is removed from the castings by chemical leaching and machining.
  • the components are separated from the sprue system.
  • the core is removed from the cavity of the metal casting by chemical leaching in a pressure autoclave.
  • Investment casting is one of the oldest known forming processes that was first used thousands of years ago to produce more detailed crafts from metals such as copper, bronze and gold. Industrial investment casting became common in the 1940s, when World War II increased the need for custom-made parts made from specialized metal alloys. Today, investment casting is commonly used in aerospace and power plant construction to produce gas turbine components such as blades and vanes with complex shapes and internal cooling channel geometries.
  • the manufacture of a gas turbine blade or nozzle made of investment casting usually involves the production of a Kerami rule mold with an outer ceramic shell with an In nen description corresponding to the wing shape, and one or more ceramic, within the outer ceramic shell positioning th cores, corresponding to the internal cooling channels to be formed within the wing.
  • Molten alloy is poured into the ceramic mold, then cooled and cured.
  • the outer ceramic shell and ceramic core or cores are then removed mechanically or chemically to expose the molded airfoil having the external profile shape and the internal cooling channel (in the shape of the or each one of the ceramic cores).
  • a common technique for retaining cores in mold assemblies is the positioning of small ceramic pins formed integrally with the mold or the core or both which protrude from the surface of the mold to the surface of the core and serve to position and support the core insert.
  • the holes are filled in the casting, for example by welding or the like, preferably with the alloy from which the casting is formed.
  • the cores can also be held by core locks and core marks, which are part of the respective core. If required, additional ceramic pins can be attached for stabilization.
  • the holes of additional ceramic supports can be welded shut. Functionally necessary holes (such as for cooling) can be left open.
  • platinum wire pins that come out of the shell and abut the core surface. These become part of the casting structure, only the length of the platinum pins projecting beyond the metal surface is removed during trimming.
  • the ceramic core is typically brought by injection molding (Ceramic Injection Molding - CIM), or injection molding of ceramic core material into the desired core shape.
  • the plastic injection molding compound for the ceramic core material comprises one or more ceramic powder components, a plastic binder and optional additives that are injection molded into a suitably shaped core molding tool.
  • a ceramic core is conventionally manufactured by injection molding by first forming the desired core mold in respective mold halves of the wear-resistant hardened steel core by precision machining, and then halving the mold to an injection volume corresponding to the desired core shape, followed by injecting ceramic molding compound in the injection volume under pressure he follows.
  • the molding composition contains a mixture of ceramic powder and binder as described. After the ceramic molding compound is cured to a "green", the mold is opened to release the green ling.
  • the green body mandrel After the green body mandrel has been removed from the mold, it is debindered and fired at high temperature in one or more steps to remove the volatile binder and achieve the desired density and strength of the core for use in casting of metallic material such as a nickel or cobalt based superalloy. These are normally used to cast single crystal gas turbine blades.
  • the fired ceramic core When casting the hollow gas turbine blades with internaldekanä len the fired ceramic core is placed in a ceramic investment casting shell mold to form the internal cooling channels in the casting.
  • the fired ceramic core in investment casting of hollow blades typically has a flow-optimized contour with a leading edge and a trailing edge of thin cross-section. Between these front and rear edge regions, the core may have elongate but differently shaped openings to form interior walls, steps, baffles, ribs, and similar profiles for defining and forming the cooling channels in the cast turbine blade.
  • the fired ceramic core is then used in the manufacture of the outer shell mold in the known lost wax process, the ceramic core in a model forming tool angeord net and a lost model is formed around the core, by injection under pressure of model material such as wax, Ther moplast or the like in the mold in the space between the core and the inner walls of the mold.
  • model material such as wax, Ther moplast or the like
  • the complete ceramic casting mold is made by positioning the ceramic core within the assembled mold of finely worked hardened steel (referred to as a wax mold or wax mold). model tool) which defines an injection volume corresponding to the desired shape of the blade to then inject melted wax into the wax pattern mold around the ceramic core.
  • a wax mold or wax mold finely worked hardened steel
  • model tool which defines an injection volume corresponding to the desired shape of the blade to then inject melted wax into the wax pattern mold around the ceramic core.
  • the wax mold is opened and removed, and it is given the ceramic core wrapped free of a wax model, which now speaks the blade shape ent.
  • the temporary model with the ceramic core in it is again subjected to steps to build up the shell mold on it.
  • the model / core assembly is repeatedly dipped in ceramic slurry, excess slurry is allowed to drain, sanded with ceramic stucco and then air dried to build up several ceramic layers that form the shell on the assembly.
  • the resulting sheathed model / core assembly is then subjected to the step of, for example, removing the model by steam autoclave to selectively remove the temporary or lost model so that the shell mold with the ceramic core disposed therein remains.
  • the mold shell is then fired at a high temperature to produce an adequate Fes activity of the mold shell for metal casting.
  • Molten metallic material such as a nickel or cobalt base superalloy
  • a nickel or cobalt base superalloy is poured into the preheated shell mold and solidified to produce a cast polycrystalline or monocrystalline grain casting.
  • the resulting cast blade sheet still contains the ceramic core so as to form the internal cooling channels after removal of the core.
  • the core can be removed by leaching in hot concentrated caustic or other conventional techniques.
  • the hollow cast metalli cal flow profile casting has emerged.
  • the manufacture of the mold and core are limited in the ability to reliably form fine details with sufficient resolution.
  • the known systems are very limited.
  • the core inserts are typically molded parts made using conventional spraying or molding of ceramics, followed by suitable firing techniques. It is in the nature of these ceramic cores that the accuracy is much lower than that achievable in metal casting processes. There is much greater shrinkage in common ceramic casting compositions or flaws such as a high tendency to crack, blister and other defects. There is therefore a high defect and reject rate resulting from uncorrectable defects caused by defective cores and core positioning. Or at least a great deal of reworking is required to correct the castings that lie outside the tolerances, if they are a correction by reworking, grinding and the like, accessible at all. The productivity and efficiency of the fine casting process are essentially limited by these limitations.
  • cores are conventionally taken gefer by the CIM process (Ceramic Injection Molding, ceramic injection molding).
  • CIM Ceramic Injection Molding, ceramic injection molding.
  • the complete geometry of the core is imaged by the injection molding tool After removal from the mold, the core is debinded and with a specific temperature curve (FIG. Firing temperatures typically between 1000 ° C and 1300 ° C) burned.
  • Finishing the cores for example, for removing burrs or for other corrections as required, is known to take place in various ways:
  • the post-processing is typically done manually with diamond grinding tools.
  • the CNC-based post-processing with diamond grinding tools is also known.
  • the cores are fixed by mechanical stapling in a device.
  • Casting cores are hereby manufactured according to the CIM method, wherein certain geometric details in the form of machining allowance are included in order to enable the subsequent realization by CNC milling.
  • CIM Compute Injection Molding
  • the core production by CIM requires the use of highly complex injection molding tools.
  • the high complexity of these tools corresponds to the complicated cooling circuits (for example with serpentines, turbulators, outlet channels, ...) inside high-pressure turbine blades.
  • the production of these tools is associated with high costs (often several hundred thousand euros) and long lead times (usually several months) until a tool for a new component geometry is available.
  • Foundry products rotary and static high-pressure turbine blades
  • Iterative adaptations of the component geometry often lead to a necessary change in the tool in the design process, which requires a correspondingly long time.
  • a shortening of the iterative geometry adjustments can in particular contribute to shorten the development cycles of gas turbines, so that manufacturers of gas turbines can react more quickly to the changing requirements of the market.
  • a method for precision casting of hollow components is described.
  • a casting core is made from a blank of ceramic material subtractive by CNC machining.
  • the ceramic blank material is already burned and must not be burned after the final contour has been produced by CNC machining.
  • this core is embedded in model wax and the wax model outer contour is again produced by CNC machining.
  • the conformational positioning of the coordinate systems of Kern and Wax model within tolerances of +/- 0.05 mm or better is ensured by the special mechanical structure of the CNC machining device.
  • the advantages of this technology included the fact that highly complex and high-precision injection molding tools were no longer required for the production of investment casting wax models with ceramic cores, which directly reproduced the component geometry and thus eliminated the associated costs and lead times.
  • the CIM-finished core blank could be contoured larger, because more complex geometries could be produced precisely in the later CNC step.
  • the direct CNC machining of the core in the Endkon structure already dimensioneile distortion and rejection avoided, as they occur in the previously (and still today) usual production of the core by means of CIM.
  • the blank according to this improved technology of the prior art was, as stated, also produced as usual by means of CIM.
  • a method for the production of casting cores in particular with complex geometries for use in investment casting of hollow metal parts (according to a 3D model of digital Geomet riekoordinaten of the respective casting).
  • Cast cores are used to model the geometry of the cavities in the component interior, such as cooling circuits with complex geometries.
  • the (preferably casting tool-free) production of the cores according to the invention preferably requires in particular no injection molded tools.
  • the shaping is done in particular by CNC milling in particular not close to final form blanks from geeigne tem ceramic material - particularly preferably in combination with core sections, which are produced 3D printing technology - and / or in combination with core sections, the are also produced by casting (the latter in particular to make particular special cores with overall dimensions to produce that were previously not so producible in this size).
  • “Casting production” in the sense according to the invention is therefore in particular also the molding of a ceramic semifinished product of the core containing any casting step (for example ceramic slip casting or ceramic injection molding CIM) in particular (but not necessarily) with excess, in particular over the entire surface of the final contour ( according to the geometry coordinates - ie in particular the entire surface of the final contour, which belongs to the forming surface of the core during the final casting - which therefore does not necessarily include, for example, flange surfaces or positioning reference surfaces), and then especially without partial (and consequently possibly also without at all a) mapping of the final contour (which, in turn, means that the excess can also be an image of the final contour, that is, an excess that only follows the criterion of being somehow any larger than the exact nominal dimension of the K) ns (according to the geometry data of the core), and thus possibly without any other criterion for the excess, such as an excess of a certain size or of a certain minimum size or size with a certain tolerance - ie that the outer contour
  • the cast ceramic part for example, in this embodiment is not yet useful as a final contour-accurate core, but only as a semi-finished.
  • "3D printing-technical production” in the sense of the invention can also be referred to as generative or additive production of a ceramic molding, for example.
  • the blanks in the casting process according to the invention are manufactured, for example, by slip casting of ⁇ ßri gene ceramic suspensions and subsequent firing of the ceramic moldings.
  • the usual in the traditional foundry technology CIM (Ceramic Injection Molding, ceramic injection molding) for the production of cores is preferably not used.
  • This method offers over the traditional method we sentliche advantages in terms of lead time, with the case of the first casting cores can be made with changed geometries, as well as with respect to the dimensional tolerances of the finished casting cores.
  • a method for producing a ceramic core for preparing the ceramic core for the manufacture of a casting with cavity structures adapted to form the ceramic core is described, using a 3D model of digital geometry coordinates of the casting in the method in a preferred embodiment comprising the following steps:
  • the total core at the joints can be composed of at least two core component regions. They can either all be produced by casting, with the casting manufacturing comprising the following steps:
  • At least one core component area beyond the joining point can be produced by 3D printing technology, in particular in order to be able to produce smaller and more complex details there, such as undercuts, such as undercuts, as being feasible by casting.
  • the definition follows the preferred rule to perform particularly finely detailed details or particularly small-sized and complex details in 3D printing technology, for example, to gain greater freedom in terms of gap widths, undercuts and the like of (for example, in CNC milling problematic) details , Design of the counter body for the in Fig. B) designated Fügestruk structure, so design of the first matching second Fu structure of the at least one cut or joint, with the second, in particular 3D printed, core component area is joined to the CNC-machined core body , (In particular, pressure-free or low-pressure) casting a Kerami rule core blank, with an oversize based on the core according to the geometry coordinates.
  • the method and the core characterized in that the casting process manufacturing part in step 1. by Schlickergie day, Druckschlickergie day, cold isostati crushing, hot isostatic pressing, uniaxialem pressing, hot casting, low pressure injection molding, gel casting, or extrusion takes place and / or in step 1.
