DE60311824T2 - Giessverfahren - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Gussverfahren für Metall- und Verbundwerkstoff-Gegenstände unter Verwendung einer Gussform, die einen Sinterpulver-Gegenstand als verlorene Form umfasst. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zur Herstellung solcher Gussformen. Der Sinterpulver-Gegenstand wird vorzugsweise mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Ein Gussteil oder Gusserzeugnis ist ganz einfach ein Erzeugnis, das dadurch hergestellt wird, dass man ein geschmolzenes Metall in einer Gussform erstarren lässt. Ein Gusserzeugnis nimmt die Gestalt der Form an, in der es gegossen wurde. Gusserzeugnisse werden als Bauteile in vielen Industrieprodukten und Konsumgütern verwendet.
  • Die Art der benutzten Gussform hängt zum großen Teil vom gewählten Gießverfahren ab. Von den Anfangstagen des Metallgießens bis in jüngste Zeit war Sand bei weitem das gebräuchlichste Formmedium, in welches das geschmolzene Metall gegossen wurde. Formen können auch aus anderen Werkstoffen bestehen; beispielsweise gibt es Metallformen, Graphitformen und Gipsformen. In vielen Fällen werden bei der Herstellung der Gussform, in der das Gussteil geformt wird, Modelle benutzt. Einige Modelle können hundert- oder sogar tausendfach wieder verwendet werden, während andere Einmalmodelle sind, die während des Formenbau-Prozesses zerstört werden.
  • Es gibt eine Reihe bekannter Gießverfahren, jedes mit seinen besonderen Vor- und Nachteilen. Zu diesen Verfahren zählen Sandguss, Investmentguss [Modellausschmelzgießen, Gießen mit verlorener Form], Schwerkraft- oder Niederdruck-Dauerformgießen, Hochdruck-Kokillenguss, Thixomolding [Magnesiumspritzgießen], Schleuderguss, Gips- oder Maskenformguss und Pressgießen.
  • Formenbau ist oft ein kostspieliges und zeitaufwendiges Unterfangen. Die Gussformen bzw. Modelle für die Gussformen können nach anspruchsvollen Detailvorgaben von erfahrenen Handwerkern maschinell hergestellt werden, manchmal anhand von komplexen und teuren automatisierten Bearbeitungsverfahren. Die Anforderungen an den Formen- bzw. Modellbau für Gießverfahren führen häufig zu langen Lieferzeiten für die ersten Gusserzeugnisse. Zum Beispiel kann Investmentguss drei Monate benötigen, um das erste Gießen vorzubereiten. Kokillenguss und Dauerformguss erfordern unter Umständen noch längere Vorlaufzeiten, die an sechs Monate heranreichen können. Konstrukteure von neuen Produkten verlangen jedoch in zunehmendem Maße kurze Bearbeitungszeiten, da sie einen Entwurf von der ersten Idee bis zum endgültigen Bauteil mehrfach ändern können.
  • Schnelle Prototypentwicklung [Rapid-Prototyping] kann von Designern eingesetzt werden, um schnell ein 3-D-Modell einer Neukonstruktion zu erhalten. Der Begriff "Rapid Prototyping" betrifft eine Klasse von Technologien, mit denen in relativ kurzen Zeitspannen aus Daten der computerunterstützten Konstruktion (CAD) körperliche Modelle hergestellt werden. Rapid Prototyping ist im Fachgebiet auch als (Festkörper-Freiform-Verfahren) "solid free form fabrication processing" bekannt. Rapid-Prototyping-Verfahren werden gelegentlich auch als „3-D-Drucker" bezeichnet, da sie es Konstrukteuren gestatten, aus einer Computerdatei schnell dreidimensionale greifbare Urformen ihrer Konstruktionen statt nur zweidimensionale Bilder zu erzeugen. Die mit Rapid Prototyping produzierten Modelle können in vielen Bereichen verwendet werden. Sie geben z. B. ausgezeichnetes Anschauungsmaterial ab für die Vermittlung von Ideen bei Arbeitskollegen oder Kunden. Darüber hinaus werden mit Rapid Prototyping hergestellte Wachsmodelle als Modelle im Wachsausschmelzgussverfahren eingesetzt. Auch wenn sich Rapid-Prototyping-Verfahren gut zur Herstellung von Urformen eignen, werden Fachleute verstehen, dass die Erzeugnisse von Rapid-Prototyping-Verfahren nicht darauf beschränkt sind, lediglich als Prototypen zu dienen.
  • Dreidimensionales Drucken (3DD) und selektives Laser-Sintern (SLS) sind zwei Beispiele für handelsübliche Rapid-Prototyping-Systeme. Bei diesen beiden Verfahren wird schichtweise ein physikalisches Modell aufgebaut, um einen dreidimensionalen Gegenstand zu erzeugen, der aus mit einem polymeren Bindemittel [Polymerisatbinder] verklebtem Pulver besteht. Mit solchen Prozessen kann man Objekte mit komplizierten internen Merkmalen erzeugen, z. B. mit Durchgängen, welche mit anderen Mitteln nicht herzustellen sind. Der 3DD-Prozess ähnelt konzeptionell dem Tintenstrahldruck. Anstelle von Tinte wird bei diesem Verfahren jedoch ein Polymerleim aufgetragen. Dieser Polymerleim wird entsprechend einer zweidimensionalen Schnittschicht einer dreidimensionalen Computerdarstellung des gewünschten Objektes auf eine Pulverschicht gedruckt. Beim SLS-Prozess wird ein Gegenstand gebildet, indem polymerbeschichtete Pulver-Partikel verschmolzen werden. Ein computergesteuerter Laserstrahl scannt die einzelnen Pulverschichten und verschmilzt die Polymerbeschichtungen benachbarter Partikel, um die Partikel in der Form eines kohäsiven Gegenstandes zusammenzubinden.
