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Einleitung
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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.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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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.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher anhand
der Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
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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
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2(A)–2(D) eine Folge von Vorgängen gemäß der Erfindung,
die zum Entfernen von losem Pulver aus einer Keramikform mit Mikrowellenenergie
durchgeführt
wird.
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Die folgenden Figuren illustrieren
weitere Methoden für
Formfertigungsvorgänge,
die hierin nicht beansprucht werden:
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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;
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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;
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.