  • the CNC machining is CNC milling.
  • the further method comprises the following steps:
  • 3D printing of at least one core component area in ceramic printing technology It can aluminum oxides are printed, vorzugswei se, but for example, a silicate used who the, namely preferably a ceramic material based on silicate ceramic, for example fused silica (SiO 2), possible with additions of other oxides.
  • the 3D printing process can be, for example, stereolithographically (SLA), laser selectively (selective laser sintering, SLS), by powder bed pressure (binder jetting) - or alternatively according to a Sin terkar from a plastic mass by means of ceramic injection molding (CIM ) respectively.
  • the positive connection of the core parts can be adjusted, for example, directly by the firing cycle of the outer contour mass or by a speci fically modified heat treatment guide to the desired final strength.
  • a core body is defined as such, since this can absorb the main parts of the force introductions currency ing of ingrowth, the growth and burning ofmindkon structure, but also during the metal casting and the metal solidification and can endure. Therefore, a ceramic in the CNC-shaped core body can be specifically used here, which speaks ent in their properties to the known, CIM-made core materials or identifies even higher strengths with proven releasability after casting.
  • Finely detailed core geometries for example exit edge channels or (at least) second core shells in multi-walled cooling image designs ("onion principle"), can then be produced in 3D printing technology with joining surfaces, resulting in even finer details and geometrically sophisticated elements, for example with undercuts , allows.
  • the realization of the casting core geometry and / or -Endkontur according to the invention can therefore be done completely and exclusively by CNC machining.
  • the production of the blank is preferably by slip casting of aqueous ceramic suspensions with subsequent drying and firing:
  • a ceramic core material suitable for use in SX (single crystal), DS (Directional Solidification) or Equiaxed vacuum investment casting is made from known raw materials.
  • the properties mechanical strength, high-temperature resistance, thermomechanical behavior from room temperature to over 1550 ° C, for example dilatometry and creep resistance, porosity, solubility in concrete Centered liquor can be adjusted in a suitable manner, adjust the proportions and particle size distributions of the individual mineral components in a suitable manner.
  • the formation of cristobalite due to crystallization of the main component fused silica can be limited to a low level by the mineralogical composition in conjunction with the firing curve.
  • the geometry of the blanks does not need to be close to final contour.
  • the blank has a machining allowance in particular on all geometry-relevant points of the final contour of 1 mm or larger.
  • the geometry of the blanks can be optimized for the best possible uniform and repeatable ceramic properties.
  • the feedstock for shaping the blanks may be a water-based ceramic suspension ("other possible solvents.") This is mixed from the individual raw material components of the ceramic core material, namely meh reren usually powdered ceramic raw materials, in particular special fused silica as the main component, as well as other oxides and organic additives.
  • the shaping of the blanks takes place, preferably, not as in the traditional casting core production by CIM, but by pressure-free or low-pressure casting in plaster molds.
  • the ceramic shaped bodies are dried and fired with a defined temperature curve. Firing temperatures are typically between 1000 ° C and 1300 ° C. The ceramic shaped bodies thereby obtain their own shafts of density, porosity and mechanical strength as required. Water and all organic additives are removed. The moldings obtained in this way have compared to the prior art, a much better, ho mogenes microstructure and are poor or even free of internal clamping voltages. This voids and cavity freedom as well as the favorable internal stress state are ideal conditions for the successful CNC machining.
  • the properties of density, porosity and mechanical strength of the fired blanks can be selectively modified by appropriate additives in a suitable concentration in the ceramic suspension (feedstock, slurry). This makes it possible to adapt the starting material in order to enable and optimize the processing by means of CNC machining and in the subsequent precision casting process.
  • the properties of density, porosity and mechanical strength of the fired blanks can also be set selectively locally. This also makes it possible to locally adapt the starting material in order to enable and optimize the processing by means of CNC machining and in the subsequent fine casting process in certain areas.
  • a treatment with organic or inorganic substances take place, which penetrate the Poren sharehoff me of the ceramic material or form a surface layer. These substances modify the mechanical, thermomechanical and chemical properties of the ceramic in a suitable manner.
  • the fen through the ceramic molding in a defined orientation which is favorable for the CNC machining.
  • the fixation of the blank for CNC machining is vorzugswei se by a device.
  • the device can fi x the blank at multiple locations or from multiple sides or from one side, thereby providing sufficient mechanical stability even on delicate areas of the core geometry.
  • the fixation of the blank for CNC machining is not mechanically by a releasable connection force, form and / or frictionally, but cohesively by tying with means of a suitable compound compound with the device.
  • the fixation of the blank for CNC machining can be temporarily supplemented by a removable investment material that adapts to the contour, or by temporary supports.
  • a removable investment material that adapts to the contour, or by temporary supports.
  • this mass can be used, which connects at the same time firmly both with the ceramic core material and with the metal (typically eg steel or aluminum) Vorrich the device.
  • the mass should not be attacked by the operating media possibly used during CNC machining (eg compressed air, oils, water, anti-corrosion agents). It is suitable, for example, "Nigrin 72111 Performance Filling Spatula".
  • the machining is done by CNC milling, ie in particular by means of a milling tool with defined cutting geometry and / or by CNC grinding, ie in particular by means of a grinding tool with abrasive coating.
  • the CNC tools are preferably, according to the machining of the abrasive core material wear with minimized tool wear, those with cutting polycrystalline diamond (PCD) or cubic boron nitride (CBN). Because possible deviations from the dimensional tolerances of the final contour as a result of ver schl redesign employment changes the cutting edge geometry can be avoided or kept low.
  • PCD polycrystalline diamond
  • CBN cubic boron nitride
  • the foundry technical use of an inventively Herge presented form includes, for example, single crystal, DS and Equiaxed vacuum investment casting only for example of turbine components made of nickel-based alloys.
  • An essential advantageous feature of the method according to the invention is the shaping only on the finished fired Kernmate rial.
  • a very high dimensional accuracy of the finished cores within within tolerances in the range ⁇ +/- 0.1 mm of the final contour he be targeted.
  • the above-described disadvantages in the traditional core production by means of CIM with respect to the dimensional stability and the yield are thereby eliminated.
  • the fully CNC-based realization of the core end contour also makes it possible, based on a newly obtained geometry, to produce first cores with a very short lead time, which are suitable for precision casting of investment-grade components without restrictions. Minor changes to an existing component geometry can now be implemented by simply modifying CAM and CNC programs without changing fixtures or blank geometry. The reaction times for such minor changes are therefore very short.
  • the core product has, in addition be particularly advantageous, on a significantly improved Materialhomo gentician and / or additionally locally adjusted special Materi aleigenschaften.
  • the possible way of fixing the Keramikroh- Lings in the CNC device also allows a significantly improved quality and improved ver the inventively manufactured cores.
  • Figure 1 to 7 are schematic views of successive
  • Steps of a method according to the invention for producing a casting the cavity structure has ren.
  • FIGS. 8a to c are schematic views of Ker nen invention from the side ( Figure 8a) and in two alterna tive sections,
  • Figure 9a and b are schematic views of an inventive
  • FIG. 7 These (highly schematic) figures illustrate the fabrication of a casting 2 (FIG. 7) having void structures 3, 3 '(using a 3D model, a three-dimensional CAD model of digital geometry coordinates, of the casting) on the example of a gas turbine blade 2 7 with internal cooling channels 3, 3 ', including the production of a ceramic core 4, 4' ( Figure 1, also using the 3D model of the casting).
  • the ceramic core 4, 4 ' is adapted to form the hollow space structures 3, 3'.
  • a core 4, 4 ' shown in FIG. 1 is produced according to the 3D model. 2
  • the core 4, 4 ' posi tioned in a processing holder 6.
  • Around the core around a vessel (volume) 8 is arranged and also positioned in the processing holder 6 and be strengthened.
  • model wax 10 is poured around the core 4 into the volume 8 in a next method step.
  • the volume 8 is larger than the casting cubature 12, and thus the model wax 10 is poured into the volume 8 around the core 4 on all sides, beyond the casting cubature 12.
  • the spatial position of the casting cubature 12 in the volume 8 is determined according to the 3D model of the cast component 2 (FIG. 7) by the position of the core 4 in the machining fixture 6.
  • the model material 10 is now in a next process step solidified around the core 4 and removed the volume 8.
  • the outer contour of a temporary (lost) model 14 of the casting 2 (FIG. 7) is made around the core 4, from which it stared model material 10 according to the 3D model by CNC. Milling (not shown).
  • the resulting wax model 14, with the core 4 therein is removed from the machining fixture 6 (for example, by releasing an adhesive bond or severing ceramic core material at the transition to the fixture).
  • the processing fixture 6 is no longer present in the next steps. Instead, the wax model 14 with core 4 is mounted on a so-called "wax cluster" (not shown), which images the gating system and mechanically fixes the model.
  • a ceramic mold 16 is carried on the outer contour of the lost model 14, thereby forming a positioning connection 18 of the ceramic mold 16 via a core mark 18 with the core 6, so that the ceramic mold 16 With respect to the core 4 dimensionally ge according to the 3D model (not shown) of the cast component 2 (Fig. 7) by the core mark 18 remains positioned.
  • the lost model 14 is removed from the ceramic mold 16 around the core 4 (both of which are further held by the locating joint 18 and positioned relative to each other).
  • a hollow mold 20 is ent between the surface of the ceramic core 4 and the inner surface 14 of the ceramic mold 16.
  • the actual (after casting to be destroyed, so "lost") mold is fertigge presents.
  • molten metal (not shown) is poured into it. Subsequently, this is allowed to cool. The molten metal (not shown) solidifies to the solid casting 2, which is visible in FIG. 7 in a next step (by removing the lost ceramic mold 16 and the kera mixing core 4 of the casting 2) and as a component with one (the core 4 exactly corresponding) cavity structure 22 is available with great dimensional accuracy.
  • the method of manufacturing the ceramic core 4, 4 'shown in FIG. 1 now serves, so to speak, to prepare the actual production by casting (according to FIGS. 6 and 7) of the casting 2 with cavity structures 3, 3', as described above, by inserting a initial process section for making the core 4, 4 'as a constituent of the (lost) mold 16 of the casting 2, to which the subsequent process sections (according to FIGS. 2 to 6) for producing the (lost) mold 16 of the casting 2 follow - and thereby orient geo metrically with high precision as described.
  • This particular method of manufacturing the ceramic core 4, 4 'shown in FIG. 1 and also the cores 4, 4' according to FIGS. 8-10 is based on the production of the ceramic core from (at least) two subregions 4 and 4 '. and comprises the following steps: a) producing the first subregion 4 of the ceramic core - by casting - including at least one first joining structure 24 in a surface of the subregion; b) producing at least a second portion 4 'of the ceramic core - namely 3D printing technology - finally at least one second, to the first Fu structure 24 matching joint structure 26 in a Oberflä surface of the second portion 4'; c) joining the at least one first portion 4 and the at least one second portion 4 'of the core to the mating joining structures 24, 26 to the core according to geometry coordinates of the casting.
  • the casting production comprises the following steps: i. Pressure-free or at least low pressure casting a Kerami's blank of the core portion 4 pour by slip, Druckschlickergie day, cold isostatic pressing, hot isostatic pressing, uniaxial pressing, H adoptedgie Shen, low-pressure injection molding, gel casting or Extrudie ren, with excess based on the Geometriekoor coordinates of the core ; ii. CNC machining, in particular CNC milling of the core, according to the 3D model in a first CNC machining process.
  • At least one cut or joint 28 is defined, to which the Kerngeometriedetails casting technically as a one-piece core component area 4 or core body 4 (as I said, especially by means of a core blank and its subsequent CNC machining) to be made len.
  • the entire core 4, 4 'at the joints 28 from at least two core component regions 4, 4' are composed.