  • Mit 3DD- und SLS-Verfahren werden Sinterpulver-Erzeugnisse hergestellt, die je nach Pulver-Packungsdichte üblicherweise aus ca. 30 bis über 60 Volumenprozent Pulver und ca. 10 Volumenprozent Bindemittel bestehen; der Rest ist Porenvolumen. Der mit einem dieser Verfahren hergestellte Sinterpulver-Gegenstand ist ziemlich fragil und wird meist thermisch behandelt, um ein völlig kompaktes Teil mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Ein typisches thermisches Verfahren besteht aus Bindemittel-Entfernung, Pulversintern und Infiltration des gesinterten Gegenstandes mit einem geschmolzenen Umschmelzmetall.
  • U.S. 2002/096306 offenbart ein Verfahren zur Infiltration vorgeformter poröser Bauteile, die anhand eines Schichten-Fertigungsverfahrens aus Feststoffteilchen hergestellt sein können.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Gussform zur Verfügung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • a) Herstellung eines Sinterpulver-Gegenstandes mit einer relativen Dichte im Bereich von 30 bis 50 % durch ein Festkörper-Freiform-Verfahren und
    • b) Herstellung einer Gussform für geschmolzenes Metall unter Verwendung des Sinterpulver-Gegenstandes als verlorene Form, wobei die Struktur des Sinterpulver-Gegenstandes im Wesentlichen während des Gießens durch das geschmolzene Metall zu zerstören ist und das Pulver des Sinterpulver-Gegenstandes in dem Gussteil integriert wird, das sich bei Verfestigung des geschmolzenen Gussmetalls ergibt.
  • Das Verfahren beinhaltet den Einsatz eines Sinterpulver-Gegenstandes, der als Gussmodell eine relative Dichte von 30 bis 50 % aufweist. Relative Dichte wird prozentual ausgedrückt und ist das Verhältnis der effektiven Dichte des Sinterpulver-Gegenstandes gegenüber der Dichte, die der Gegenstand hätte, wenn er keinen Hohlraumanteil oder Polymerisatbinder enthielte. Ein vollkommen kompakter Gegenstand hat eine relative Dichte von 100 %. Das Wort "porous" ["porös"] in der Wendung "porous powder article" ["Sinterpulver-Gegenstand"] soll signalisieren, dass der Pulver-Gegenstand nicht vollkommen kompakt/hohlraumfrei ist. Vorzugsweise hat der Sinterpulver-Gegenstand eine geringe relative Dichte, z. B. 30 bis 40 %, um dem Umstand Rechnung zu tragen, dass ein entsprechend hoher Anteil an geschmolzenem Metall in die Form gegossen werden kann.
  • Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Herstellung von Gussteilen mit kurzen Vorlaufzeiten, indem die Rapid-Prototyping-Technik mit herkömmlichen Gussverfahren kombiniert wird. Bei diesen Ausführungsformen wird ein Sinterpulver-Gegenstand, der aus mit einem polymeren Bindemittel gebundenem Pulver besteht, mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren erzeugt. Es wird eine Gussform hergestellt, welche den Sinterpulver-Gegenstand als verlorene Form verwendet, wobei der Sinterpulver-Gegenstand in einem Formkasten von Formsand umgeben ist. Die Formkasten-Einheit wird erhitzt, um das polymere Bindemittel des Sinterpulver-Gegenstandes zu entfernen bzw. zu zersetzen. Geschmolzenes Metall wird in die den Sinterpulver-Gegenstand umfassende Gussform gegossen, in welcher der Sinterpulver-Gegenstand schmelzen oder teilweise schmelzen kann, je nach der Temperatur des geschmolzenen Metalls, und dann zusammen mit dem geschmolzenen Metall erstarrt, um ein Gusserzeugnis zu bilden. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen wird der Sinterpulver-Gegenstand mit einer keramischen Ummantelung versehen, bevor er mit dem Formsand umgeben wird.
  • Sinterpulver-Gegenstände lassen sich auch mit anderen Verfahren herstellen. Zu den Beispielen für derartige Verfahren gehören, unter anderem, Formverdichtung, isostatisches Kaltpressen und das Sintern von losem Pulver [Schüttsintern] in einer Form. Auch wenn in manchen Fällen der Einsatz von Sinterpulver-Gegenständen als verlorenen Gussformen, die mit anderen Prozessen als mit Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt wurden, die anfängliche Zeit von der Konstruktion bis zum Gießen eventuell nicht verkürzen kann, bietet ihr Einsatz als solche dennoch eine bisher unbekannte Methode des Gussformbaus.
