DE69333169T2 - Reinigung und endbearbeitung einer keramischen form - Google Patents

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Description

  • Einleitung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Keramikformen zum Metallgießen und insbesondere Keramikformen, die mit dreidimensionalen Drucktechniken mit einem Schichtverfahren hergestellt wurden, sowie Verfahren zum Entfernen von losem Pulver aus der Keramikform und zum Verbessern des Oberflächenzustands und insbesondere des Oberflächenfinish im Innern der Form.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Keramikformen zum Metallgießen können mit Schichttechniken direkt von einem Computermodell hergestellt werden, d. h. mit dreidimensionalen Druckprozessen, die als Prozesse definiert werden können, die Objekte anhand eines Computermodells der Objekte schichtweise konstruieren. Prozessbeispiele für diesen Typ sind beispielsweise in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/447,677 beschrieben, eingereicht am 8. December 1989, jetzt US-A-5 204 055, hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen. Wie darin beschrieben, kann eine Keramikform zum Metallgießen mit einem solchen Prozess direkt von einem Computermodell hergestellt werden, wobei die Form auf schichtweiser Basis erzeugt wird. Wie insbesondere in den 1(A)1(F) hierin dargestellt ist, kann die Form dadurch hergestellt werden, dass Pulver 1 mit einer Walze 3 innerhalb eines beschränkten Bereichs verteilt wird, der durch eine Anordnung von Kolben 5 und Zylinder 7 definiert wird. Ein weiteres Material 9, z. B. ein Bindematerial, wird dann in spezifischen Bereichen 11 einer Schicht aufgetragen, die von einem Computermodell der Form bestimmt wird. Das weitere Material hat die Aufgabe, das Pulver in der Schicht und zwischen den Schichten zu binden. Dieser Prozess wird Schicht für Schicht wiederholt, bis alle zum Definieren der Form notwendigen Schichten gedruckt sind. Der Prozess ergibt ein Pulverbett 13, in dem sich eine Keramikform 15 befindet. Wenn das zum Binden des Pulvers verwendete weitere Material eine Keramik enthält, dann kann das gesamte Bett mit erhöhter Temperatur befeuert werden. Als Nächstes wird das Pulver auf den Außenflächen der Form beseitigt, um eine Form herzustellen, die immer noch mit losem Pulver auf ihrer Innenfläche 17 gefüllt ist. Das lose interne Pulver muss dann beseitigt werden, so dass eine hohle Form 19 entsteht. Da die Kanäle in der Form lang und komplex sein können, verhindert die Geometrie häufig die Verwendung eines Werkzeugs wie einer Bürste als Hilfsmittel zum Beseitigen des internen Pulvers. Eine Möglichkeit, das Pulver zu entfernen, die in der obigen Anwendung offenbart ist, besteht darin, das Pulver von der Innenfläche abzuwaschen oder abzuspülen. In einigen Fällen, besonders dann, wenn das zum Binden des Pulvers verwendete weitere Material ein Polymer enthält, kann die Form vor dem Befeuern von dem Pulverbett entfernt werden.
  • Man wird verstehen, dass auch andere Methoden zum Erzeugen von Keramikformen direkt von einem Computermodell angewendet werden könnten. So könnte beispielsweise eine solche Form aus Keramikpulver durch selektives Lasersintern erzeugt werden. Somit kann die vorliegende Erfindung auf Formen angewendet werden, die direkt von einem Computermodell hergestellt wurden, unabhängig vom angewendeten Verfahren.
  • Ein bedeutendes Problem mit einer solchen Technik besteht darin, dass das Pulver nicht immer sorgfältig entfernt wird, wenn lediglich ein Spülvorgang benutzt wird. Demgemäß ist es wünschenswert, andere Techniken zu entwickeln, die eine vollständigere und effizientere Entfernung des Pulvers aus dem Innern der Form ermöglichen.
  • Ein weiteres entstehendes Problem ist, dass, da die Form aus einer Mehrzahl von Schichten hergestellt wird, während des Schichtungsprozesses gewöhnlich eine unglatte Oberfläche, z. B. eine "gestufte", Oberfläche, im Innern der Form entsteht. Das Ausmaß dieses Oberflächeneffekts kann zwar durch Reduzieren der Schichtdicke verringert werden, aber dies bedeutet eine unerwünschte Verlängerung der Herstellungszeit.
  • Daher kann mit einem praktischen Herstellungszeitzyklus nicht immer ein akzeptables Oberflächenfinish erreicht werden. Es ist daher wünschenswert, Techniken zu entwickeln, um das gewünschte Oberflächenfinish unter Anwendung weiterer Vorgänge nach der Herstellung der Form zu erzielen und das Pulver aus den Innenkanälen zu entfernen.
  • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Verfahren zum Entfernen von losem Pulver aus internen Kanälen eines Körpers, der mit einer Schichtherstellungstechnik produziert wurde, umfasst die folgenden Schritte:
    Legen des Körpers in ein Flüssigkeitsbad; und
    Bestrahlen der Flüssigkeit und des Körpers mit Energie, wie z. B. Mikrowellenstrahlung, mit einer Frequenz, die so gewählt ist, dass die Flüssigkeit über ihr gesamtes Volumen erregt wird, um die Flüssigkeit zum Sieden zu bringen, so dass Fluidbewegung in den internen Kanälen des genannten Körpers erzeugt wird, wobei die genannte Bewegung ein Ausstoßen des losen Pulvers aus den genannten Kanälen bewirkt.
  • Gemäß einem weiteren wirksamen Verfahren zur Pulverentfernung, das nicht Teil der Erfindung ist, wird eine Mehrzahl von sehr kleinen, sphärisch geformten Metallpartikeln in die Innenhohlräume der Form geleitet. Der Formeinlass wird verschlossen, und die Form wird dann auf geeignete Weise bewegt, z. B. geschüttelt oder rotiert, so dass die Metallpartikel das Pulver auf den Innenflächen durch Aufprall oder Abrieb lösen. Die Form wird dann wieder geöffnet und die Metallpartikel und das lose Pulver werden aus der Form ausgeschüttet. Es wurde gefunden, dass durch die Aufprall- und Abriebwirkung auch das Finish auf den Innenflächen der Form verbessert wird. In einem weiteren Verfahren können Verbesserungen des Oberflächenfinish durch Schlickergießen einer Schicht aus feinen Partikeln auf die Innenflächen der Form erzielt werden.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher anhand der Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
  • 1(A)1(F) eine Verfahrensabfolge zum Herstellen einer Keramikform mit dreidimensionalen Drucktechniken, die hierin nicht beansprucht wird. Es wird eine Form während des Druckens, nach dem Entfernen von externem Pulver und nach dem Entfernen von internem Pulver gezeigt; die vorliegenden Ansprüche beziehen sich auf ein Verfahren zum Entfernen von internem Pulver, das zwischen den in 1(E) und 1(F) gezeigten Schritten erfolgt; und
  • 2(A)2(D) eine Folge von Vorgängen gemäß der Erfindung, die zum Entfernen von losem Pulver aus einer Keramikform mit Mikrowellenenergie durchgeführt wird.
  • Die folgenden Figuren illustrieren weitere Methoden für Formfertigungsvorgänge, die hierin nicht beansprucht werden:
  • 3(A)3(C) veranschaulichen eine Folge von Vorgängen zum Entfernen von losem Pulver aus einer Keramikform mittels Vakuumsaugdruck, mit dem die Form extern beaufschlagt wird;
  • 4(A)4(E) veranschaulichen eine Folge von Vorgängen zum Entfernen von leicht anhaftendem Pulver aus der Form mit Hilfe der Rührwirkung von kleinen Metallpulverpartikeln;
  • 5(A) und 5(B) veranschaulichen eine Folge von Vorgängen zum Erzeugen eines besseren Oberflächenfinish auf einer Form mit Hilfe einer nichtkonformen Beschichtung darauf; und
  • 6 veranschaulicht die Verwendung einer Filterschicht, um es zu ermöglichen, dass ein nichtkonformer Überzug aus feinen Partikeln auf ein Substrat aus gröberen Partikeln aufgebracht wird.
  • Wie in 1, 1(A)1(F), gezeigt und oben beschrieben, wird eine Keramikform 15 schichtweise gebildet, indem aufeinander folgende Schichten aus Keramikpulver auf einen beschränkten Bereich aufgebracht werden, z. B. wie durch die Anordnung von Kolben 5 und Zylinder 7 veranschaulicht wird, und dann Bindematerial auf selektive Bereiche jeder Schicht aufgetragen wird (1(A)1(D)), wie in der US-A-5 204 055 erörtert ist. Das externe lose Pulver und die Anordnung aus Kolben und Zylinder werden dann entfernt, so dass eine Form mit losem Pulver in ihren Hohlräumen zurückbleibt (1(E)). Das interne lose Pulver wird ausgewaschen oder ausgespült, wie in der obigen Anwendung erörtert wurde, um die in 1(F) gezeigte gewünschte Keramikform zu erzeugen.
  • Da die Gestalt der Keramikform recht komplex sein kann, muss das Keramikpulver einen komplexen weg zurücklegen, um die Gießform vollständig zu verlassen. Eine hierin nicht beanspruchte Technik, die einen Waschvorgang unterstützt, besteht darin, die Form in einen Ultraschalltank zu geben und die Form mit Ultraschallenergie zu beaufschlagen, damit sich das Pulver auf den Innenflächen besser löst, und dadurch dessen Entfernung zu unterstützen.