  • the core component regions 4, 4 ' can either all be produced by casting (for example in order to be able to exceed dimensional limits, for example the manufacturability of a one-piece overall core).
  • At least one core component area 4 'beyond the joint 28 is (as shown in the example Beispie len) 3D-produced by printing, in particular smaller sized and more complex details 29 (the latter as for example undercuts - or more complex cavities of the core (29 in Thus, webs or other massivities of more complex shape can be produced in the cavity (to be formed later by the core) of the component to be produced than can be realized by casting.
  • the selection of the core component regions 4 ', which are executed as "3D ceramics" in 3D printing technology, follows the preferred rule, For example, in order to obtain greater freedom in terms of gap widths, undercuts and the like of details (especially problematic in CNC milling), particularly finely detailed details or particularly small dimensioned and complex details can be performed in 3D printing technology.
  • the two core component areas are joined.
  • Preparatory steps can be included (alternative or cumulative): cleaning, drying, deburring, chemical surface treatment, application of adhesive 30.
  • FIG. 10 Shown schematically in FIG. 10 are variously designed joints 28 of the core component regions 4 and 4 'in positive engagement with clearance fit in the conical or wedge seat: without adhesion (FIG. 10a); with adhesion 30 (FIG. 10 b ff), namely in a cavity 32 formed in the joining surface 28 (FIG. 10 b); with adhesion in augmentedför shaped chambers 34, which cross the joining surface 28 (Figure 10c); with spacers 36, the form-fitting in grooves 38 sitting the joining contours 24, 26 keep at a distance for the adhesive 30, wel holes filled with the adhesive 30 ( Figure lOd).
  • the core component regions 4 and 4 ' can also be "locked" in a form-fitting manner, for example by a dovetail contour 40, (Fi gur 10e) and then possibly additionally glued.

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Abstract

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kerns (4, 4') - sowie ein mittels dieses Verfahrens hergestellter Kern - zum Vorbereiten der Herstellung eines Gussteils mit Hohlraumstrukturen, die zu formen der keramische Kern eingerichtet ist, unter Verwendung eines 3D-Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Gusstechnisches Herstellen mindestens eines ersten Teilbereichs (4) des keramischen Kerns einschließlich mindestens einer ersten Fügestruktur (24) in einer Oberfläche des Teilbereichs; b) Gusstechnisches oder 3D-Druck-technisches Herstellen mindestens eines zweiten Teilbereichs (4') des keramischen Kerns einschließlich mindestens einer zweiten, zu der ersten Fügestruktur passenden Fügestruktur (26) in einer Oberfläche des Teilbereichs, wobei das gusstechnische Herstellen die folgenden Schritte umfasst: i. Druckloses oder druckarmes Gießen eines keramischen Kernrohlings, und zwar mit Übermaß bezogen auf den Kern (4, 4') gemäß den Geometriekoordinaten; ii.CNC-Bearbeitung des Kerns (4, 4') gemäß dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Bearbeitungsverfahren; c) Zusammenfügen des mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Teilbereichs des Kerns an den zu einander passenden Fügestrukturen zu dem Kern gemäß Geometriekoordinaten des Gussteils.

Description

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kerns für das Herstel- len eines Gussteils mit Hohlraumstrukturen sowie keramischer Kern
Diese Erfindung betrifft auf dem Gebiet von Feinguss das Verbes sern eines Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Kerns zum Vorbereiten der Herstellung, mittels einer keramischen Form, eines Gussteils mit Hohlraumstrukturen, die zu formen der keramische Kern eingerichtet ist, unter Verwendung eines 3D-Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils sowie das Verbessern eines sol chen keramischen Kerns.
Die Erfindung verbessert das Herstellen aller Arten von hochwerti gen Gussteilen, denn es ermöglicht, erheblich weniger eingegrenzt in deren Komplexität und Geometriegenauigkeit als bisher, das Bil den eines verlorenen Modells in einer verlorenen Form mit verlore nen Kernen, nicht nur ohne Formen zum Herstellen der Kerne verwen den zu müssen, welche direkt die Geometrie der Kerne abbilden, wie üblicherweise mittels Ceramic Injection Molding (CIM) . Zudem er möglicht es dies sogar mit weitaus größeren Gussteil- und insbe sondere Kern-Abmessungen und/oder kleiner dimensionierten und kom plexeren Details insbesondere der Hohlraumstrukturen und des Kerns dafür, letzteres wie zum Beispiel Hinterschnitten, als bislang möglich .
Feinguss findet bekanntlich unter Verwendung eines verlorenen Mo dells in einer verlorenen Form statt, die in Gestalt einer einmal verwendbaren Keramikbeschichtung des Modells gebildet wird. Das bekannte Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
1. Herstellung eines positiven Modells (in der gleichen Gestalt wie das zu produzierende Gussteil) aus hartem oder elastischem Material ;
2. Herstellung einer temporären Form durch Gießen einer Flüssig keit über das Modell und Abkühlen bis zu ihrer Erstarrung; 3. Extrahieren des Modells;
4. Bilden eines temporären Modells durch Gießen einer zweiten Flüssigkeit in den Hohlraum der temporären Form und Abkühlen bis zu Ihrer Erstarrung;
5. Schmelzen oder Lösen der temporären Form;
6. Keramische Beschichtung des temporären Modells, um eine feste Keramikschale um das temporäre Modell auszubilden;
7. Schmelzen oder Lösen des temporären Modells und Evakuieren der dabei anfallenden Flüssigkeit aus der Keramikschale;
8. Füllen des Hohlraums der Schale mit geschmolzenem Metall und erstarren lassen, um so das endgültige Gussteil zu bilden.
Im Einzelnen ist Feinguss von hohlen Metallteilen ein Verfahren der verlorenen Form und wird auch als Wachsausschmelzverfahren be zeichnet. Der Herstellungsprozess läuft dann Industrie-typisch in den folgenden Schritten ab:
1. Ein Kern aus keramischem Material wird durch Keramikspritzguss (CIM) in eine mehrteilige wiederverwendbare Spritzgussform, sowie durch nachfolgendes Entbindern, Brennen und Finishen, erhalten. Der Kern bildet, komplementär (als Negativ), die Ge ometrie des Hohlraums im späteren Gussteil ab.
2. Ein Wachsmodell wird um den Kern herum durch Wachsspritzguss in eine mehrteilige wiederverwendbare Spritzgussform erzeugt. Der Kern ist dabei in die Wachs-Spritzgussform eingelegt. Das Wachsmodell bildet die Außenkontur des Metallteils ab, das ge gossen werden soll.
3. Das Wachsmodell mitsamt Kern, oder mehrere solche Wachsmodel le, werden zu einem Aufbau (einer Wachstraube) , einer voll- ständigen Gießtraube ergänzt, nämlich mit Speisern (Angüssen) und Gießtrichter, sowie Filtern und im Fall von DS- und SX- Guss zum Beispiel mit Startern, Keimselektoren und Keimlei tern .
4. Auf der Wachstraube wird eine keramische Schale aufgebaut durch Tauchen in Keramiksuspension (Schlicker) und nachfolgen des Besanden und Trocknen. Tauchen, Besanden und Trocknen wer den mehrmals wiederholt, bis die erforderliche Schalendicke erreicht ist.
5. Das Wachsmodell wird aus der Schale ausgeschmolzen, typischer weise in einem Dampfautoklaven bei erhöhtem Druck.
6. Die Schale wird gebrannt, bei Temperaturen zwischen 700 °C und 1100 °C. Dadurch werden Reste von Wachs und anderen organischen Substanzen ausgebrannt, und das keramische Schalenmaterial be kommt die erforderliche Festigkeit. Durch Inspektion und Aus besserung wird sichergestellt, dass die Schale frei von Be schädigungen ist.
7. In die Schale wird geschmolzenes Metall gegossen. Nachfolgend findet Erstarrung des Metalls und weiteres Abkühlen statt.
8. Die Schale wird von den Gussteilen entfernt, und zwar durch chemisches Laugen und mechanische Bearbeitung. Die Bauteile werden vom Angusssystem abgetrennt.
9. Der Kern wird durch chemisches Laugen in einem Druckautoklaven aus dem Hohlraum des Metall-Gussteils entfernt.
10. Alle Reste von überstehendem Metall werden vom Bauteil ent fernt .
Die meisten Hersteller von Gasturbinen arbeiten an verbesserten mehrwandigen und dünnwandigen Gasturbinenschaufeln aus Superlegie rungen. Diese weisen komplizierte Luftkühlungskanäle auf, um die Effizienz der Schaufelinnenkühlung zu verbessern, um mehr Schub zu ermöglichen und eine zufriedenstellende Lebensdauer zu erzielen. Die US-Patente 5.295.530 und 5.545.003 richten sich auf verbesser te mehrwandige und dünnwandige Gasturbinenschaufel-Designs, die zu diesem Zweck komplizierte Luftkühlkanäle aufweisen.
Feinguss ist einer der ältesten bekannten Urformungsprozesse, der vor Tausenden von Jahren erstmals verwendet wurde, um detaillier tes Kunsthandwerk aus Metallen wie Kupfer, Bronze und Gold zu pro duzieren. Industrieller Feinguss wurde gebräuchlich in den 1940er Jahren, als der Zweite Weltkrieg den Bedarf an maßgenauen Teilen aus spezialisierten Metalllegierungen steigerte. Heute findet Feinguss häufig in der Luftfahrt- und im Energieanlagenbau Verwen dung, um Gasturbinenkomponenten wie Schaufeln und Leitflächen mit komplexen Formen und internen Kühlkanalgeometrien zu erzeugen.
Die Herstellung einer Gasturbinenlaufschaufel oder Leitschaufel aus Feinguss umfasst üblicherweise die Herstellung einer kerami schen Gießform mit einer äußeren keramischen Schale mit einer In nenfläche, die der Flügelform entspricht, und einem oder mehreren keramischen, innerhalb der äußeren keramischen Schale positionier ten Kernen, entsprechend den internen Kühlkanälen, die innerhalb der Tragfläche auszubilden sind. Geschmolzene Legierung wird in die keramische Gießform eingegossen, kühlt dann ab und härtet aus. Die äußere Keramikschale und der oder die keramischen Kerne werden dann auf mechanischem oder chemischem Wege entfernt, um das gegos sene Schaufelblatt mit der externen Profilform und den Hohlformen der internen Kühlkanäle (in der Gestalt des oder der keramischen Kerne) freizulegen.
Es gibt eine Vielzahl von Techniken zur Bildung von Formeinsätzen und Kernen mit durchaus komplizierten und detailreichen Geometrien und Abmessungen. Eine ebenso vielfältige Reihe von Techniken wird eingesetzt, um die Einsätze in den Formen zu positionieren und zu halten. Eine weit verbreitete Technik zum Halten von Kernen in Formanordnungen ist das Positionieren von kleinen Keramikstiften, die einstückig mit der Form oder dem Kern oder beiden ausgebildet sein können und die von der Oberfläche der Form zur Oberfläche des Kerns ragen und dazu dienen, den Kerneinsatz zu positionieren und zu stützen. Nach dem Gießen werden die Löcher in dem Gussteil gefüllt, beispielsweise durch Schweißen oder dergleichen, bevorzugt mit der Legierung, aus der das Gussteil ausgebildet ist. Die Kerne können auch durch Kernschlösser und Kernmarken gehalten sein, die Teil des jeweiligen Kerns sind. Bei Bedarf können zusätzlich Keramikstifte zur Stabilisierung angebracht werden. Die Löcher von zusätzlichen Keramik-Stützen können zugeschweißt werden. Funktionsbedingt notwendige Löcher (etwa zur Kühlung) können offen gelassen werden.
Eine weitere Möglichkeit zur zusätzlichen Stützung (bei Gussteilen aus Nickelbasislegierung) sind Pins aus Platindraht, die aus der Schale kommen und an der Kern-Oberfläche anliegen. Diese werden Bestandteil des Gussteil-Gefüges, lediglich die über die Metall- Oberfläche überstehende Länge der Platin-Pins wird beim Zurichten entfernt .
