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Dokumentenidentifikation DE102004021209B4 29.06.2006
Titel Verfahren zur Herstellung einer Gießform aus einem Verbundformstoff für Gießereizwecke
Anmelder ACTech GmbH, 09599 Freiberg, DE
Erfinder Alijew, Reso, Dr., 09599 Freiberg, DE;
Gantner, Detlev, 09599 Freiberg, DE
Vertreter Borchard, W., Dipl.-Ing. (FH), Pat.-Anw., 04129 Leipzig
DE-Anmeldedatum 29.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004021209
Offenlegungstag 01.12.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.06.2006
IPC-Hauptklasse B22C 9/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Gießform aus einem Verbundformstoff für Gießereizwecke, der aus verschiedenartigen Formstoffen zusammengesetzt ist, die für das Gießen von Metallen hitzebeständig sind und die eine unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung oder einen unterschiedlichen Gehalt an organischen oder anorganischen Bindemitteln aufweisen. Derartige Formstoffe sind insbesondere Zusammensetzungen von hitzebeständigen Formmassen und Kernmassen, die aus einem feuerfesten mineralischen Grundstoff, meist Quarzsand, und einem Bindersystem bestehen. Für besondere Ansprüche an die Form und das Gussteil werden auch feuerfeste keramische Massen und Werkstoffe eingesetzt, die sich durch abtragende Fertigungsverfahren bearbeiten lassen. Quarzsand ist wegen seines angemessenen Preises, seiner Häufigkeit und seiner Eigenschaften der überwiegende Formgrundstoff.

Im Streben nach kostengünstigen Lösungen bei der Herstellung von Gießformen ist es seit langem in der Praxis bekannt, Formstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften und demzufolge verschiedener Zusammensetzung einzusetzen. Nach Ambos, Urformtechnik metallischer Werkstoffe, Verlag für Grundstoffindustrie, 2. Auflage, Leipzig 1982, Seite 51, ist es bei manueller und mechanisierter Herstellung der Formen und Kerne üblich, sobald diese eine bestimmte Mindestgröße überschreiten, an das Modell oder die Kernkastenwand eine dünne Schicht hochwertigen Formstoffs anzulegen. Dieser Formstoff gerät beim Gießen in unmittelbaren Kontakt mit dem flüssigen Metall und muss die dem Gussteil adäquaten Eigenschaften aufweisen. Er enthält deshalb einen relativ hohen Anteil von Bindemittel und wird als Modellformstoff bezeichnet.

Der größte Teil des Formkasten beziehungsweise des Kernkastens wird jedoch mit einem Formstoff geringerer Wertigkeit, dem so genannten Füllformstoff oder Füllsand, ausgefüllt. Er enthält wesentlich weniger Bindemittel und gestattet maßgebliche Kostenreduzierungen gegenüber dem Füllen der gesamten Form mit hochwertigem Formstoff, wie er an der Kontaktfläche des Formstoffs an das flüssige Metall benötigt wird. Nachteilig ist, dass für die Herstellung einer Gießform ein Modell benötigt wird. Die Herstellung eines Modells ist mit einer weiteren Kostenerhöhung und einem erheblichen Zeitaufwand verbunden. Außerdem ist das Verfahren auf die Herstellung von Gießformen beschränkt, die ausschließlich aus Gießereiformsand bestehen.

Aus der JP 61 245 942 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer verlorenen Gießform aus einem Verbundformstoff bekannt, die eine in eine Sandform eingebettete Gipsform aufweist. Für die Anfertigung der Gipsform und der Sandform ist jeweils die Herstellung eines Modells erforderlich. Für die Gipsform wird ein Modell aus Wachs gefertigt, das in einen Behälter eingesetzt und mit einem Gipsbrei vergossen wird. Die Gipsform wird einer Primär – und Sekundärcalcination unterworfen, damit die keramische Form gehärtet wird. Die Gipsform wird in die Gussteilform mit Gießereiformsand eingebettet und nachfolgend wird dann das flüssige Metall gegossen. Bei dieser Verfahrensweise werden verschiedene zeitaufwändige Herstellungsschritte für die Herstellung der Modelle für die Sandform und die Gipsform erforderlich, die mit einem erheblichen Kostenaufwand verbunden sind. Insbesondere für die schnelle Herstellung von Prototypen ist das vorgeschlagene Verfahren aus diesem Grunde nicht geeignet.

In der DE 100 14 591 C1 ist ein Verfahren zum steigenden Giessen in Sandformen beschrieben, die mit harzreichen oder besonders bindemittelhaltigen Gießkernen versehen sind. Eine derartige Gießform weist eine horizontale Teilung zwischen einer Unterkastenform und einer Oberkastenform aus einem Formstoff mit einem Formhohlraum auf, der mit der zu gießenden flüssigen Metallschmelze gefüllt wird. Als Formstoff wird vorzugsweise ein Formsand mit einem harzhaltigen Bindemittel eingesetzt. Der Formhohlraum, beispielsweise für einen Zylinderkopf, weist einen harzreichen oder besonders bindemittelhaltigen Wassermantelkern auf, der mit entsprechenden Kernmarken in die Gießform eingelegt wird. Harzreiche Kerne werden besonders durch das Lasersintern von Formsand hergestellt. Die Unterkastenform besitzt weiterhin einen separat durch Formstoff – Fräsen hergestellten Basiskern, der ebenfalls in die Gießform eingelegt wird. Für den Basiskern wird ein Formstoff eingesetzt, der für das Formstoff – Fräsen geeignet ist. Die Unterkastenform mit dem Basiskern kann auch einteilig durch ein konventionelles Formverfahren hergestellt werden. In diesem Fall wird für die Gießform ein einheitlicher Formstoff eingesetzt.