  • Eine wirksame Pulverentfernungstechnik gemäß der Erfindung wird mit Bezug auf die 2(A)2(D) beschrieben. Bei einem solchen Verfahren wird eine Form 17 in eine geeignete Flüssigkeit wie Wasser 21 in einem Behälter 23 eingetaucht, wie in 2(A) zu sehen ist. Dem Wasser kann eine geringe Menge Tensid zugegeben werden, um seine Benetzungseigenschaften zu verbessern. Das Wasser dringt relativ schnell durch die poröse Keramikform und füllt die Leerräume zwischen den losen Keramikpulverpartikeln in den Hohlräumen der Form. Alternativ kann das Wasser für Formen mit niedriger Porösität in die Form selbst gegossen und darin aufgenommen werden, ohne dass ein Behälter notwendig ist.
  • Die Keramikform wird dann, nachdem sie in ein Wasserbad in dem Behälter 23 gelegt wurde, in eine Vorrichtung gelegt, in der sie mit Mikrowellenenergie beaufschlagt wird, wobei diese Vorrichtung aus einem Gehäuse 25 und einem Mikrowellenenergie-Generator 27 besteht. Eine geeignete Vorrichtung ist ein bekannter handelsüblicher Mikrowellenherd wie der, der zum Kochen von Nahrungsmitteln verwendet wird. Wie in 2(B) gezeigt, wird der Mikrowellengenerator eingeschaltet, und Mikrowellenenergie 29 wird der Form zugeführt und bringt das Wasser zum Sieden. Die Kochwirkung des Wassers in dem losen Pulver auf den Innenflächen der Form führt zur Bildung von Dampfblasen 29, und durch die siedebedingte Rührwirkung wird das Pulver 31 ausgestoßen.
  • Ein kritischer Aspekt der Verwendung von Mikrowellenenergie ist, dass der Siedevorgang vorzugsweise innerhalb des losen Pulvers auf der Innenseite der Form stattfindet. Dieser Vorgang steht im Gegensatz zu einem Siedevorgang, der dann entstünde, wenn die Form einfach in einen Tank mit heißem Wasser gegeben und durch Beaufschlagung von Wärme auf die Außenseite des Tanks zum Sieden gebracht würde. Im letzteren Fall findet das Sieden primär an der Grenzfläche zwischen dem Wasser und dem Tank statt, in dem es enthalten ist. Da die Form, und insbesondere die Innenseite der Form, auf einer geringfügig tieferen Temperatur ist, findet in der Form nur eine relativ geringe Siedewirkung statt. Infolgedessen würde nur relativ wenig Partikelmaterie daraus ausgestoßen. Wenn jedoch Mikrowellenenergie verwendet wird, dann wird das Wasser von der Mikrowellenenergie in den Hohlräumen gleichförmig erhitzt. Die losen Pulverpartikel in den Hohlräumen wirken jetzt in der Tat wie "Siedesteine", da dieser Begriff in der Praxis bestimmter chemischer Verarbeitungstechniken verstanden wird, bei denen Siedesteine als Kristallisationszentren wirken, wo sich Dampfblasen bilden. Somit findet das Sieden bei Verwendung von Mikrowellenenergie vorzugsweise genau an den gewünschten Stellen statt, d. h. in dem losen Pulver, das sich in den Hohlräumen der Keramikform befindet. Man wird verstehen, dass auch andere Flüssigkeiten als Wasser verwendet werden können, um das Pulver zum Sieden zu bringen und auszustoßen, und dass die Frequenz der Mikrowellenerregungsenergie geeigneterweise so gewählt werden sollte, dass sie den Eigenschaften der verwendeten Flüssigkeit entspricht.
  • 2(C) zeigt den Ausstoß von Pulver in einer späteren Stufe, in der sich eine erhebliche Menge des ausgestoßenen Pulvers 33 am Boden des Behälters 23 angesammelt hat. 2(D) zeigt die völlig leeren Formhohlräume, in denen sich das gesamte ausgestoßene Pulver 35 am Boden des Behälters 23 angesammelt hat, und die Mikrowellenleistung ist jetzt abgeschaltet.
  • Der oben beschriebene Siedevorgang reicht aus, um loses Pulver durch relativ komplexe Kanäle auszustoßen. Es wird jedoch bevorzugt, die Form mit ihrem Ausguss wie in den 2(A)2(D) gezeigt auszurichten. Da die Dampfblasen hochzusteigen neigen, wird im Allgemeinen bevorzugt, dass der Hauptaustrittskanal für das Pulver nach oben gerichtet ist.
  • Eine alternative Methode, das Forminnere zum Sieden zu bringen, besteht darin, die Form in eine Flüssigkeit wie z. B. Wasser in einen Druckbehälter wie einen Autoklav einzutauchen. Auf erhöhtem Druck wird die Flüssigkeit auf ihren, oder bis in die Nähe ihres, Siedepunkt(es) gebracht. Eine rasche Druckreduzierung bringt die Flüssigkeit in der Form zum Sieden und der Siedevorgang unterstützt den Ausstoß des Pulvers aus der Form, ähnlich wie beim Sieden mit Mikrowellenenergie wie oben beschrieben.