Der Keramikkern wird typischerweise durch Spritzgießen (Ceramic Injection Molding - CIM) , oder Spritzpressen von keramischem Kern material in die gewünschte Kerngestalt gebracht. Die plastische Spritzmasse für das keramische Kernmaterial umfasst eine oder meh rere keramische Pulverkomponenten, ein plastisches Bindemittel und optional Zusätze, die in ein entsprechend geformtes Kernformwerk zeug spritzgegossen werden.
Ein keramischer Kern wird üblicherweise mittels Spritzguss herge stellt, indem zuerst die gewünschte Kernform in entsprechenden Gießformhälften des Kerns aus verschleißbeständigem gehärtetem Stahl durch Präzisionsbearbeitung ausgebildet wird, und die Form hälften dann zu einem Injektionsvolumen entsprechend der gewünsch ten Kernform zusammengebracht werden, woraufhin das Einspritzen keramischer Formmasse in das Injektionsvolumen unter Druck er folgt . Die Formmasse enthält wie beschrieben eine Mischung aus Keramik pulver und Bindemittel. Nachdem die keramische Formmasse zu einem „Grünling" ausgehärtet ist, wird die Form geöffnet, um den Grün ling freizugeben.
Nachdem der Grünkörper-Formkern aus der Form entfernt wurde, wird er bei hoher Temperatur in einem oder mehreren Schritten entbin- dert und gebrannt, um das flüchtige Bindemittel zu entfernen und die gewünschte Dichte und Festigkeit des Kerns zu erzielen, und zwar zur Verwendung beim Gießen von metallischem Material wie bei spielsweise einer Nickel- oder Kobalt- basierten Superlegierung. Diese werden normalerweise verwendet, um Einkristall- Gasturbinenschaufeln zu gießen.
Beim Gießen der hohlen Gasturbinenschaufeln mit inneren Kühlkanä len wird der gebrannte Keramikkern in eine keramische Feingieß schalenform positioniert, um die internen Kühlkanäle im Gussteil auszubilden. Der gebrannte keramische Kern im Feinguss von hohlen Schaufeln hat typischerweise eine strömungsoptimierte Kontur mit einer Anströmkante und einer Abströmkante von dünnem Querschnitt. Zwischen diesen vorderen und hinteren Randbereichen kann der Kern längliche, aber auch anders geformte Öffnungen aufweisen, um so Innenwände, Stufen, Umlenkungen, Rippen und ähnliche Profile zu bilden zum Abgrenzen und Herstellen der Kühlkanäle in der gegosse nen Turbinenschaufel .
Der gebrannte keramische Kern wird dann bei der Herstellung der äußeren Formschale im bekannten Wachsausschmelzverfahren einge setzt, wobei der Keramikkern in einem Modellformwerkzeug angeord net und ein verlorenes Modell um den Kern gebildet wird, und zwar durch Einspritzen unter Druck von Modellwerkstoff wie Wachs, Ther moplast oder dergleichen in die Form in den Raum zwischen dem Kern und den Innenwänden der Form.
Die vollständige Gießform aus Keramik wird durch Positionieren des Keramikkerns innerhalb der zusammengefügten Form aus feinbearbei tetem gehärteten Stahl (bezeichnet als Wachsmodellform oder Wachs- modellwerkzeug) gebildet, die ein Einspritzvolumen definiert, das der gewünschten Form der Schaufel entspricht, um dann geschmolze nes Wachs in die Wachsmodellform um den keramischen Kern einzu spritzen. Wenn das Wachs erstarrt ist, wird die Wachsmodellform geöffnet und entfernt, und sie gegeben den keramischen Kern frei umhüllt von einem Wachsmodell, das jetzt der Schaufelform ent spricht .
Das temporäre Modell mit dem keramischen Kern darin wird wieder holt Schritten zum Aufbau der Schalenform darauf unterworfen.
Zum Beispiel wird die Modell/Kern-Baugruppe wiederholt in Keramik schlicker eingetaucht, überschüssiger Schlicker wird abfließen ge lassen, mit Keramikstuck besandet und dann luftgetrocknet, um meh rere keramische Schichten aufzubauen, die auf der Anordnung die Formschale bilden. Die resultierende umhüllte Modell/Kern- Anordnung wird dann dem Schritt, das Modell zum Beispiel per Dampfautoklav zu entfernen, unterzogen, um gezielt das temporäre oder verlorene Modell zu beseitigen, so dass die Formschale mit dem darin angeordneten Keramikkern übrig bleibt. Die Formschale wird dann bei hoher Temperatur gebrannt, um eine angemessene Fes tigkeit der Formschale für den Metallguss herzustellen.
Geschmolzenes metallisches Material wie eine Nickel- oder Kobalt- Basis-Superlegierung wird in die vorgewärmte Schalenform gegossen und erstarrt, um ein Gussteil mit polykristallinem oder einkris tallinem Korn zu erzeugen. Das resultierende gegossene Schaufel blatt enthält noch den keramischen Kern, um so nach Entfernen des Kerns die internen Kühlkanäle auszubilden. Der Kern kann durch Auslaugen in heißer konzentrierter Alkalilauge oder andere her kömmliche Techniken entfernt werden. Das hohl gegossene metalli sche Strömungsprofil-Gussteil ist entstanden.
Dieses bekannte Feingussverfahren ist teuer und zeitaufwendig. Mit der Entwicklung eines neuen Schaufeldesigns sind typischerweise viele Monate und Hunderttausende von Dollar Investition verbunden. Darüber hinaus sind Design-Entscheidungen limitiert durch verfah- rensbedingte Einschränkungen bei der Herstellung von keramischen Kernen etwa wegen deren Fragilität sowie durch die zeitaufwändige Herstellung bei detailreichen oder großen Kernen. Die Metall verarbeitende Industrie hat diese Grenzen zwar erkannt und hat zu mindest einige graduelle Verbesserungen entwickelt wie zum Bei spiel das verbesserte Verfahren zum Gießen von Kühlkanälen an ei ner Schaufelabströmkante in US-Patent Nr. 7.438.527. Da der Markt aber nach immer höherer Effizienz und Leistung von Gasturbinen verlangt, werden die Grenzen der bestehenden Feingussprozesse im mer problematischer.
Feingusstechniken sind anfällig für eine Reihe von Ungenauigkei ten. Während Ungenauigkeiten an der Außenkontur sich oft mit her kömmlichen Fertigungstechniken korrigieren lassen, sind diejenigen an internen strukturellen Formen von Kernen schwierig und oft so gar unmöglich zu beseitigen.
Interne Ungenauigkeiten ergeben sich aus bekannten Faktoren. Dies sind in der Regel Ungenauigkeiten beim Herstellen der Kernstruk tur, Ungenauigkeiten beim Umspritzen des Kerns im Wachswerkzeug während der Fertigung, Montage der Form, unerwartete Veränderungen oder Defekte durch Ermüdung der keramischen Formen und Versagen der Schale, des Kerns oder der Befestigungselemente während der Herstellung, Montage und Handhabung vor oder während des Gießvor gangs .
Die genaue Gestaltung, Dimensionierung und Positionierung des Kerneinsatzes wurde zum schwierigsten Problem bei der Herstellung von Formen. Diese Aspekte von Feinguss liegen der Erfindung zu Grunde, obwohl das Verfahren der vorliegenden Erfindung sich auch in anderer Technologie anwenden lässt.
Typischerweise sind die Herstellung von Gussform und Kern in der Möglichkeit, feine Details mit hinreichender Auflösung zuverlässig auszubilden, beschränkt. In Bezug auf die Genauigkeit der Positio nierung, zuverlässiger Abmessungen und auf die Erzeugung von kom- plexen und detailreichen Formen sind die bekannten Systeme sehr begrenzt .
Die Kerneinsätze sind in der Regel Formteile, hergestellt unter Verwendung von üblichem Spritzen oder Formen von Keramik, gefolgt von geeigneten Brenntechniken. Es liegt in der Natur dieser Kera mikkerne, dass die Genauigkeit wesentlich geringer ist als etwa die in Metallgießverfahren erreichbare. Es gibt weit größeres Schwinden in den üblichen Keramikgießmassezusammensetzungen oder Fehler wie eine große Neigung zu Rissbildung, Blasen und anderen Defekten. Es besteht daher eine hohe Fehler- und Ausschussrate, die sich aus unkorrigierbaren Mängeln ergibt verursacht durch feh lerhafte Kerne und Kernpositionierung. Oder zumindest ein hoher Aufwand beim Nacharbeiten wird erforderlich, um die Gussteile, die außerhalb der Toleranzen liegen, zu korrigieren, wenn sie einer Korrektur durch Nachbearbeitung, Schleifen und dergleichen, über haupt zugänglich sind. Die Produktivität und Effizienz des Fein gussverfahrens werden im Wesentlichen durch diese Einschränkungen begrenzt .
Ein weiterer limitierender Aspekt von Feinguss war immer auch die beträchtliche Vorlaufzeit für die Entwicklung der Formwerkzeuge üblicherweise aus Metall für die Kerne und das temporäre Modell sowie der damit verbundene hohe Aufwand. Die Entwicklung der ein zelnen Phasen des Formwerkzeugs, einschließlich insbesondere der Geometrie und der Abmessungen der Wachsformen, die Geometrie und Dimension des Grünkörpers und der Endgeometrie der gebrannten For men, insbesondere der Kerne, und die resultierende Konfiguration und Dimensionierung des Gussteils hergestellt in diesen Formwerk zeugen sind abhängig von einer Vielzahl von Variablen, einschließ lich Verzug, Schwindung und Rissbildung während der verschiedenen Herstellungsschritte und insbesondere während des Brennens der ke ramischen Grünkörper. Wie dem Fachmann auf dem Gebiet gut bekannt ist, sind diese Parameter nicht genau vorhersehbar, und die Ent wicklung der Feingussformen ist ein hoch iterativer und empiri scher Prozess von Versuch und Irrtum, der für komplexe Gussteile sich typischerweise über einen Zeitraum von zwanzig bis 50 Wochen erstreckt, bevor der Prozess in Betrieb genommen werden kann.
Daraus ergibt sich, dass komplexer Feinguss von Hohlkörpern, ins besondere für die Herstellung von Einzelteilen, beschränkt ist, und Gießen in beträchtlicher Stückzahl in der Regel nicht möglich ist aufgrund begrenzter Zykluszahlen des Verfahrens und seiner Elemente, insbesondere der Formwerkzeuge. Änderungen im Design der Gussteile erfordern Werkzeugnachbearbeitung entsprechenden Ausma ßes, und sind daher sehr teuer und zeitaufwendig.
Der Stand der Technik hat diesen Problemen Aufmerksamkeit ge schenkt und hat Fortschritte bei der Verwendung verbesserter kera mischer Zusammensetzungen gemacht, die das Auftreten solcher Prob leme zu einem gewissen Grad reduzieren.
Obwohl diese Techniken zu Verbesserungen geführt haben, gehen sie zu Lasten der Kosten des Gießvorgangs, und erreichen dennoch nicht alle erwünschten Verbesserungen.
Bei jenen Techniken, die ein Einwirken auf die Grünkörper und ins besondere ein maschinelles Bearbeiten der Grünkörper umfassen, hat die Erfahrung gezeigt, dass die Veränderungen in der Dimension beim Brennen der keramischen Körper dann immer noch eine Reihe von Ungenauigkeiten verursacht, die die Verwirklichung der angestreb ten Geometrie und Dimensionen der gebrannten Körper begrenzen. We gen der Fragilität der Grünlinge sind die Techniken, die einge setzt werden können, begrenzt, und in der Regel wird erhebliche Handarbeit erforderlich. Selbst mit den besten Vorsichtsmaßnahmen und größter Sorgfalt wird ein erheblicher Anteil der Kerne durch die Arbeitsvorgänge schließlich zerstört.