  • Der Sinterpulver-Gegenstand wird als verlorene Gussform verwendet, die die Gestalt der Sandform bzw. Keramikhülle bestimmt, die um sie gebildet wird. Wie eine herkömmliche verlorene Gussform wird der Sinterpulver-Gegenstand bei seiner einmaligen Verwendung im Wesentlichen zerstört. Aber im Gegensatz zu einer herkömmlichen verlorenen Gussform wird das Pulver, das eine Materialkomponente davon ist, zu einem organischen Bestandteil des Gussteils. Gelegentlich wird das Pulver des Sinterpulver-Gegenstandes ganz oder teilweise durch das geschmolzene Gussmetall, das in die Form gegossen wird, die den Sinterpulver-Gegenstand enthält, geschmolzen und vermischt sich damit oder bildet damit eine Legierung. In anderen Fällen bildet das Pulver mit dem geschmolzenen Gussmetall einen Verbundstoff.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen ein Rapid-Prototyping-Verfahren zur Herstellung eines Sinterpulver-Gegenstandes als verlorener Form zum Einsatz kommt, haben den Vorteil, dass Gussteile mit komplexen Formen und internen Merkmalen, wie z. B. Durchgängen, in manchen Fällen ohne die Notwendigkeit eines Kerneinsatzes in der Form gegossen werden können.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass einige ihrer Ausführungsformen Gusserzeugnisse hervorbringen, die eine homogene Mikrostruktur aufweisen können und durch Wärmebehandlung metallurgisch härtbar sind. Im Gegensatz dazu sind konventionell infiltrierte, mit Rapid-Prototyping hergestellte Erzeugnisse in der Regel weder homogen noch härtbar.
  • Weitere Merkmale und Vorteile, die dem offenbarten und beanspruchten Erfindungsgegenstand innewohnen, werden den Fachleuten aus der folgenden ausführlichen Beschreibung gegenwärtig bevorzugter Ausführungsformen davon und aus den beigefügten Zeichnungen klar werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die entscheidende Bedeutung der Merkmale und Verdienste der vorliegenden Erfindung lassen sich unter Heranziehung der beigefügten Zeichnung besser verstehen. Es muss jedoch klar sein, dass die Zeichnung nur der Veranschaulichung dient und nicht als Definition der Beschränkungen der vorliegenden Erfindung gedacht ist.
  • 1A-D veranschaulichen die Schrittfolge bei der Erzeugung eines Sinterpulver-Gegenstandes anhand eines konventionellen Rapid-Prototyping-Verfahrens.
  • 1A veranschaulicht drei Schritte bei der Bildung einer Einzelschicht des Sinterpulver-Gegenstandes.
  • 1B stellt den Sinterpulver-Gegenstand in einem teilweise abgeschlossenen Stadium dar.
  • 1C zeigt den Sinterpulver-Gegenstand nach Drucken der letzten Schicht.
  • 1D stellt den fertigen Sinterpulver-Gegenstand dar.
  • 2A-E veranschaulichen die Schrittfolge einer Methode, bei der der in 1 dargestellte Sinterpulver-Gegenstand verwendet wird.
  • 2A zeigt den Sinterpulver-Gegenstand, nachdem seine Außen- und Innenflächen mit einer feuerfesten keramischen Ummantelung überzogen wurden.
  • 2E zeigt das Gussteil der 2D, nachdem es vom Formsand befreit wurde.
  • 2F zeigt das Gussteil der 2E, nachdem der Eingusstrichter entfernt wurde.
  • BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • In diesem Abschnitt werden einige momentan bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer für einen Fachmann zwecks Anwendung der vorliegenden Erfindung ausreichenden Ausführlichkeit beschrieben.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lassen sich verwenden, um komplexe Feintoleranz-Gussteile zu erzeugen. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen wird mittels Rapid-Prototyping ein Sinterpulver-Gegenstand hergestellt, der anschließend als verlorene Form zur Herstellung einer Gussform benutzt wird. Das bei diesen Ausführungsformen zum Einsatz kommende Rapid-Prototyping kann folgende Schritte umfassen:
    • 1. Erzeugen eines CAD-Modells der Konstruktion. Der zu erzeugende Gegenstand wird mittels Software für computerunterstützte Konstruktion (CAD) modelliert. Der Konstrukteur kann eine bereits bestehende CAD-Datei verwenden oder aber eventuell eine eigens für Prototyping-Zwecke bestimmte Datei anlegen wollen.
    • 2. Umwandeln des CAD-Modells in ein als STL-Format bezeichnetes stereolithographisches Dateiformat. Das STL-Format wurde als Standard der Rapid-Prototyping-Industrie übernommen.
    • 3. Zerschneiden des STL-Computermodells in eine Reihe von dünnen Querschnitt-Schichten anhand eines Schnittalgorithmus-Programms. Mehrere solcher Programme sind erhältlich, und bei den meisten kann der Benutzer die Größe, Lage und Ausrichtung des Modells einstellen.
    • 4. Herstellen des Gegenstandes auf einer Rapid-Prototyping-Maschine. Die eigentliche Herstellung des Gegenstandes erfolgt mit einer Rapid-Prototyping-Maschine, um den Gegenstand schichtweise aufzubauen.