  • Ein alternatives Verfahren zum Evakuieren von Pulver aus dem Innern einer Keramikform, das hier nicht beansprucht wird, wird mit Bezug auf die 3(A)3(C) beschrieben. Wie darin ersichtlich ist, ist die Form mit einer Kappe 37 versehen, und der Ausguss der Form am Rohr 39 wird mit Saugdruck beaufschlagt, der Luft durch die Wand der Form saugt, so dass sich das Pulver darin löst, so dass loses Pulver 14 aus dem Innern der Form wie in 3(C) gezeigt durch den Ausguss ausfließt. Keramikformen sind gewöhnlich recht porös, eine Anforderung, die im Allgemeinen vom Gießprozess selbst gestellt wird, und die Luft fließt relativ frei durch die poröse Formwand. Nach dem Beaufschlagen von Saugdruck für eine bestimmte Zeitperiode kann die Kappe 37 entfernt werden, so dass die in 3(C) gezeigte leere Form zurückbleibt.
  • Die oben beschriebenen Pulverentfernungsverfahren sind zwar äußerst effektiv, aber es ist möglich, dass eine geringe Menge Pulver auf den Innenflächen der Form zurückbleiben könnte, und solches Pulver haftet besonders leicht an den Innenwänden der Form an. Ein weiterer Prozess, der zum Entfernen von leicht haftenden Materialien nützlich ist, der aber hier nicht beansprucht wird, ist in den 4(A)-4(E) veranschaulicht, wo eine geringe Menge eines Materials, dessen Aufgabe es ist, das lose Pulver durch eine Kombination aus Abrieb- und Aufprallwirkungen zu entfernen, in die Form geschüttet wird (4(A)). In der bevorzugten Ausgestaltung, die sehr klein dargestellt ist, werden allgemein sphärische Metallpartikel 51 in eine Form 47 geschüttet, an deren Innenfläche eine geringe Menge leicht anhaftendes Pulver 39 vorhanden ist. Die Metallpartikel müssen kleiner sein als der kleinste Kanal in der Form. Wenn beispielsweise eine dünnwandige Turbinenschaufel mit einer Wandstärke von 500 Mikron hergestellt wird, dann dürfen die Partikelgrößen 500 Mikron nicht überschreiten und sollten vorzugsweise im Bereich von 100–200 Mikron liegen. Nach dem Schütten des Materials in die Form wird diese mit einer Kappe 55 verschlossen, wie in 4(B) gezeigt ist. Die Form kann dann wie in 3(C) gezeigt umgedreht werden, so dass die Metallpartikel 57 in der Form umherbewegt werden und dadurch auf das leicht anhaftende Keramikpulver 59 aufprallen und es lösen, so dass es sich frei in der Form bewegen kann. Man wird verstehen, dass dieses Umherbewegen beispielsweise durch Hin- und Herwippen der Form und durch kontinuierliches Drehen in einer Richtung bewirkt werden kann. Man wird ferner verstehen, dass die Gestalt der in die Form geschütteten Partikel variieren kann. Man wird jedoch finden, dass sphärische Partikel den Vorteil haben, dass sie äußerst fließfähig sind und sich daher leicht in die und aus der Form schütten lassen. Man wird ebenso verstehen, dass die Form mit den darin umher wirbelnden Partikeln aggressiver gerüttelt werden kann, z. B. durch Schütteln der Form oder mit anderen Mitteln, solange die Partikel nicht so stark auftreffen, dass sie die Form beschädigen.
  • Auch das Material der Partikel, die in die Form gegeben werden, kann variieren. So können beispielsweise Keramikpartikel anstatt Metallpartikel verwendet werden. Metallpartikel scheinen jedoch vorzuziehen zu sein, weil sie eine größere Masse und ein höheres Moment haben und das leicht anhaftende Keramikpulver daher besser losschlagen. Nach einem geeigneten Umherbewegen wird die Kappe 55 abgenommen, und die Metallpartikel 61 zusammen mit den gelösten Keramikpartikeln 63 werden wie in 4(D) ausgeschüttet. Die resultierende fertige Form 19 ist in 3(E) [sic] dargestellt.
  • Ein weiterer Aspekt des in den 3(A)3(E) [sic] gezeigten Prozesses ist die Verwendung von Metallpartikeln mit derselben Legierung wie die, die in die Form gegossen wird. Eine solche Verwendung bietet den Vorteil, dass, wenn ein paar, z. B. ein oder zwei, Metallpartikel in der Form zurückbleiben sollten, diese einfach schmelzen und in das Gussteil integriert werden, wenn die Legierung eingegossen wird. Ein Problem, das beim Erzielen einer solchen Integration entstehen kann, ist, dass die Keramikform häufig einem Befeuerungsschritt unterzogen wird, um die Form vor dem Eingießen des Metalls vorzuerhitzen. Infolge dessen besteht die Gefahr einer Oxidation von einem oder mehreren Metallpartikeln, die beim Befeuern noch übrig sind. Es ist daher nützlich, wird aber hierin nicht beansprucht, Metallpartikel der Legierung zu verwenden, die gegossen werden soll, und solche Partikel mit einem sehr dünnen Überzug aus einem Edelmetall wie Platin zu überziehen. Auf diese Weise widerstehen die Metallpartikel einer Oxidation während des Befeuerungsschrittes und werden leicht beim Gießen in die Legierung integriert.