Aber, besonders nachteilig, erreichen die Bemühungen des Standes der Technik selbst auf dem neuesten Stand wenig, um die Zykluszeit der Formwerkzeug-Entwicklung zu verbessern, oder um die Anzahl der notwendigen Iterationen zu reduzieren, die für das Herstellen der endgültigen Formwerkzeuge in der erforderlichen Genauigkeit der Form und Abmessungen benötigt wird. Der Stand der Technik liefert keine effektiven Techniken zum Überarbeiten der Form von Schale und Kernen, die außerhalb der Spezifikationen liegen, oder um die Formen für Design-Änderungen zu verändern, ohne den Formwerkzeug- Entwicklungsprozess erneut aufzunehmen.
Wie schon angedeutet, werden Gießkerne herkömmlich nach dem CIM- Verfahren (Ceramic Injection Molding, Keramikspritzguss) gefer tigt. Ein keramischer „Feedstock", der mittels Beimischung von Wachs und weiteren Zusätzen plastifiziert ist, wird unter Druck in ein Spritzgusswerkzeug eingespritzt. Die vollständige Geometrie des Kerns wird durch das Spritzgusswerkzeug abgebildet. Nach dem Entformen wird der Kern entbindert und mit einer bestimmten Tempe raturkurve (Brenntemperaturen typischerweise zwischen 1000 °C und 1300°C) gebrannt.
Eine Nachbearbeitung (Finishing) der Kerne zum Beispiel zum Ent fernen von Graten oder für anderweitige Korrekturen nach Bedarf erfolgt bekanntlich auf verschiedene Weise:
- Die Nachbearbeitung erfolgt typischerweise manuell mit Diamant schleifwerkzeugen .
- Die CNC-gestützte Nachbearbeitung mit Diamantschleifwerkzeugen ist ebenso bekannt. Die Kerne werden hierbei durch mechanisches Klammern in eine Vorrichtung fixiert.
- Auch eine partielle Realisierung von bestimmten geometrischen Details von Gießkernen durch CNC-Fräsen ist bekannt. Gießkerne werden hierbei nach dem CIM-Verfahren gefertigt, wobei bestimm te geometrische Details in Form von Bearbeitungsaufmaß einge schlossen sind, um die nachträgliche Realisierung durch CNC- Fräsen zu ermöglichen.
Dies hat folgende Nachteile: Bei der traditionellen Kernfertigung durch CIM erfolgt die Formgebung von Kernen in der Endkontur als Grünkörper. Ein nachfolgender Entbinderungs- und Brennvorgang ist notwendig, um die gewünschten Eigenschaften des Kernmaterials zu erzielen. Die Kerne erfahren hierbei Deformationen durch Schwin dungseffekte, die durch Freisetzung von inneren Spannungen und möglicherweise Belastung unter dem Eigengewicht verursacht werden. Ein typischer Effekt, der hierbei zu dimensioneilen Abweichungen und Ausschuss von Gießkernen führt, ist eine Torsion (englisch „warping") der Geometrie.
Außerdem erfordert die Kernfertigung durch CIM (Ceramic Injection Molding) den Einsatz von hochkomplexen Spritzgusswerkzeugen. Die hohe Komplexität dieser Werkzeuge entspricht den komplizierten Kühlkreisläufen (zum Beispiel mit Serpentinen, Turbulatoren, Aus trittskanälen, ...) im Inneren von Hochdruck-Turbinenschaufeln. Die Fertigung dieser Werkzeuge ist verbunden mit hohen Kosten (nicht selten mehrere hunderttausend Euro) und langen Vorlaufzeiten (von üblicherweise mehreren Monaten) , bis ein Werkzeug für eine neue Bauteilgeometrie verfügbar ist. Gießereiprodukte (rotierende und statische Hochdruck-Turbinenschaufeln) für den Bau zum Beispiel von Gasturbinen sind dadurch erst nach einer Zeit von typischer weise ein bis zwei Jahren verfügbar. Iterative Anpassungen der Bauteilgeometrie führen im Konstruktionsprozess oft zu einer er forderlichen Änderung am Werkzeug, die eine entsprechend lange Zeit benötigt. Eine Verkürzung der iterativen Geometrie- Anpassungen kann insbesondere dazu beitragen, die Entwicklungszyk len von Gasturbinen zu verkürzen, damit Hersteller von Gasturbinen schneller auf die wechselnden Anforderungen des Marktes reagieren können .
In der W02015/051916A1 , wird ein Verfahren zum Feinguss hohler Bauteile beschrieben. In diesem Verfahren wird ein Gießkern aus einem Rohling aus keramischem Material subtraktiv durch CNC- Bearbeitung hergestellt. Das keramische Rohling-Material ist schon in gebranntem Zustand und muss nach der Erzeugung der Endkontur durch CNC-Bearbeitung nicht mehr gebrannt werden. Nachfolgend wird dieser Kern in Modellwachs eingebettet und die Wachsmodell- Außenkontur wiederum durch CNC-Bearbeitung hergestellt. Die de ckungsgleiche Positionierung der Koordinatensysteme von Kern und Wachsmodell innerhalb von Toleranzen von +/- 0,05 mm oder besser wird durch den besonderen mechanischen Aufbau der CNC- Bearbeitungsvorrichtung gewährleistet .
Die Vorteile dieser Technologie bestanden unter anderem darin, dass zur Fertigung von Feinguss-geeigneten Wachsmodellen mit kera mischen Kernen keine hochkomplexen und hochpräzisen Spritzguss werkzeuge mehr erforderlich waren, welche die Bauteil-Geometrie direkt abbilden und dadurch schon die damit verbundenen Kosten und Vorlaufzeiten entfallen konnten. Der CIM-gefertigte Kernrohling durfte größer konturiert sein, weil komplexere Geometrien im spä teren CNC-Schritt präzise hergestellt werden konnten. Weiterhin wurden durch die direkte CNC-Bearbeitung des Kerns in die Endkon tur bereits dimensioneile Verzerrungen und Ausschuss vermieden, wie sie bei der zuvor (und auch heute noch) üblichen Fertigung des Kerns mittels CIM auftreten. Der Rohling gemäß dieser verbesserten Technologie des Standes der Technik wurde allerdings, wie gesagt, auch wie üblich mittels CIM hergestellt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Feingussformen mit Formkernen, sowie die Formker ne, mit verbesserter Reproduzierbarkeit, Maßhaltigkeit, Genauig keit und Geschwindigkeit der Herstellung zu liefern.
Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 1 und von einem Kern mit den Merkmalen des Anspruch 2 ge löst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen ange geben .
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Fertigung von Gießkernen insbesondere mit komplexen Geometrien zur Anwendung im Feinguss von hohlen Metallteilen (gemäß einem 3D-Modell digitaler Geomet riekoordinaten des jeweiligen Gussteils) . Gießkerne werden einge setzt, um die Geometrie der Hohlräume im Bauteil-Inneren abzubil den wie etwa Kühlkreisläufe mit komplexen Geometrien. Die (vorzugsweise gusswerkzeuglose) Fertigung der Gießkerne gemäß der Erfindung erfordert vorzugsweise insbesondere keine Spritz guss-Werkzeuge. Die Formgebung erfolgt insbesondere durch CNC- Fräsen aus insbesondere nicht Endform-nahen Rohlingen aus geeigne tem keramischem Material - besonders bevorzugt in Kombination mit Kern-Teilbereichen, die 3D-Druck-technisch hergestellt sind - und/oder in Kombination mit Kern-Teilbereichen, die ebenfalls gusstechnisch hergestellt sind (letzteres insbesondere, um insbe sondere Kerne mit Gesamtabmessungen herstellbar zu machen, die bislang so in dieser Größe nicht produzierbar waren) .
„Gusstechnisches Herstellen" im erfindungsgemäßen Sinne heiß also insbesondere auch die irgendeinen Gießschritt (nur zum Beispiel Keramik-Schlickergießen oder keramisches Spritzgießen CIM) enthaltende Formgebung eines keramischen Halbzeugs des Kerns - insbesondere (aber nicht unbedingt) mit Übermaß insbesondere auf der gesamten Oberfläche der Endkontur (gemäß den Geometriekoordinaten - also insbesondere der gesamten Oberfläche der Endkontur, die zur Form gebenden Oberfläche des Kerns während des schließlichen Gießens gehört - was also nicht unbedingt zum Beispiel Flanschflächen oder Positionierreferenzflächen umfasst) , und dann also insbesondere auch ohne partielle (und folglich möglicherweise auch ohne überhaupt eine) Abbildung der Endkontur (was wiederum folglich bedeutet, dass auch das Übermaß ohne Abbildung der Endkontur sein kann, also ein Übermaß sein kann, das nur dem Kriterium folgt, überhaupt irgendwie größer zu sein als das genaue Sollmaß des Kerns (gemäß den Geometriedaten auch des Kerns) , also möglicherweise auch ohne irgendein anderes Kriterium für das Übermaß wie zum Beispiel ein Übermaß bestimmter Größe oder bestimmter Mindestgröße oder bestimmter Größe mit bestimmter Toleranz - dass also die Außenkontur des Halbzeugs nur dem Kriterium folgt, überall außerhalb der Kontur des Sollmaßes des Kerns zu liegen) - mit anschließender CNC-, nämlich zum Beispiel CNC-Fräsbearbeitung . Das gegossene Keramikteil ist zum Beispiel in dieser Ausgestaltung noch nicht als Endkontur-genauer Kern, sondern nur als Halbzeug dafür brauchbar. „3D-Druck-technisches Herstellen" im erfindungsgemäßen Sinne kann zum Beispiel auch als generative oder additive Fertigung eines keramischen Formkörpers bezeichnet werden.
Die Rohlinge im erfindungsgemäßen gusstechnischen Herstellungsver fahrensteil werden zum Beispiel durch Schlickergießen von wässri gen Keramiksuspensionen und anschließendem Brennen der keramischen Formkörper gefertigt. Das in der traditionellen Gießereitechnik übliche CIM-Verfahren (Ceramic Injection Molding, Keramikspritz guss) zur Fertigung von Kernen wird vorzugsweise nicht eingesetzt. Dieses Verfahren bietet gegenüber dem traditionellen Verfahren we sentliche Vorteile in Bezug auf die Vorlaufzeit, mit der zum Bei spiel erste Gießkerne mit geänderten Geometrien gefertigt werden können, sowie in Bezug auf die maßlichen Toleranzen der gefertig ten Gießkerne.
Erfindungsgemäß also ist ein Verfahren zur Herstellung eines kera mischen Kerns zum Vorbereiten der - sowie der keramische Kern für die - Herstellung eines Gussteils mit Hohlraumstrukturen, die zu formen der keramische Kern eingerichtet ist, unter Verwendung ei nes 3D-Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils - wo bei das Verfahren in einer bevorzugten Ausgestaltung die folgenden Schritte umfasst:
1. Definition im 3D-Modell mindestens einer Schnitt- oder Füge stelle, bis zu der die Kerngeometriedetails gusstechnisch als ein einstückiger Kernbauteilbereich oder Kerngrundkörper, ins besondere mittels eines Kernrohlings mit Übermaß und dessen anschließender CNC-Bearbeitung, ausgeführt werden. So kann der Gesamtkern an den Fügestellen erfindungsgemäß aus mindestens zwei Kernbauteilbereichen zusammengesetzt werden. Sie können entweder alle gusstechnisch hergestellt werden, wobei das gusstechnische Herstellen die folgenden Schritte umfasst:
i. Druckloses oder druckarmes Gießen eines keramischen Kern rohlings, und zwar mit Übermaß bezogen auf den Kern (4, 4') gemäß den Geometriekoordinaten; ii. CNC-Bearbeitung des Kerns (4, 4') gemäß dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Bearbeitungsverfahren,
zum Beispiel um Dimensionsgrenzen zum Beispiel der Herstell- barkeit eines einstückigen Gesamtkerns überschreiten zu kön nen. Oder mindestens ein Kernbauteilbereich jenseits der Füge stelle kann 3D-drucktechnisch hergestellt werden, insbesondere um dort kleiner dimensionierte und komplexere Details, letzte res wie zum Beispiel Hinterschnitte , hersteilen zu können, als gusstechnisch realisierbar. Design einer ersten (und (siehe unten 4.) einer dazu passenden zweiten) Fügestruktur der mindestens einen Schnitt- oder Füge stelle, zum Herstellen einer Verbindung mit einem weiteren Kernbauteilbereich . Gegebenenfalls: Definition im 3D-Modell der Kernbauteilberei che, welche als Keramik in 3D-Drucktechnik hergestellt werden. Die Definition folgt der bevorzugten Regel, besonders fein de taillierte Einzelheiten oder besonders klein dimensionierte und komplexe Details in 3D-Drucktechnik auszuführen, zum Bei spiel um größere Gestaltungsfreiheit bezüglich Spaltweiten, Hinterschnitten und ähnlichem von (zum Beispiel beim CNC- Fräsen problematischen) Details zu erhalten. Design des Gegenkörpers für die in b) bezeichnete Fügestruk tur, also Design einer zu der ersten passenden zweiten Fü gestruktur der mindestens einen Schnitt- oder Fügestelle, mit der der zweite, insbesondere 3D-gedruckte , Kernbauteilbereich, an den CNC-bearbeiteten Kerngrundkörper gefügt wird. (Insbesondere druckloses oder druckarmes) Gießen eines kerami schen Kernrohlings, und zwar mit Übermaß bezogen auf den Kern gemäß den Geometriekoordinaten.