    • 5. Reinigen und Fertigbearbeiten des Gegenstandes. Dies beinhaltet das Herausnehmen des Gegenstandes aus der Rapid-Prototyping-Maschine und Entfernen von losem Pulver. Möglicherweise sind auch ein gewisser Umfang an geringfügiger Reinigung und Oberflächenbehandlung des Gegenstandes vonnöten.
  • Bei derartigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein beliebiges den Fachleuten bekanntes Rapid-Prototyping-Verfahren verwendet werden, mit dem man einen Sinterpulver-Gegenstand erzeugen kann. Zwei solcher Verfahren, die besonders bevorzugt werden, sind 3DD und SLS. Dabei sollte klar sein, dass Fachleute erkennen werden, dass Sinterpulver-Gegenstände, die mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt wurden, sich durch ihre einzigartigen Strukturmerkmale von Sinterpulver-Gegenständen unterscheiden lassen, die mit anderen Verfahren hergestellt wurden. Der Grund dafür ist, dass Rapid-Prototyping-Verfahren im Gegensatz zu anderen Formgebungsprozessen die Gestalt der Pulverpartikel nicht verformen oder eine Grenzflächenhaftung benachbarter Pulverpartikel hervorrufen. Darüber hinaus können Rapid-Prototyping-Verfahren Sinterpulver-Gegenstände mit internen Merkmalen, z. B. Durchgängen, erzeugen, die mit anderen Mitteln nicht anzufertigen sind.
  • Die 1A-D zeigen schematisch die Schrittfolge bei der Erzeugung eines Sinterpulver-Gegenstandes mit einem, konventionellen Rapid-Prototyping-Verfahren. Der gezeigte Sinterpulver-Gegenstand ist ein Form-Modell 2. Unter Bezugnahme auf diese Figuren veranschaulicht 1A die Bildung einer Einzelschicht des Form-Modells 2, die in einem Stadium abgebildet ist, in dem das Form-Modell 2 erst teilweise fertig gestellt ist. Das teilfertige Form-Modell 2 ist in der Rapid-Prototyping-Maschine 6 von einem Pulverbett 4 umgeben. Im Bild links außen glättet eine Rolle 8 die Oberseite des Pulverbetts 4, indem sie eine Pulverschicht 10 über das teilfertige Form-Modell 2 verteilt. Im mittleren Bild streicht eine Druckkopf-Vorrichtung 12 über die Pulverschicht 10, um eine neue Deckschicht 14 für das teilfertige Form-Modell 2 zu bilden. In einem 3DD-Prozess kann die Druckkopf-Vorrichtung 12 einen Strahl aus polymerem Bindemittel in die Pulverschicht 10 spritzen, um benachbarte Pulverpartikel aneinander zu binden. In einem SLS-Prozess kann die Druckkopf-Vorrichtung 12 einen Laserstrahl in die Pulverschicht 10 richten, um die Polymerbeschichtungen benachbarter Pulverpartikel zu verschmelzen. Das Bild rechts außen stellt die fertige neue Schicht 14 dar. Kolben 16, der das Pulverbett 4 abstützt, wird dann abwärts gerastet, um die Pulverzugabe zum Pulverbett 4 aufzunehmen, damit dann die nächste Pulverschicht auf dem Form-Modell 2 aufgebracht werden kann.
  • 1B veranschaulicht das Form-Modell 2 in einem Zwischenstadium nach dem Auftragen weiterer Schichten. 1C zeigt das Form-Modell 2, nachdem die letzte Schicht aufgedruckt wurde. 1D zeigt das fertige Form-Modell 2, nachdem es aus dem Pulverbett 4 der Rapid-Prototyping-Maschine 6 herausgenommen wurde. Es ist zu beachten, dass das Form-Modell 2 Innenkanäle 18, 20 enthält.
  • Mit Rapid-Prototyping oder anderen Mitteln hergestellte Sinterpulver-Gegenstände werden als Einmal-Modelle für Gussformen hergestellt. Der Sinterpulver-Gegenstand kann z. B. dazu dienen, das Schaumstoff- oder Wachsmodell in einem Verfahren zu ersetzen, das dem herkömmlichen Lost-Foam-Verfahren bzw. Wachsausschmelzverfahren ähnelt. Lost-Foam-Verfahren bzw. Wachsausschmelzverfahren sind auch als Investmentgussverfahren bekannt; dabei soll das Wort "Investment" anzeigen, dass das Einweg-Schaumstoff- bzw. Wachsmodell mit einer Keramik-Außenschicht umhüllt ist. Bei konventionellen Investmentgussverfahren dient die aufgetragene Keramikschicht dazu, eine feste Hülle um das Schaumstoff- bzw. Wachsmodell zu bilden. Das beschichtete Modell wird erhitzt, um den Schaumstoff bzw. das Wachs zu entfernen bzw. loszuwerden. Der daraus resultierende hohle Keramikmantel kann zur Herstellung einer Gussform durch Formsand in einem Formkasten abgestützt werden. Der Keramikmantel verhindert auch, dass das geschmolzene Metall mit dem umgebenden Formsand in Kontakt kommt.
  • Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das herkömmliche Investmentgussverfahren dahingehend modifiziert, dass der als verlorene Form fungierende Sinterpulver-Gegenstand vor dem Gießen des geschmolzenen Metalls nicht entfernt wird bzw. verloren geht, sondern sich statt dessen mit dem geschmolzenen Gussmetall verbindet, um das Gusserzeugnis zu ergeben. Solche Ausführungsformen können die folgenden, in den 2A-F veranschaulichten Schritte beinhalten.
  • Es wird nun auf 2A Bezug genommen. Der dargestellte Sinterpulver-Gegenstand ist das Form-Modell 2 aus den 1A-D. Das Form-Modell 2 wird mit einer keramischen Ummantelung überzogen, um auf seiner Außenfläche und allen etwaigen Innenflächen, z. B. den Flächen der Innenkanäle 18, 20, eine Keramikhülle 22 zu bilden. Die die Keramikhülle 22 bildende Schicht kann als herkömmlicher Investmentguss aufgetragen werden, z. B. durch Eintauchen, Aufsprühen oder Übergießen unter Verwendung eines Keramikbreis. Der Benetzungswinkel des Breis zur Oberfläche des Sinterpulver-Gegenstandes, z. B. dem Form-Modell 2, sollte mehr als etwa 90 Grad betragen, damit der Brei nicht in den Sinterpulver-Gegenstand eindringen kann. Die Beschichtung kann unter Umgebungsbedingungen oder besonderen Trocknungsbedingungen getrocknet werden, z. B. unter Bedingungen, die in einem Heizofen erreicht werden können. Bei der Keramik kann es sich um einen beliebigen keramischen Werkstoff handeln, einschließlich solcher, die konventionell beim Investmentguss verwendet werden, d. h., die physikalisch und chemisch mit dem zu vergießenden geschmolzenen Metall und mit den Bestandteil-Werkstoffen des Sinterpulver-Gegenstandes kompatibel sind.
  • Das mit der keramischen Ummantelung überzogene Form-Modell 2 wird unter Bezugnahme auf 2B mit Formsand 24 in einem belüfteten Formkasten 26 umgeben. Auf Grund der Komplexität der Geometrie eines bestimmten Sinterpulver-Gegenstandes könnte der Formsand 24 nur schwierig in bestimmte Bereiche fließen, z. B. die Kanäle 18, 20 des Form-Modells 2. Der Fluss und die richtige Verdichtung des Formsandes 24 um das Form-Modell 2 herum und in dessen Innenkanäle 18, 20 lässt sich mit einem Vibrationstisch verbessern. Es ist darauf zu achten, dass beim Verdichten des Formsandes 24 das Form-Modell 2 bzw. die keramische Ummantelung 22 nicht verformt werden. Bevor man das keramisch ummantelte Form-Modell 2 mit dem Formsand 24 einhüllt, wird ein Teil der keramischen Ummantelung 22 entfernt und an dieser Stelle ein Eingusstrichter 28 platziert, um das geschmolzene Metall in das Pulvermetall-Gerippe 29 des Form-Modells 2 zu leiten. Es können auch Anschnitte und/oder Eingusskanäle benutzt werden, damit sich das geschmolzene Metall dem Sinterpulver-Gegenstand leichter zuführen lässt. Bei manchen Ausführungsformen ist der Sinterpulver-Gegenstand so konstruiert und aufgebaut, dass er integrierte Anschnitte und/oder Eingusskanäle aufweist.
  • Nachdem der Formsand 24 richtig verdichtet ist, wird die Formkasten-Einheit 30 mit einer Vorwärmeinrichtung 32, z. B. einem Ofen oder einem Brenner, auf eine Temperatur vorgeheizt, bei der das Bindemittel in dem Form-Modell 2 durch Verdampfung oder Zersetzung teilweise oder ganz entfernt wird. Bei diesem Befreiungsvorgang abgegebene Gase und Dämpfe können durch den Eingusstrichter 28 und etwaige Anschnitte und Eingusskanäle entweichen. Das Vorheizen mindert auch den Wärmeverlust des geschmolzenen Gussmetalls während des Gießvorgangs. Das Vorheizen kann in Luft erfolgen, geschieht jedoch besser in einer geregelten Atmosphäre, damit die Oberflächenbeschaffenheit des Metallpulvers des Sinterpulver-Gegenstandes für den Gießvorgang optimiert wird. Beispielsweise kann eine Schutzgasatmosphäre verwendet werden, damit das Metallpulver während des Vorheizens nicht oxydiert. Zu den Beispielen für solche Schutzgasatmosphären zählen Wasserstoff, Stickstoff, Argon und Kombinationen davon.
  • Es wird nun auf 2C Bezug genommen. Nach Vorheizen der Formkasten-Einheit 30 wird geschmolzenes Metall 34 durch den Eingusstrichter 28 in das Form-Modell 2 gegossen. Das geschmolzene Metall 34 schmilzt das Pulver-Gerippe 29 und nimmt die Geometrie des Form-Modells 2 an. Bei einigen Ausführungsformen schmilzt das geschmolzene Metall 34 das Pulver des Gerippes 29 völlig, während bei anderen Ausführungsformen das Pulver ganz oder teilweise einen Verbundwerkstoff mit dem geschmolzenen Metall 34 bildet. Wie beim Schritt des Vorheizens kann der Schritt des Gießens in Luft oder in einer Schutzgasatmosphäre vorgenommen werden.