  • Das Pulver, das in die Form gegossen wird, kann ein lösliches Material sein. So kann beispielsweise ein Metallsalz wie Natriumchlorid als Pulver zum Putztrommeln verwendet werden. Ein solches Pulver löst ungedrucktes, aber leicht anhaftendes Pulver von der Innenseite der Form auf eine Weise ähnlich der, die oben beschrieben wurde. Nach dem Putztrommeln eventuell zurückbleibendes Salzpulver kann durch Eintauchen der Form in ein Lösungsmittel wie Wasser und Auflösen des Salzes entfernt werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Anwendung der Technik der 4(A)4(E) ist der, dass durch das Umherbewegen der Partikel (ob keramisch oder metallisch) das Finish der Innenflächen der Form verbessert wird. Bei Prozessen, bei denen Pulverpartikel zum Bilden eines Teils verwendet werden, wie z. B. bei einem dreidimensionalen Druckvorgang, werden beispielsweise einige Pulverpartikel auf einer Oberfläche des hergestellten Teils möglicherweise nur geringfügig an die Mehrzahl der von der Oberfläche vorstehenden Partikel gebunden. Durch das Umherbewegen der Metall- oder Keramikpartikel in der Form können solche schwach gebundenen Partikel von ihren Innenflächen entfernt werden. Ferner neigt das Umherbewegen dazu, die zwischen den Schichten des Druckprozesses entstehende Stufenkonfiguration zu glätten. Eine solche Stufenkonfiguration entsteht durch den sequentiellen Aufbau des Teils in Schichten finiter Dicke.
  • Ein weiterer Ansatz zum Verbessern des Oberflächenfinish eines porösen Teils, das direkt von einem Computermodell mit Methoden wie einem dreidimensionalen Druckverfahren hergestellt wird, besteht darin, die Innenseite der Form auf eine solche Weise zu beschichten, dass die darunter liegende Oberflächenrauheit mit wachsender Beschichtung abnimmt. Diese Methode wird hierin nicht beansprucht. Um die größte Verbesserung des Oberflächenfinish der Formen zu erzielen, sollte die Beschichtung vorzugsweise nichtkonform sein. 5A zeigt eine Oberfläche, wie sie mit einem dreidimensionalen Druckvorgang erzeugt wurde, die beispielsweise aus drei Schichten aufgebaut ist, so dass die Stufen 67 entstehen. Die Stufen 67 sind eine primäre Quelle für Oberflächenrauheit auf der Form. Darüber hinaus können Defekte 69 in einer einzelnen Schicht entstehen, die ebenfalls zu Oberflächenrauheit führen. 5B zeigt einen nichtkonformen Überzug 71, der in den Eindrücken der Stufenkonfiguration dicker ist und damit dazu neigt, die Oberfläche zu glätten.
  • Überzüge werden zwar in der Formgießindustrie eingesetzt, aber sie wurden hauptsächlich in Sandformen verwendet. Ihr Hauptzweck in solchen Anwendungen ist es, eine Barriere für das im Gießprozess verwendete Schmelzmetall zu erzeugen, so dass dieses nicht in die Sandform eindringt, und dabei wird gewöhnlich das Oberflächenfinish des Gussteils verbessert. In der standardmäßigen Praxis werden diese Überzüge als Lackschichten unter Anwendung von Anstreich-, Sprüh- oder Eintauchtechniken aufgebracht. Die Überzüge werden im Allgemeinen in relativ dicken Schichten von beispielsweise 150–2000 Mikron aufgebracht und werden häufig durch mehrere Applikationen des Beschichtungsmaterials erhalten. Die Beschichtungsmaterialien werden im Allgemeinen mit einem sehr hohen Feststoffgehalt hergestellt, z. B. von bis zu 40 Vol.-%, um solche großen Dicken aufzubauen. Aufgrund der Herstellungs- und Auftragsverfahren lässt sich die Dicke der Überzüge nicht sehr gut regeln, und daher kann die geometrische Genauigkeit des Gussteils leiden. Außerdem ist die Fähigkeit der Überzüge, die Form auf nichtkonforme Weise zu beschichten, begrenzt. Daher sind existierende Sandformbeschichtungstechniken für die Erfordernisse von Formen schlecht geeignet, die mit Schichtherstellungsmethoden wie z. B. dreidimensionalen Druckverfahren hergestellt wurden.