Positionieren des Kernrohlings in einer Bearbeitungshalterung. 7. CNC-Bearbeitung des Kerns gemäß dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Bearbeitungsverfahren .
Vorzugsweise sind das Verfahren und der Kern, dadurch gekennzeich net, dass der gusstechnische Herstellungsverfahrensteil in Schritt 1. mittels Schlickergießen, Druckschlickergießen, kaltisostati schem Pressen, heißisostatischem Pressen, uniaxialem Pressen, Heißgießen, Niederdruck-Spritzgießen, Gelcasting, oder Extrudieren erfolgt und/oder dass in Schritt 1. Die CNC-Bearbeitung CNC-Fräsen ist .
Vorzugsweise umfasst das weitere Verfahren die folgenden Schritte:
8. 3D-Druck mindestens eines Kernbauteilbereichs in Keramikdruck technik. Es können Aluminiumoxyde gedruckt werden, vorzugswei se kann zum Beispiel aber eine Silikatkeramik eingesetzt wer den, nämlich vorzugsweise ein keramisches Material auf Basis von Silikatkeramik, zum Beispiel Fused Silica (Si02), möglich erweise mit Zusätzen anderer Oxide. Das 3D-Drucktechnische Verfahren kann zum Beispiel stereolithographisch (SLA) , Laser selektiv (Selective Laser Sintering, SLS), durch Pulverbett druck (Binder Jetting) - oder alternativ auch nach einem Sin terprinzip aus einer plastischen Masse mittels Ceramic Injec- tion Moulding (CIM) erfolgen.
9. Vorbereitung der beiden Fügeflächen oder Fügestrukturen zum Beispiel als Spielpassung mit oder auch ohne Keramikkleber.
10. Fügen der beiden Kernbauteilbereiche - zum Beispiel: durch ge eignete Positionierhalterungen für beide Teile; durch Form schluss nach dem Nut-Feder Prinzip; durch zylindrischen oder ovalen Stift (auch sternförmig, kegelig, oval oder einer Kom bination in symmetrischer oder asymmetrischer Ausführung) ins besondere auch im Formschluss an den Kerngrundkörper. Der Formschluss erfolgt vorzugsweise als Spielpassung, wobei eine enge Spielpassung bei reinem Formschluss, und eine weite Spielpassung bei der Nutzung eines Keramikklebers besonders bevorzugt ist. Alternativ zur direkten Weiterverarbeitung kann eine Wärmebe handlung zur Verbindung der beiden Keramikteile (sowie gegebe nenfalls des Klebers) erfolgen. Beibehalten der Positionierung (oder erneutes Positionieren) des Kerns in einer Bearbeitungshalterung; Gießen von Modellwerkstoff um den Kern herum in ein Volumen größer als (also insbesondere möglicherweise auch mit Übermaß, im oben dargestellten Sinne, bezogen auf die Geometriedaten de Gussteils) die Gussteilkubatur, welche gemäß dem 3D-Modell räumlich festgelegt ist durch die Position des Kerns in der Bearbeitungshalterung, und erstarren Lassen des Modellwerk stoffs . CNC-Herstellung einer Außenkontur eines verlorenen Modells des Gussteils aus dem erstarrten Modellwerkstoff um den Kern herum gemäß dem 3D-Modell in einem zweiten CNC- Herstellungsverfahren. Aufträgen einer keramischen Form auf die Außenkontur des ver lorenen Modells und Ausbilden einer positionierenden Verbin dung der keramischen Form mit dem Kern. Entfernen des verlorenen Modells aus der keramischen Form um den Kern. Der Formschluss der Kernteile kann zum Beispiel direkt durch den Brennzyklus der Außenkonturmasse oder durch eine spezi fisch abgewandelte Wärmebehandlungsführung auf die gewünschte Endfestigkeit eingestellt werden. Gießen von Metall in die keramische Form um den Kern. 19. Erstarren des geschmolzenen Metalls zu dem festen Gussteil und
20. Entfernen der keramischen Form und des Kerns von dem Gussteil.
Die Realisierung der Gießkern-Geometrie folgt hier folgenden Kri terien :
Vorzugsweise wird erfindungsgemäß ein Kerngrundkörper als solcher definiert, da dieser die Hauptanteile der Krafteinleitungen wäh rend des Einwachsens, des Auswachsens und Brennens der Außenkon tur, aber auch während des Metallgießens und der Metallerstarrung aufnehmen und ertragen kann. Daher kann hier gezielt eine Keramik im CNC-geformten Kerngrundkörper eingesetzt werden, die in ihren Eigenschaften den bekannten, CIM-gefertigten Kernwerkstoffen ent spricht oder noch höhere Festigkeiten bei bewährter Auslösbarkeit nach dem Gießen ausweist.
Fein detaillierte Kerngeometrien, zum Beispiel Austrittskantenka näle oder (mindestens) zweite Kernschalen bei mehrwandigen Kühl bildausführungen („Zwiebelprinzip") , können dann in 3D- Drucktechnik etwa mit Fügeflächen hergestellt werden, was nochmals feinere Details und geometrisch anspruchsvolle Elemente, zum Bei spiel mit Hinterschneidungen, ermöglicht.
Die Realisierung der Gießkern-Geometrie und/oder -Endkontur kann erfindungsgemäß also vollständig und ausschließlich durch CNC- Bearbeitung erfolgen. Die Fertigung des Rohlings erfolgt vorzugs weise durch Schlickergießen von wässrigen Keramiksuspensionen mit anschließendem Trocknen und Brennen:
Ein keramischer Kernwerkstoff, der für die Verwendung im SX- (Sin gle Crystal, Einkristall) , DS- (Directional Solidification, Ge richtete Erstarrung) oder Equiaxed Vakuumfeinguss geeignet ist, wird aus bekannten Rohstoffen hergestellt. Die Eigenschaften me chanische Festigkeit, Hochtemperatur-beständigkeit , thermomechani sches Verhalten von Raumtemperatur bis über 1550 °C, zum Beispiel Dilatometrie und Kriechfestigkeit, Porosität, Löslichkeit in kon- zentrierter Lauge lassen sich so in geeigneter Weise einstellen, die Anteile und Partikelgrößen-Verteilungen der einzelnen minera lischen Komponenten in geeigneter Weise anpassen. Insbesondere kann durch die mineralogische Zusammensetzung in Verbindung mit der Brennkurve die Bildung von Cristobalit in Folge von Kristalli sation der Hauptkomponente Fused Silica auf ein niedriges Niveau begrenzt werden.
Die Geometrie der Rohlinge braucht nicht Endkontur-nah zu sein. Vorzugsweise hat der Rohling ein Bearbeitungsaufmaß insbesondere auf allen Geometrie-relevanten Stellen der Endkontur von 1 mm oder größer .
Vorteilhaft lässt sich die Geometrie der Rohlinge optimieren für bestmöglich gleichmäßige und wiederholbare Keramikeigenschaften.
Der Feedstock zur Formgebung der Rohlinge kann eine Wasser basierte Keramiksuspension („Schlicker") sein (möglich sind aber auch andere Lösungsmittel) . Diese wird aus den einzelnen Rohstoff komponenten des keramischen Kernwerkstoffs gemischt, nämlich meh reren üblicherweise pulverförmigen keramischen Rohstoffen, insbe sondere Fused Silica als Hauptkomponente, sowie weiteren Oxiden und organischen Zusatzstoffen.
Die Formgebung der Rohlinge erfolgt, vorzugsweise, nicht wie in der traditionellen Gießkern-Fertigung durch CIM, sondern durch druckloses oder druckarmes Gießen in Gipsformen. Eine weitere Mög lichkeit, nämlich druckarmer Gußtechnik, ist erfindungsgemäß also Druckschlickergießen zum Beispiel in Formen aus einem porösen Kunststoff mit einer Druckschlickergussmaschine. Weitere mögliche Verfahren sind zum Beispiel CIP (Kaltisostatisches Pressen) , Heiß gießen, Niederdruck-Spritzguss, Gelcasting oder Trockenpressen.
Anschließend vorzugsweise also werden die keramischen Formkörper mit einer definierten Temperaturkurve getrocknet und gebrannt. Brenntemperaturen betragen typischerweise zwischen 1000 °C und 1300 °C. Die keramischen Formkörper erhalten dadurch ihre Eigen- schäften von Dichte, Porosität und mechanischer Festigkeit in der erforderlichen Weise. Wasser sowie alle organischen Zusatzstoffe werden dabei entfernt. Die auf diese Weise erhaltenen Formkörper weisen gegenüber dem Stand der Technik ein deutlich besseres, ho mogenes Gefüge auf und sind arm oder sogar frei von inneren Span nungen. Diese Lunker- und Hohlraumfreiheit sowie der günstige Ei genspannungszustand sind ideale Voraussetzungen für die erfolgrei che CNC-Bearbeitung .
Die Eigenschaften von Dichte, Porosität und mechanischer Festig keit der gebrannten Rohlinge können durch entsprechende Zusatz stoffe in geeigneter Konzentration in der Keramiksuspension (Feed- stock, Schlicker) gezielt modifiziert werden. Dies erlaubt es, das Vormaterial anzupassen, um die Verarbeitung durch CNC-Bearbeitung und im nachfolgenden Feinguss-Prozess zu ermöglichen und zu opti mieren .
Auch lokal lassen sich die Eigenschaften von Dichte, Porosität und mechanischer Festigkeit der gebrannten Rohlinge gezielt einstel len. Dies erlaubt es, das Vormaterial auch lokal anzupassen, um die Verarbeitung durch CNC-Bearbeitung und im nachfolgenden Fein guss-Prozess bereichsweise überhaupt zu ermöglichen und zu opti mieren. Zur lokalen Anpassung der Eigenschaften der gebrannten Rohlinge kann unter anderem eine Behandlung mit organischen oder anorganischen Substanzen erfolgen, welche in die Porenzwischenräu me des keramischen Materials eindringen oder eine Oberflächen schicht bilden. Diese Substanzen modifizieren die mechanischen, thermomechanischen und chemischen Eigenschaften der Keramik in ge eigneter Weise. Zur lokalen Anpassung der Eigenschaften der Kera mikrohlinge können aber auch zum Beispiel Keramikfasern, Glasfa sern, Kunstfasern, Naturfasern, Keramikfasergewebe, Glasfasergewe be, Kunstfasergewebe, Keramikstäbe, Glasstäbe oder Quarzstäbe in den Formkörper eingebettet werden. Mittels Beimischung zum Beispiel von Fasern ist übrigens auch eine Anpassung der Eigenschaften der Keramik nicht nur lokal, sondern insgesamt, „global" über den gesamten Formkörper verteilt, möglich, etwa indem man in die gesamte Keramiksuspension zum Beispiel Glasfasern gleichmäßig einmischt, bevor diese zum Schlickergießen verwendet wird .