  • Unter Verweis auf 2D wird die Formkasten-Einheit 30 abgekühlt, um das geschmolzene Gussmetall 34 fest werden zu lassen.
  • Unter Verweis auf 2E werden das erstarrte gegossene Teil 36 aus dem Formsand 24 herausgenommen und die keramische Ummantelung 22 und der Eingusstrichter 28 vom gegossenen Teil 36 entfernt.
  • Unter Verweis auf 2F wird das Trichter-Gussteil 38 vom gegossenen Teil 36 entfernt. Das gegossene Teil 36 kann anschließend gereinigt und geprüft werden.
  • Obwohl in der Erörterung der 2A-F der Schritt des Gießens des geschmolzenen Metalls unmittelbar auf den Schritt des Vorheizens folgte, in dem das Bindemittel aus dem Sinterpulver-Gegenstand entfernt wurde, ist es nicht erforderlich, dass diese Schritte unmittelbar aufeinander erfolgen. Erstens sollte klar sein, dass ein Schritt der Bindemittel-Entfernung nur nötig ist, wenn ein Bindemittel aus dem Sinterpulver-Gegenstand eliminiert werden muss, damit eine schädliche Reaktion des Bindemittels mit dem geschmolzenen Metall verhindert wird. Bei manchen Ausführungsformen ist kein Schritt der Bindemittel-Entfernung nötig, weil der Sinterpulver-Gegenstand nur wenig oder gar kein Bindemittel enthält, wie in einigen Fällen, in denen der Sinterpulver-Gegenstand mit einem Verfahren geformt wird, bei dem ein Verdichtungsdruck beaufschlagt wird, um das Pulver durch mechanische Verzahnung oder Kontaktstellen-Schweißen miteinander zu verbinden. Zweitens sollte klar sein, dass der Schritt der Bindemittel-Entfernung, wenn er benutzt wird, jederzeit vor dem Schritt des Gießens erfolgen kann. Z. B. kann bei manchen Ausführungsformen, bei denen eine keramische Ummantelung zum Einsatz kommt, das Bindemittel sogar entfernt werden, bevor der beschichtete Sinterpulver-Gegenstand im Formkasten untergebracht wird. Bei diesen Ausführungsformen kann der beschichtete Sinterpulver-Gegenstand nach der Bindemittelentfernung und vor dem Einlegen in den Formkasten für eine gewisse Zeit gelagert werden. Bei manchen Ausführungsformen kann der gesamte Formkasten nach der Bindemittelentfernung eingelagert und dann später vor dem Gießen wieder erhitzt werden. Drittens sollte klar sein, dass Vorheizen nur dann erfolgen muss, wenn es nötig ist, um Probleme der vorzeitigen Erstarrung zu verhindern oder anderweitig das Füllen der Form zu fördern, außer wenn das Vorheizen erforderlich ist, um das Bindemittel zu entfernen oder sich zersetzen zu lassen oder den Formsand oder eine keramische Ummantelung zu trocknen.
  • Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Pulver des Sinterpulver-Gegenstandes ein Metallpulver, das durch das geschmolzene Gussmetall völlig geschmolzen wird und sich damit vermischt oder damit eine Legierung bildet. Bei diesen Ausführungsformen ist es wichtig, dass das geschmolzene Metall ausreichend Überhitzungswärme aufweist, um das Metallpulver des Sinterpulver-Gegenstandes zu schmelzen. Angenommen, dass keine Wärmeübertragung vom geschmolzenen Metall zum Sand stattfindet, wird das Verhältnis zwischen der Temperatur des geschmolzenen Metalls und der Vorheiztemperatur der Formkasten-Einheit einfach ausgedrückt mit der Formel:
    Figure 00150001
    wobei:
    • Tph
    = Vorheiztemperatur der Formkasten-Einheit, die den Sinterpulver-Gegenstand beinhaltet,
    Tmp
    = Schmelztemperatur des Pulvermaterials,
    Cpp
    = spezifische Wärme des Pulvermaterials,
    Hmp
    = Schmelzwärme des Pulvermaterials,
    Tmm
    = Schmelztemperatur des geschmolzenen Metalls,
    Toh
    = Überhitzungstemperatur des geschmolzenen Metalls, und
    Cpm
    = spezifische Wärme des geschmolzenen Metalls.
  • Bei manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Sinterpulver-Gegenstand als Modell für eine Gussform verwendet, ohne dass darauf eine Keramikhülle geformt wird. Diese Ausführungsformen ergeben zwar keine so glatte Oberfläche wie jene, die eine Keramikhülle verwenden, und erfordern eventuell ein Formentrennmittel oder zusätzliche Reinigung und Sorgfalt beim Formenbau zur Vermeidung einer Verformung des Sinterpulver-Gegenstandes, aber sie eliminieren die Kosten der Herstellung und Entfernung einer Keramikhülle. Die Verwendung einer keramischen Ummantelung wird jedoch bevorzugt, da die Ummantelung zum Schutz der strukturellen Unversehrtheit des Sinterpulver-Gegenstandes vor dem Gießen beiträgt.