  • Es können Schlicker aus feinen Partikeln zum Erzeugen eines Gussteils verwendet werden, und vorzugsweise eines nichtkonformen Überzugs der Formoberfläche. Diese Methode wird hierin nicht beansprucht. So kann beispielsweise ein Schlicker oder eine Partikeldispersion in einem flüssigen Bindemittel in die Form gegeben werden, und das flüssige Bindemittel wird durch die Wirkung von Kapillarkräften, die die Flüssigkeit in die Form ziehen, veranlasst, in die poröse Form zu fließen. Die Form wirkt in Bezug auf die Partikel als Filter, mit dem Ergebnis, dass diese Partikel auf ihre Oberfläche aufgetragen werden. Die Stufen, die ein größeres Porenvolumen pro Flächeneinheit an der Oberfläche des porösen Körpers haben, neigen dazu, mehr Flüssigkeit einzusaugen, und bewirken somit das Auftragen größerer Mengen Partikelmaterie von dem Schlicker. So wird der nichtkonforme und allgemeine Nivellierungscharakter des Überzugs erzielt.
  • Schlickergießen ist ein Verfahren, das am besten im Bereich der Herstellung von Keramikkörpern bekannt ist. Schlickergießen ist das Auftragen von Partikeln auf die Oberfläche einer porösen Form durch den Fluss eines flüssigen Bindemittels, das diese Partikel dispergiert. Der Begriff "Schlicker" bezieht sich gewöhnlich auf die Partikeldispersion. Schlickergießen wird gewöhnlich zum Herstellen komplex gestalteter Komponenten eingesetzt, indem diese im Innern von porösen Formen gegossen werden. Diese Formen bestehen gewöhnlich aus zwei Hälften und können geteilt werden, um das Teil nach dem Trocknen herauszunehmen. Es hat sich herausgestellt, dass die Gussteildicke recht gleichförmig ist, so dass komplexe Formen für den Keramikdesigner möglich werden.
  • Gemäß diesem Verfahren ist die Gussschicht viel dünner als die, die mit konventionellen Schlickergießteilen erhalten wird, und haftet aufgrund der physikalischen und chemischen Zusammensetzung der Schicht an der Oberfläche des Teils, so dass sie beim Gebrauch nicht absplittert oder sich löst.
  • Somit ist beabsichtigt, dass die Schlickergussschicht zu einem Teil der fertigen Form wird und die Innenschicht oder den Decküberzug der Form bildet. Und genau diese Schicht wird dem Schmelzmetall während des Gießvorgangs ausgesetzt. Somit bietet das Gießen der Innenschicht einen weiteren Vorteil, da sich die Zusammensetzung der Innenschicht von der Zusammensetzung der Masse der Form unterscheiden kann, und somit kann ein Material gewählt werden, das entweder eine Reaktion mit der Metallschmelze minimal hält oder die Kristallisierung von Körnern fördert, je nach Gießanwendung.
  • Die Gussschichtdicke muss beim Entwerfen der Komponente berücksichtigt werden. Glücklicherweise kann die Schichtdicke genau geregelt werden, da die Auftragsrate von bestimmten Prozessparametern abhängig ist. Die Gussschichtdicke h variiert im Laufe der Zeit gemäß der folgenden näherungsweisen Gleichung:
    Figure 00130001
    wobei d die Partikelgröße im Schlicker, ε die Hohlraumfraktion der Gussschicht, μ die Viskosität des flüssigen Bindemittels, y eine Funktion des Feststoffgehalts des Schlickers, y die Oberflächenspannung des flüssigen Bindemittels, K eine Konstante und r die Porengröße im Formmantel ist. Der Krümmungsradius von konturierten Formen ändert sich auch durch das Auftragen von Material auf die gekrümmten Oberflächen der Komponenten. In einer typischen Anwendung können Partikel in Submikron-Größe (d. h. mit Größen von 0,1–1,0 Mikron) verwendet werden, und der Prozess baut gewöhnlich eine Schicht mit einer Stärke von beispielsweise bis zu 60 Mikron auf. Da lediglich Radien betroffen sind, die mit der Schichtdicke vergleichbar sind, werden die meisten Geometrien nicht erheblich verändert. Die Verwendung von dünnen Gussschichten ist dann angezeigt, wenn Änderungen der Formgeometrie während des Gießens minimal bleiben sollen.
  • Mit dieser Technik werden vorzugsweise Schlicker mit relativ niedrigem Feststoffgehalt verwendet. Solche Schlicker können dazu beitragen, die dünnen Gussschichten zu erzeugen, die das gewünschte Ziel dieser Methode sind, da die Dicke der Gussschicht von der Menge an flüssigem Bindemittel, die in den porösen Körper absorbiert wird, und vom Feststoffgehalt des Schlickers abhängig ist, der während der Absorption des flüssigen Bindemittels ausgefiltert wird. So können durch eine Kombination der Regelung von Viskosität und Oberflächenspannung des flüssigen Bindemittels des Schlickers der Feststoffgehalt und die Gießzeit sowie die Schlickerdicke geregelt werden. Es würden gewöhnlich Schlicker mit einem Feststoffgehalt zwischen 1 und 10 Vol.-% verwendet.