Auch können zur lokalen Anpassung der Eigenschaften der Kera mikrohlinge Eigenschafts-Gradienten eingestellt werden, die den keramischen Formkörper in einer definierten Orientierung durchlau fen, die für die CNC-Bearbeitung günstig ist.
Betreffend die CNC-Bearbeitung in Schritt b) ergeben sich folgende Möglichkeiten und Vorteile:
Die Fixierung des Rohlings zur CNC-Bearbeitung erfolgt vorzugswei se durch eine Vorrichtung. Die Vorrichtung kann den Rohling an mehreren Stellen oder von mehreren Seiten oder von einer Seite fi xieren und gewährt dadurch ausreichende mechanische Stabilität auch an filigranen Bereichen der Kerngeometrie.
Alternativ erfolgt die Fixierung des Rohlings zur CNC-Bearbeitung nicht mechanisch durch eine lösbare Verbindung kraft-, form- und/oder reibschlüssig, sondern Stoffschlüssig durch Anbinden mit tels einer geeigneten Verbindungsmasse mit der Vorrichtung.
Vor oder nach teilweiser Durchführung der Bearbeitungsschritte zum vollständigen Kern kann die Fixierung des Rohlings zur CNC- Bearbeitung temporär durch eine wieder entfernbare Einbettmasse ergänzt werden, die sich der Kontur anpasst, oder durch temporäre Stützen. Zum Anbinden des Rohlings an die CNC-Vorrichtung kann ei ne hierzu spezialisierte Masse verwendet werden, die sich gleich zeitig fest sowohl mit dem keramischen Kern-Material als auch mit dem Metall (typischerweise z.B. Stahl oder Aluminium) der Vorrich tung verbindet. Zudem sollte die Masse nicht von den bei der CNC- Bearbeitung möglicherweise eingesetzten Betriebsmedien (z.B. Druckluft, Öle, Wasser, Korrosionsschutzmittel) angegriffen wer den. Es eignet sich zum Beispiel „Nigrin 72111 Performance Füll- Spachtel" . Die Bearbeitung erfolgt durch CNC-Fräsen, also insbesondere mit tels eines Fräswerkzeugs mit definierter Schneidengeometrie und/oder durch CNC-Schleifen, also insbesondere mittels eines Schleifwerkzeugs mit abrasivem Belag.
Die CNC-Werkzeuge sind vorzugsweise, entsprechend der Bearbeitung des abrasiven Kernwerkstoffs mit möglichst minimiertem Werkzeug verschleiß, solche mit Schneiden aus Polykristallinem Diamant (PKD) oder Kubischem Bornitrid (CBN) . Denn mögliche Abweichungen von den Dimensionstoleranzen der Endkontur als Folge von ver schleißbedingten Veränderungen der Schneidengeometrie können dadurch vermieden oder gering gehalten werden.
Die Gießereitechnische Verwendung einer erfindungsgemäß herge stellten Form umfasst zum Beispiel Einkristall-, DS- und Equiaxed- Vakuumfeinguss nur zum Beispiel von Turbinenbauteilen aus Nickel basis-Legierungen .
Eine wesentliche vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Formgebung erst am fertig gebrannten Kernmate rial . So kann eine sehr hohe Maßhaltigkeit der fertigen Kerne in nerhalb von Toleranzen im Bereich < +/- 0,1 mm der Endkontur er zielt werden. Die oben beschriebenen Nachteile bei der traditio nellen Kernfertigung mittels CIM in Bezug auf die Maßhaltigkeit und die Ausbeute werden dadurch beseitigt. Die vollständig CNC- basierte Realisierung der Kern-Endkontur ermöglicht es zudem, auf der Grundlage einer neu erhaltenen Geometrie mit sehr kurzer Vor laufzeit erste Kerne zu fertigen, die ohne Einschränkungen zur Produktion von kommerziell verwertbaren Bauteilen durch Feinguss geeignet sind. Geringfügige Änderungen einer bestehenden Bauteil geometrie können nun durch bloße Änderung an CAM- und CNC- Pro grammen und ohne Änderung von Vorrichtungen oder Rohling-Geometrie umgesetzt werden. Die Reaktionszeiten für solche geringfügigen Än derungen sind daher sehr kurz. Das Kernprodukt verfügt, zudem be sonders vorteilhaft, über eine deutlich verbesserte Materialhomo genität und/oder zusätzlich lokal eingestellte spezielle Materi aleigenschaften. Die mögliche Art der Fixierung des Keramikroh- lings in der CNC-Vorrichtung ermöglicht ferner eine deutlich ver besserte Qualität und Ausbeute der erfindungsgemäß gefertigten Kerne .
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden an hand der folgenden Abbildungen eines Ausführungsbeispiels der Er findung weiter beschrieben. Darin zeigen
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden an hand der folgenden Abbildungen eines Ausführungsbeispiels der Er findung weiter beschrieben. Darin zeigen
Figur 1 bis 7 schematische Ansichten aufeinander folgender
Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Gussteils, das Hohlraumstruktu ren aufweist.
Figur 8a bis c schematische Ansichten von erfindungsgemäßen Ker nen von der Seite (Figur 8a) und in zwei alterna tiven Schnitten,
Figur 9a und b schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen
Kerns von der Seite (Figur 9a) und im Schnitt und
Figur 10a bis e schematische Schnittansichten von Fügestellen von
Kernbauteilbereichen von erfindungsgemäßen Kernen.
Diese (höchst schematischen) Figuren illustrieren die Herstellung eines Gussteils 2 (Fig. 7) mit Hohlraumstrukturen 3, 3' (unter Verwendung eines 3D-Modells, nämlich eines dreidimensionalen CAD- Modells aus digitalen Geometriekoordinaten, des Gussteils) am Bei spiel einer Gasturbinenschaufel 2 (Fig. 7) mit inneren Kühlkanälen 3, 3', und zwar einschließlich der Herstellung eines keramischen Kerns 4, 4' (Fig. 1; ebenfalls unter Verwendung des 3D-Modells des Gussteils) . Der keramische Kern 4, 4' ist eingerichtet, die Hohl raumstrukturen 3, 3' zu formen. Unter Verwendung eines 3D-Modells eines Gussbauteils 2 (Fig. 7) wird in einem anfänglichen Verfahrensabschnitt (dazu später zu Fi gur 8 ff) ein in Figur 1 dargestellter Kern 4, 4' gemäß dem 3D- Modell hergestellt. Gemäß Fig. 2 wird in einem nächsten Verfah rensschritt der Kern 4, 4' in einer Bearbeitungshalterung 6 posi tioniert. Um den Kern herum wird ein Gefäß (Volumen) 8 angeordnet und ebenfalls in der Bearbeitungshalterung 6 positioniert und be festigt .
Gemäß Fig. 3 wird in einem nächsten Verfahrensschritt Modellwachs 10 um den Kern 4 herum in das Volumen 8 gegossen. Das Volumen 8 ist größer als die Gussteilkubatur 12, und so wird das Modellwachs 10 allseits bis über die Gussteilkubatur 12 hinaus um den Kern 4 herum in das Volumen 8 gegossen. Die räumliche Position der Gussteilkubatur 12 in dem Volumen 8 ist gemäß dem 3D-Modell des Gussbauteils 2 (Fig. 7) festgelegt durch die Position des Kerns 4 in der Bearbeitungshalterung 6. Gemäß Fig. 4 wird in einem nächs ten Verfahrensschritt der Modellwerkstoff 10 nun um den Kern 4 herum erstarren gelassen und das Volumen 8 entfernt.
Gemäß Fig. 5 wird in einem nächsten Verfahrensschritt die Außen kontur eines temporären (verlorenen) Modells 14 des Gussteils 2 (Fig. 7) um den Kern 4 herum hergestellt, und zwar aus dem er starrten Modellwerkstoff 10 gemäß dem 3D-Modell durch CNC-Fräsen (nicht dargestellt) .
Nach diesem Schritt wird das resultierende Wachsmodell 14, mit dem Kern 4 darin, aus der Bearbeitungshalterung 6 entnommen (zum Beispiel durch Lösen einer Klebeverbindung oder Durchtrennen kera mischen Kernmaterials am Übergang zur Halterung) . Die Bearbei tungshalterung 6 ist in den weiteren Schritten nicht mehr gegen wärtig. Stattdessen wird das Wachsmodell 14 mit Kern 4 auf eine sogenannte „Wachs-Traube" (nicht dargestellt) montiert, die das Angusssystem abbildet und das Modell mechanisch fixiert.
Die Anbindung des Kerns an die nun mit Bezug auf Figur 6 herzu stellende keramische Schale 16 wird mittels sogenannter „Kern- Schlösser" 18 oder „Kernmarken" 18 hergestellt. Das sind Bereiche, in denen der Kern 4 aus dem Wachsmodell heraustritt und sich beim (nun erfolgenden) Beschichten mit Keramik 16 fest mit der Keramik schale 16 verbindet. Die Positionierung zwischen Wachsmodell 14 und Kern 4 braucht also nicht mehr durch die Bearbeitungshalterung 6 vermittelt zu werden.
Gemäß Fig. 6 wird im nächsten Verfahrensschritt also eine kerami sche Form 16 auf die Außenkontur des verlorenen Modells 14 aufge tragen und dabei eine positionierende Verbindung 18 der kerami schen Form 16 über eine Kernmarke 18 mit dem Kern 6 ausgebildet, so dass die keramische Form 16 bezüglich des Kerns 4 maßgenau ge mäß dem 3D-Modell (nicht dargestellt) des Gussbauteils 2 (Fig. 7) durch die Kernmarke 18 positioniert bleibt. Dann wird das verlore ne Modell 14 aus der keramischen Form 16 um den Kern 4 herum (die beide weiter von der positionierenden Verbindung 18 gehalten und zueinander positioniert werden) entfernt. Eine Hohlform 20 ent steht zwischen der Oberfläche des keramischen Kerns 4 und der In nenfläche 14 der keramischen Form 16. Die eigentliche (nach dem Gießen zu zerstörende, also „verlorene") Gussform ist fertigge stellt .
Nun wird dort hinein geschmolzenes Metall (nicht dargestellt) ge gossen. Anschließend wird dieses abkühlen gelassen. Das geschmol zene Metall (nicht dargestellt) erstarrt zu dem festen Gussteil 2, das gemäß Fig. 7 in einem nächsten Verfahrensschritt sichtbar wird (durch Beseitigen der verlorenen keramischen Form 16 und des kera mischen Kerns 4 von dem Gussteil 2) und so als Bauteil mit einer (dem Kern 4 genau entsprechenden) Hohlraumstruktur 22 mit großer Maßgenauigkeit zur Verfügung steht.
Das Verfahren der Herstellung des in Figur 1 dargestellten kerami schen Kerns 4, 4' nun dient sozusagen dem Vorbereiten der - soweit beschriebenen - eigentlichen Herstellung durch Gießen (gemäß Figur 6 und 7) des Gussteils 2 mit Hohlraumstrukturen 3, 3', indem es ein anfänglicher Verfahrensabschnitt zum Herstellen des Kerns 4, 4 ' als eines Bestandteils der (verlorenen) Form 16 des Gussteils 2 ist, an den sich also die anschließenden Verfahrensabschnitte (gemäß Figur 2 bis 6) zum Herstellen der (verlorenen) Form 16 des Gussteils 2 anschließen - und dabei wie beschrieben hochgenau geo metrisch orientieren.