  • Zur Herstellung des Sinterpulver-Gegenstandes kann jede Art von Pulver verwendet werden, die mit dem gewählten Verfahren zur Ausformung des Gegenstandes kompatibel ist. Die Pulverart ist je nach dem zu verwendenden Gussmetall und den für das Gusserzeugnis gewünschten Eigenschaften auszuwählen. In vielen Fällen wird das gewählte Pulver ein elementares Metall oder eine Metall-Legierung sein, aber auch Keramikpulver und Keramik-Metall-Gemische [Cermets, Metallkeramiken] können verwendet werden. Das Pulver kann z. B. Eisen oder eine Eisen-Legierung sein, inklusive Stahl, z. B. kohlenstoffarmer Stahl, halbweicher Stahl, kohlenstoffreicher Stahl, Werkzeugstahl oder Edelstahl. Das Pulver kann auch Nickel, eine Nickel-Legierung, Aluminium, eine Aluminium-Legierung, Titan, eine Titan-Legierung, Kupfer, eine Kupfer-Legierung, Magnesium, eine Magnesium-Legierung, Zink, eine Zink-Legierung, eine intermetallische Verbindung, ein hochschmelzendes Metall oder eine hochschmelzende Metall-Legierung sein. Bei den meisten Ausführungsformen, bei denen das Pulver ein hochschmelzendes Metall, einen keramischen Werkstoff oder ein Cermet enthält, bilden das Pulver und das Gussmetall ein Gusserzeugnis, das eine Verbundkonstruktion hat.
  • Das Pulver kann jede Art von Partikelform aufweisen. Aber insofern, als es besser ist, dass die relative Dichte des Sinterpulver-Gegenstandes gering ist, z. B. im Bereich von 30-40 %, sind irreguläre Pulverformen besser als sphärische Formen in Fällen, in denen die mit irregulär geformten Pulverpartikeln verbundene geringere Packungsdichte zur Folge hat, dass der Sinterpulver-Gegenstand eine geringe relative Dichte aufweist.
  • Das Gussmetall kann jedes für Gießen geeignete Metall sein. Die Schmelztemperatur des Gussmetalls kann höher oder niedriger als die des Pulvers des Sinterpulver-Gegenstandes sein. Bei manchen Ausführungsformen haben das Gussmetall und das Pulver des Sinterpulver-Gegenstandes die gleiche oder eine ähnliche Zusammensetzung. Z. B. kann das Gussmetall unlegiertes Aluminium sein und das Pulver eine Aluminium-Legierung.
  • Beispiel
  • In den letzten Jahren hat es wirtschaftlichen Druck auf Gießereien gegeben, neue Gusskonstruktionen in schnellerem Rhythmus einzuführen. Dies hat die Zeit verkürzt, die für eine Neukonstruktion vom Konzept über das Prototypen-Stadium bis zur Serienproduktion zur Verfügung steht. Das folgende prophetische Beispiel beschreibt eine Anwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ein Stück mit der gleichen Gestaltung wie die, welche in 2F als gegossenes Teil 36 abgebildet ist, soll aus einer Kupfer-Zinn-Legierung mit einer Endzusammensetzung von 90 % Kupfer und 10 % Zinn hergestellt werden. Das Stück soll 3 cm breit, 1,5 cm hoch und 1 cm tief sein. Es wird eine CAD-Datei eines dreidimensionalen Modells des Stückes angelegt. Die CAD-Datei wird in eine STP-Format-Datei umgewandelt. Auf die STP-Datei wird ein Schnitt-Algorithmus angewandt, um eine Stück-Datei anzulegen, die zusammen mit einer Rapid-Prototyping-Maschine mit 3DD-Verfahren zur Erzeugung eines Sinterpulver-Gegenstandes des Stückes eingesetzt werden soll. Erworben wird ein zinnreiches Bronzepulver, welches eine Zusammensetzung von 80 % Kupfer und 20 % Zinn besitzt und durch ein Sieb mit Maschenweite 140 (Siebweite 106 Mikron) geht und auf einem Sieb mit Maschenweite 325 (Siebweite 45 Mikron) liegen bleibt. Eine Rapid-Prototyping-Maschine PROMETAL RTS 300, hergestellt von der Extrude Hone Corporation aus Irwin, Pennsylvania, U.S.A., fertigt anhand der Stück-Datei und des zinnreichen Bronzepulvers mit 3DD-Verfahren einen Sinterpulver-Gegenstand, der eine relative Dichte von 50 % aufweist.
  • Der Sinterpulver-Gegenstand wird aus der Rapid-Prototyping-Maschine genommen und von allem überschüssigen Pulver befreit. Am Sinterpulver-Gegenstand werden Anschnitte und Eingusskanäle angebracht. Der Sinterpulver-Gegenstand und die daran angebrachten Anschnitte und Eingusskanäle werden mit einer Keramikhülle überzogen, indem die Einheit wiederholt in einen Brei aus Bornitrid getaucht wird und man die gebildete Beschichtung trocknen lässt. Nach Herstellung der keramischen Ummantelung kommt die Einheit in einen Formkasten, und ein Eingusstrichter wird an der Einheit befestigt. In den Formkasten kommt Formsand, und ein Vibrationstisch wird eingesetzt, damit sich der Formsand besser um die Einheit verteilt und alle internen und externen Hohlräume ausfüllt mit Ausnahme derer, in die das geschmolzene Metall gegossen werden soll. Zum Verdichten des Formsandes um die Einheit herum wird eine Standard-Verdichtungsmethode angewandt.