  • Ein feines Oberflächenfinish und eine gute mechanische Haftung an der Formmanteloberfläche erfordern die Verwendung von sehr feinen Pulvern. Schlicker aus solchen feinsten Pulvern können mit einer Reihe von Verfahren erhalten werden, die der Fachperson bekannt sind. Feine Keramik- oder Metallpulver sind im Handel erhältlich. Alternativ können solche Pulver durch Sedimentation oder Zentrifugation klassiert werden. Mit solchen Methoden lassen sich Partikelgrößenverteilungen von nur 0,2 bis 0,3 Mikron erzielen. Schlämme mit einer solchen engen Größenverteilung trocknen zu Filmen mit einer Oberflächenglattheit von optischer Qualität. Diese Schlämme können in Bezug auf Ausflockungen durch eine geeignete Wahl des pH-Werts oder durch Zugeben eines Dispersionsmittels stabilisiert werden. Es liegt durchaus im Kompetenzbereich der Fachperson im Bereich Feinpartikeldispersion, die genauen Bedingungen zu ermitteln, unter denen feine Partikel eines bestimmten Materials dispergieren. Aluminiumoxidpartikel dispergieren beispielsweise in Wasser, wenn der pH-Wert unter 4 liegt.
  • Wenn die direkt von einem Computermodell hergestellte Form mit kleinen Partikeln erzeugt wird, z. B. mit Partikeln mit einer Größe im Submikronbereich, dann können die oben beschriebenen Methoden mit wenig oder ohne spezielle Vorbereitung der Form umgesetzt werden. In einem solchen Fall werden die Partikel in dem Schlicker durch die feinen Poren der Form ausgefiltert, und diese Partikel lagern sich gänzlich auf der Oberfläche der Form ab.
  • Die Form wird häufig mit größeren Partikeln hergestellt, und infolgedessen sind die Poren der durch schnelle Prototyping-Methoden hergestellten Komponenten oft größer als die, die zum Ausfiltern der feinen Partikel von Schlicker benötigt werden. In einem solchen Fall sind zwei Ansätze möglich. In einem Ansatz ist der Schlicker so ausgelegt, dass er um eine geringe Distanz in die poröse Form eindringt, aber agglomeriert und nicht weiter eindringt, wenn er eine ungefähre, aber bestimmbare und regulierbare Tiefe erreicht hat. Eine solche geregelte Penetration kann beispielsweise durch Verwenden von Partikeln erzielt werden, die dazu neigen, sich gegenseitig zu blockieren, wenn sie miteinander in Kontakt kommen. Auf eine solche Weise verhalten sich z. B. Plättchenpartikel. Ein möglicher Vorzug in Verbindung mit dem teilweisen Eindringen von Partikeln in die Form ist der, dass die Schlickergussschicht stärker an der Form haftet.
  • Ein weiterer Ansatz in dem Fall, in dem die Poren der durch rasche Prototyping-Methoden hergestellten Form größer sind als die, die zum Ausfiltern der gewünschten feinen Partikel eines Schlickers benötigt werden, besteht darin, die porösen Teile vor der Aufnahme des Überzugs aus Feinpartikelsuspensionen auf geeignete Weise vorzubereiten. In einem Fall werden die Poren auf der Oberfläche des Teils so modifiziert, dass feine Partikel des Schlickers durch die Oberfläche gefiltert werden. Die Porenstruktur kann sehr wirksam modifiziert werden, indem das Teil in eine Gelbildungslösung eingetaucht und vor dem Schlickergießen getrocknet wird. Das Gelbildungsmaterial erzeugt einen Filter in den großen Poren, so dass die feinen Partikel während des Schlickergießens auf geeignete Weise ausgefiltert werden. Das Gel kann dann, wenn es sich um ein organisches Gel handelt, nach dem Beschichten durch Befeuern im Falle entfernt werden. Alternativ können in einem anderen Fall anorganische Gele verwendet werden, die beim Gebrauch in der Komponente zurückbleiben. So ist z. B. Kolloidsilika des Typs, der für Investmentgussformen verwendet wird, ein geeignetes Gelbildungsmaterial, das verwendet werden kann. Das Kolloidsilika wird während des Trocknens auf die Oberfläche gezogen, um die großen Poren mit Silikapartikeln mit Nanometergröfle zu füllen. Durch diesen Vorgang entsteht ein wirksamer Filter, der die Passage der Aluminiumoxidpartikel nach dem anschließenden Schlickergießen verhindert. Ein solcher Vorbeschichtungsvorgang braucht mit Kolloidsilika nicht durchgeführt zu werden. Feuerfestere Feststoffe wie Zirkoniumoxid, Yttriumoxid oder Aluminiumoxid sind möglicherweise ebenso wirkungsvoll. 6 zeigt das dreidimensionale gedruckte Teil aus drei Schichten von recht großen Partikeln 73. Die Filterschicht 75 wurde in dem Teil und auf der Oberfläche des Teils ausgebildet. Feine Partikel 77 wurden auf die Filterschicht schlickergegossen, mit dem Ergebnis, dass die scharfkantigen Stufen in dem Teil zu runderen Konturen 79 geglättet wurden.