Dieses besondere Verfahren der Herstellung des in Figur 1 darge stellten keramischen Kerns 4, 4' und auch der Kerne 4, 4' gemäß den Figuren 8-10 richtet sich auf das Herstellen des keramischen Kerns aus (mindestens) zwei Teilbereichen 4 und 4' - und umfasst die folgenden Schritte: a) Herstellen des ersten Teilbereichs 4 des keramischen Kerns - und zwar gusstechnisch - einschließlich mindes tens einer ersten Fügestruktur 24 in einer Oberfläche des Teilbereichs ; b) Herstellen mindestens eines zweiten Teilbereichs 4 ' des keramischen Kerns - und zwar 3D-Druck-technisch - ein schließlich mindestens einer zweiten, zu der ersten Fü gestruktur 24 passenden Fügestruktur 26 in einer Oberflä che des zweiten Teilbereichs 4'; c) Zusammenfügen des mindestens einen ersten Teilbereichs 4 und des mindestens einen zweiten Teilbereichs 4 ' des Kerns an den zueinander passenden Fügestrukturen 24, 26 zu dem Kern gemäß Geometriekoordinaten des Gussteils.
Das gusstechnische Herstellen umfasst dabei die folgenden Schrit te : i. Druckloses oder zumindest druckarmes Gießen eines kerami schen Rohlings des Kernteilbereichs 4 mittels Schlicker gießen, Druckschlickergießen, kaltisostatischem Pressen, heißisostatischem Pressen, uniaxialem Pressen, Heißgie ßen, Niederdruck-Spritzgießen, Gelcasting oder Extrudie ren, und zwar mit Übermaß bezogen auf die Geometriekoor dinaten des Kerns; ii. CNC-Bearbeitung, insbesondere CNC-Fräsen des Kerns, gemäß dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Bearbeitungsverfahren .
Im Einzelnen wird dabei im 3D-Modell mindestens eine Schnitt- oder Fügestelle 28 definiert, bis zu der die Kerngeometriedetails guss technisch als ein einstückiger Kernbauteilbereich 4 oder Kern grundkörper 4 (wie gesagt insbesondere mittels eines Kernrohlings und dessen anschließender CNC-Bearbeitung) hergestellt werden sol len. So kann der Gesamtkern 4, 4 ' an den Fügestellen 28 aus min destens zwei Kernbauteilbereichen 4, 4' zusammengesetzt werden. Die Kernbauteilbereiche 4, 4' können entweder allesamt gusstech nisch hergestellt werden (zum Beispiel um Dimensionsgrenzen zum Beispiel der Herstellbarkeit eines einstückigen Gesamtkerns über schreiten zu können) . Oder mindestens ein Kernbauteilbereich 4 ' jenseits der Fügestelle 28 wird (wie in den abgebildeten Beispie len) 3D-drucktechnisch hergestellt, insbesondere um dort kleiner dimensionierte und komplexere Details 29 (letztere wie zum Bei spiel Hinterschnitte - oder auch komplexere Hohlräume des Kerns (29 in Fig. 8c; also Stege oder andere Massivitäten komplexerer Gestalt im (vom Kern später zu formenden) Hohlraum des herzustel lenden Bauteils) hersteilen zu können, als gusstechnisch reali sierbar. Ein angefügter Kernbauteilbereich 4' kann zum Beispiel auf eine Oberfläche eines anderen Kernbauteilbereichs 4 aufgesetzt sein (zum Beispiel gemäß Fig. 8b) oder in eine Durchdringung ein gesetzt (zum Beispiel gemäß Fig. 8c), und so an mehr als einer Oberfläche des anderen Kernbauteilbereichs 4 in Erscheinung tre ten .
Im 3D-Modell wird also weiter detailliert eine erste Fügestruktur 24 und eine dazu passende zweite Fügestruktur 26 der mindestens einen Schnitt- oder Fügestelle 28, zum verbindungstechnischen Her stellen einer mechanisch sicheren Überbrückung der beiden Kernbau teilbereiche 4 und 4' gestaltet.
Die Auswahl der Kernbauteilbereiche 4', welche als „3D-Keramik" in 3D-Drucktechnik ausgeführt werden, folgt der bevorzugten Regel, besonders fein detaillierte Einzelheiten oder besonders klein di mensionierte und komplexe Details in 3D-Drucktechnik auszuführen, zum Beispiel um größere Gestaltungsfreiheit bezüglich Spaltweiten, Hinterschnitten und ähnlichem von (insbesondere beim CNC-Fräsen problematischen) Details zu erhalten.
Nach einer Vorbereitung der beiden Fügeflächen 24, 26 oder Fü gestrukturen 24, 26 zum Beispiel als Spielpassung mit oder auch ohne Keramikkleber werden die beiden Kernbauteilbereiche gefügt. Vorbereitungsschritte können dabei sein (alternativ oder kumula tiv) : Reinigen, Trocknen, Entgraten, chemisches Oberflächenbehan- deln, Aufträgen von Klebstoff 30.
In Figur 10 schematisch dargestellt sind verschieden gestaltete Fügestellen 28 der Kernbauteilbereiche 4 und 4' im Formschluss mit Spielpassung im Kegel- oder Keilsitz: ohne Klebung (Figur 10a); mit Klebung 30 (Figur 10b ff) , und zwar in einem in der Fügefläche 28 ausgebildeten Hohlraum 32 (Figur 10b) ; mit Klebung in stiftför migen Kammern 34, die die Fügefläche 28 durchkreuzen (Figur 10c); mit Abstandhaltern 36, die formschlüssig in Nuten 38 sitzend die Fügekonturen 24, 26 auf Abstand für den Klebstoff 30 halten, wel cher mit dem Klebstoff 30 ausgefüllt ist (Figur lOd) . Auch können die Kernbauteilbereiche 4 und 4 ' formschlüssig zum Beispiel durch eine Schwalbenschwanzkontur 40 miteinander „verriegelt" sein (Fi gur lOe) und auch dann möglicherweise zusätzlich verklebt.
Bezugszeichenliste
Gussteil 2
Gasturbinenschaufel 2
Hohlraumstrukturen 3, 3' innere Kühlkanäle 3, 3' keramischer Kern 4, 4'
Bearbeitungshalterung 6
Gefäß (Volumen) 8
Modellwachs 10
Modellwerkstoff 10
Gussteilkubatur 12 verlorenes Modell 14
Wachsmodell 14
Innenfläche 14
Teilbereichs 4
Keramikschale 16 verlorene Form 16
Kernschlösser 18
Kernmarke 18 Verbindung 18
Hohlform 20
Hohlraumstruktur 22
Fügestruktur 24, 26
Schnitt- oder Fügestelle 28
Klebstoff 30
Hohlraum 32
stiftförmige Kammern 34
Abstandhalter 36
Nuten 38
Schwalbenschwanzkontur 40

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kerns (4, 4') zum
Vorbereiten der Herstellung eines Gussteils (2) mit Hohlraum strukturen (3, 3'), die zu formen der keramische Kern (4, 4') eingerichtet ist, unter Verwendung eines 3D-Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils (2), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Gusstechnisches Herstellen mindestens eines ersten Teilbe reichs (4) des keramischen Kerns (4, 4') einschließlich mindestens einer ersten Fügestruktur (24, 26) in einer
Oberfläche des Teilbereichs (4); b) Gusstechnisches oder 3D-Druck-technisches Herstellen min destens eines zweiten Teilbereichs (4) des keramischen Kerns (4, 4') einschließlich mindestens einer zweiten, zu der ersten Fügestruktur (24, 26) passenden Fügestruktur
(24, 26) in einer Oberfläche des Teilbereichs (4), wobei das gusstechnische Herstellen in Schritt b) die folgenden Schritte umfasst: i. Druckloses oder druckarmes Gießen eines keramischen Kernrohlings, und zwar mit Übermaß bezogen auf den Kern (4, 4') gemäß den Geometriekoordinaten; ii . CNC-Bearbeitung des Kerns (4, 4') gemäß dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Bearbeitungsverfahren; c) Zusammenfügen des mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Teilbereichs (4) des Kerns (4, 4') an den zu einander passenden Fügestrukturen (24, 26) zu dem Kern (4,
4') gemäß Geometriekoordinaten des Gussteils (2) .
2. Keramischer Kern (4, 4') für die Herstellung eines Gussteils
(2) mit Hohlraumstrukturen (3, 3'), die zu formen der kerami- sehe Kern (4, 4') eingerichtet ist, unter Verwendung eines 3D- Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils (2) mit tels einer keramischen Form, wobei der Kern (4, 4') unter Ver wendung folgender Schritte hergestellt ist: a) Gusstechnisches Herstellen mindestens eines ersten Teilbe reichs (4) des keramischen Kerns (4, 4') einschließlich mindestens einer ersten Fügestruktur (24, 26) in einer
Oberfläche des Teilbereichs (4); b) Gusstechnisches oder 3D-Druck-technisches Herstellen min destens eines zweiten Teilbereichs (4) des keramischen Kerns (4, 4') einschließlich mindestens einer zweiten, zu der ersten Fügestruktur (24, 26) passenden Fügestruktur
(24, 26) in einer Oberfläche des Teilbereichs (4), wobei das gusstechnische Herstellen in Schritt b) die folgenden Schritte umfasst: i. Druckloses oder druckarmes Gießen eines keramischen Kernrohlings, und zwar mit Übermaß bezogen auf den Kern (4, 4') gemäß den Geometriekoordinaten; ii . CNC-Bearbeitung des Kerns (4, 4') gemäß dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Bearbeitungsverfahren; c) Zusammenfügen des mindestens einen ersten und mindes tens einen zweiten Teilbereichs (4) des Kerns (4, 4') an den zu einander passenden Fügestrukturen (24, 26) zu dem Kern (4, 4') gemäß Geometriekoordinaten des
Gussteils (2 ) .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Kern (4, 4') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch das gusstechnische Herstel len in Schritt a) die folgenden Schritte umfasst: i. Druckloses oder druckarmes Gießen eines keramischen Kern rohlings, und zwar mit Übermaß bezogen auf den Kern (4, 4') gemäß den Geometriekoordinaten; ii . CNC-Bearbeitung des Kerns (4, 4') gemäß dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Bearbeitungsverfahren .
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 oder Kern (4, 4') nach An spruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt i) mit tels Schlickergießen, Druckschlickergießen, kaltisostatischem Pressen, heißisostatischem Pressen, uniaxialem Pressen, Heiß gießen, Niederdruck-Spritzgießen, Gelcasting oder Extrudieren erfolgt .
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 oder Kern (4, 4') nach An spruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt ii) das CNC-Herstellungsverfahren CNC-Fräsen ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Gussteils (2) mit Hohlraum strukturen (3, 3') unter Verwendung eines 3D-Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils (2) mittels einer kerami schen Form mit keramischem Kern (4, 4'), dieser hergestellt nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 5, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: d) Positionieren des Kerns (4, 4') in einer Bearbeitungshalte rung; e) Gießen von Modellwerkstoff (10) um den Kern (4, 4') herum in ein Volumen (8) größer als die Gussteilkubatur, welche gemäß dem 3D-Modell räumlich festgelegt ist durch die Posi tion des Kerns (4, 4') in der Bearbeitungshalterung, und erstarren Lassen des Modellwerkstoffs (10); f) CNC-Herstellung einer Außenkontur eines verlorenen Modells des Gussteils (2) aus dem erstarrten Modellwerkstoff (10) um den Kern (4, 4') herum gemäß dem 3D-Modell in einem zweiten CNC-Herstellungsverfahren; g) Aufträgen einer keramischen Form auf die Außenkontur des verlorenen Modells und Ausbilden einer positionierenden Verbindung (18) der keramischen Form mit dem Kern (4, 4'); h) Entfernen des verlorenen Modells aus der keramischen Form um den Kern (4, 4'); i) Gießen von Metall in die keramische Form um den Kern (4,
4 ' ) ; j) Erstarren des geschmolzenen Metalls zu dem festen Gussteil (2) und Kühlkanäle (3, 3') k) Entfernen der keramischen Form und des Kerns (4, 4') von dem Gussteil (2) .
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