  • Die Formkasten-Einheit wird in einer Schutzgasatmosphäre aus Stickstoff auf ca. 790 °C erhitzt, um das während des 3DD-Verfahrens aufgebrachte polymere Bindemittel aus dem Sinterpulver-Gegenstand zu entfernen. Gleichzeitig wird Reinkupfer mit Induktionserwärmung in einem Tontiegel bei ca. 1200 °C geschmolzen. Das geschmolzene Reinkupfer wird in den Eingusstrichter in der vorgeheizten Formkasten-Einheit gegossen, die in der Schutzgasatmosphäre aus Stickstoff verbleibt. Das geschmolzene Reinkupfer fließt in den Sinterpulver-Gegenstand, schmilzt dabei dessen Pulver, bildet mit diesem eine Legierung und nimmt die Form des Sinterpulver-Gegenstandes an. Nach der Erstarrung und Abkühlung des Gussteils wird es aus dem Formsand herausgenommen. Die keramische Ummantelung wird abgelöst, und der Eingusstrichter, die Eingusskanäle und Anschnitte werden von dem Stück entfernt. Das Stück hat eine Zusammensetzung von 90 % Kupfer und 10 % Zinn und ist fertig zur Überprüfung, Endbearbeitung, Erprobung oder Verwendung.
  • Es wurden zwar nur ein paar Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben, aber den Fachleuten wird klar sein, dass viele Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Anwendungsbereich der Erfindung gemäß Beschreibung in den nachfolgenden Ansprüchen abzuweichen.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Gussform, umfassend folgende Schritte: a) Herstellung eines Sinterpulver-Gegenstands (2), der eine relative Dichte im Bereich von 30 % bis 50 % hat, durch ein Festkörper-Freiform-Verfahren, und b) Herstellung einer Gussform für geschmolzenes Metall (34) unter Verwendung des Sinterpulver-Gegenstandes (2) als verlorene Form, wobei die Struktur des Sinterpulver-Gegenstands (2) im Wesentlichen während Giessens durch das geschmolzene Metall (34) zu zerstören ist, und das Pulver des Sinterpulver-Gegenstands (2) sich mit dem Gussteil (36) innig verbindet oder integriert, das sich bei Verfestigung des geformten geschmolzenen Metalls ergibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Festkörper-Freiformverfahren ausgewählt ist aus der Gruppe: dreidimensionales Pressen oder selektives Laser-Sintern.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Sinterpulver-Gegenstands (2) wenigstens umfasst eines aus der Gruppe: ein Metallpulver, ein Keramikpulver und ein Cermet-Pulver.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterpulver-Gegenstand (2) mit einer keramischen Ummantelung (22) versehen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterpulver-Gegenstand (2) ein polymeres Bindemittel enthält, und dass das Verfahren weiterhin den Schritt des Befreiens des Sinterpulver-Gegenstands von dem polymeren Bindemittel nach dem Schritt des Versehens des Sinterpulver-Gegenstands mit einer keramischen Ummantelung umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Befreiens von dem Bindemittel unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, gekennzeichnet durch Lagerung des Sinterpulver-Gegenstands (2) nach dem Schritt des Befreiens des Sinterpulver-Gegenstands (2) von dem Bindemittel.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Gussteils, wobei es umfasst: Herstellung einer Gussform durch das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und Gießen von geschmolzenem Metall (34) in die Gussform, in der sich das Pulver des Sinterpulver-Gegenstands (2) mit dem Gussartikel (36) innig verbindet oder integriert und der Schritt des Gießens des ge schmolzenen Metalls (34) in die Gussform im Wesentlichen die Struktur des Sinterpulver-Gegenstands (2) zerstört.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des Pulvers des Sinterpulver-Gegenstands (2) und des geschmolzenen Metalls (34) derart erfolgt, dass das Pulver und das geschmolzene Teil sich zu einem Komposite-Werkstoff nach dem Abkühlen nach dem Gießen verbinden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des Pulvers des Sinterpulver-Gegenstands (2) und des geschmolzenen Metalls (34) derart erfolgt, dass das geschmolzene Metall wenigstens teilweise das Pulver als Ergebnis des Gießens des geschmolzenen Metalls in die Gussform zum Schmelzen bringt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt wird, und dadurch, dass der Sinterpulver-Gegenstand (2) ein polymeres Bindemittel enthält, und das Verfahren weiterhin den Schritt des Befreiens des Sinterpulver-Gegenstands (2) von dem polymeren Bindemittel vor dem Schritt des Gießens umfasst.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussform nach den Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt wird und das Verfahren außerdem den Schritt der Beheizung der Gussform umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch die Lagerung der Gussform nach dem Schritt der Beheizung der Gussform.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch Beheizung der Gussform unmittelbar vor dem Gießen.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Schritte der Beheizung der Gussform und des Gießens unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasatmosphäre wenigstens eines der Gase Wasserstoff, Stickstoff oder Argon umfasst.
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