  • Eine Variation der obigen Verfahrensweise besteht darin, einen teilweise gesättigten Vorformling in einem Reaktionsgießprozess zu verwenden. Die verwendete Flüssigkeit wird jedoch so gewählt, dass der Schlamm ausflockt und die Poren verstopft, bevor viel Schlamm in den Körper eingesaugt wurde. Ein Beispiel für diesen Reaktionsgussansatz besteht darin, Aluminiumoxidschlämme auf Teile zu gießen, die geringfügig mit Ammoniumhydroxidlösung gesättigt sind. Die azidische Aluminiumoxiddispersion flockt im Inneren des Teils aus, wenn sie mit der basischen Lösung in Kontakt kommt.
  • Ein Problem, das entstehen kann, ist das Reißen von gegossenen Filmen, d. h. es können beim Trocknen infolge von Kapillarspannungen Risse entstehen. Die Bildung von Rissen war der Gegenstand kürzlicher Untersuchungen, wie z. B. in dem Artikel von R. C. Chiu und M. J. Cima, "Drying of Granular Ceramic Films: II. Drying Stress and Saturation Uniformity" erörtert ist, der dem Journal of the American Ceramic Society 1992 vorgelegt wurde. Wie darin beschrieben, können Risse mit mehreren Methoden wirksam verhindert werden. So bilden sich beispielsweise die Risse nicht in Filmen mit Dicken unter einem kritischen Wert. Die kritische Reißdicke für Filme aus Aluminiumoxidgranulat beträgt etwa 60 Mikron. Dünne Filme, z. B. mit einer Dicke von weniger als 60 Mikron, stellen kein Reißproblem dar, da darin nicht genügend elastische Energie vorhanden ist, um Risse zu bilden und auszuweiten. Ein alternativer Ansatz besteht darin, den Film durch Zugabe eines Bindemittels zu stärken. Es können organische und anorganische Bindemittel verwendet werden. Ausgezeichnete Beispiele für Investmentgießformen sind Zirkoniumacetat, Yttriumsolen oder Böhmitsolen, die mit azidischen Aluminiumoxidschlickern kompatibel sind. Diese Bindemittel festigen nicht nur die frischen Filme, sondern verbessern auch die Bindung des Films mit der dreidimensionalen gedruckten Komponente nach dem Befeuern.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Entfernen von losem Pulver (31) von internen Kanälen eines Körpers (17), der mit einer Schichtherstellungstechnik produziert wurde, umfassend die folgenden Schritte: Legen des Körpers in ein Flüssigkeitsbad (21); und Bestrahlen der Flüssigkeit (21) und des Körpers (17) mit Energie (29) mit einer Frequenz, die so gewählt wird, dass die Flüssigkeit über ihr gesamtes Volumen erregt wird, um die Flüssigkeit zum Sieden zu bringen, so dass Fluidbewegung in den internen Kanälen des genannten Körpers erzeugt wird, wobei die genannte Bewegung ein Ausstoßen des losen Pulvers (31) aus den genannten Kanälen bewirkt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Flüssigkeit (21) Wasser und die Energiestrahlung (29) Mikrowellenenergie ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Frequenz der Mikrowellenenergie (29) etwa 2450 MHz gewählt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Körper (17) Keramik ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Keramikkörper (17) eine Form ist, die zum Metallgießen bestimmt ist.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Körper (17) mit einer dreidimensionalen Druckschichttechnik hergestellt wurde.
  7. Verfahren zum Entfernen von losem Pulver (31) von internen Kanälen eines Körpers (17), der mit einer Schichtherstellungstechnik produziert wurde, umfassend die folgenden Schritte: Legen des Körpers in ein Flüssigkeitsbad (21) und in einen Behälter (23); Beaufschlagen des Körpers (17) und des Bades mit einem erhöhten Druck; Erhöhen der Temperatur des Körpers (17) und des Bades auf den oder in die Nähe des Siedepunkt es) der Flüssigkeit (21) auf dem erhöhten Druck; rasches Senken des Drucks in dem Behälter (23), um die Flüssigkeit (21) zum Sieden zu bringen, einschließlich des Siedens in den internen Kanälen des Körpers (17), wobei das genannte Sieden das Ausstoßen von losem Pulver (31) bewirkt.
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