Die DE 196 52 223 C2 bezieht sich auf die Gebiete der Pulvermetallurgie und der Keramik und betrifft Formkörper aus einem Werkstoffverbund, der im gesinterten Zustand als Schutzschicht gegen korrosive, thermische, chemische oder tribologische Beanspruchungen zum Einsatz kommt. Bei der Pulvermetallurgie werden Werkstoffe in Teilchenform zunächst als ein Grünkörper hergestellt und anschließend bei einer Temperatur zwischen 1350 °C und 1900 °C gesintert. Ein Hauptanwendungsgebiet gesinterter keramischer Formkörper ist beispielsweise der Einsatz als Schneidkeramik. Wegen der hohen Endfestigkeit ist die mechanische Bearbeitung einer derartigen Keramik nach dem Sintern nicht möglich.

In der Produktentwicklung werden kostengünstige und schnelle Prototypen mit zunehmender Seriennähe zu Designstudien und Funktionszwecken benötigt, um die hohen Entwicklungskosten herabzusetzen. Durch die notwendige Anfertigung von Modellen ist die schnelle Verfügbarkeit von Prototypen nicht gewährleistet, weil die Herstellung keramischer Gießformen einen hohen zeitlichen Bedarf beansprucht. Die Erfindung bezweckt daher ein schnelles und kostengünstiges Verfahren für die Herstellung einer Gießform aus einem Verbundformstoff für Gießereizwecke, der aus verschiedenartigen Formstoffen zusammengesetzt ist.

Die Erfindung löst die voran stehende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, nämlich durch die Herstellung eines blockförmigen Verbundformstoffs aus unterschiedlichen Gießereiformstoffen und dessen anschließende mechanische Bearbeitung. Bei der Herstellung des blockförmigen Verbundformstoffs wird zunächst ein fester Formkörper aus dem Gießereiformstoff A hergestellt, meist quaderförmig, der von einem rieselfähigen Gießereiformstoff B, meist chemisch gebundener Formsand, umhüllt wird, der nach dem Aushärten mit dem Gießereiformstoff A eine formschlüssige Verbindung eingeht. Das formschlüssige Einbetten des keramischen Formkörpers in den Gießereisand kann mit Hilfe von Vorsprüngen oder Ausnehmungen oder durch eine entsprechende prismatische Form des keramischen Formkörpers mit konisch verlaufenden Seitenwänden erfolgen.

Bei der anschließenden mechanischen Bearbeitung wird in den Bereich des Gießereiformstoffes A die Negativkontur des Gussteiles eingebracht, während in den Bereich des Gießereiformstoffes B ausschließlich das Anguss-System und Speisersystem eingebracht wird. Entsprechend den unterschiedlichen Werkstoffdaten ist es zweckmäßig, für die Bearbeitung des Formhohlraumes für das Gussteil in dem Bereich des Gießereiformstoffs A ein separates CAD/CAM Bearbeitungsprogramm zu verwenden. Für die Bearbeitung des Anguss-Systems und des Speisersystems im Bereich des Gießereiformstoffs B kann dementsprechend ein zweites Bearbeitungsprogramm für ein abtragendes Verfahren, vorzugsweise ein Fräsprogramm für das direkte Formstoff – Fräsen eingesetzt werden.

Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist eine Gießform aus einem Verbundformstoff von zwei unterschiedlichen Gießereiformstoffen, die eine unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung entsprechend der gewünschten Gussteilqualität aufweist. Die unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung kann durch einen unterschiedlichen Gehalt an Bindemitteln oder durch die die Zusammensetzung des verwendeten Gießereiformstoffs gekennzeichnet sein. Besonders vorteilhaft ist ein Verbundformstoff in Kombination von herkömmlichem Gießereisand für den Gießereiformstoff B mit keramischen Werkstoffen für den Gießereiformstoff A. Der keramische Werkstoff enthält dabei ausschließlich die Gussteilgeometrie.

Die Herstellung von qualitativ hochwertigen Gussteilen bzgl. Maßhaltigkeit und Oberflächengüte mit einer keramischen Gießform kann wesentlich vereinfacht und beschleunigt werden, weil der Anteil der zu bearbeitenden Keramik auf ein Minimum reduziert werden kann.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im Einzelnen zeigt

1 eine halbe Gießform aus zwei Gießereiformstoffen,

2 die Herstellung eines blockförmigen Verbundformstoffs aus zwei unterschiedlichen Gießereiformstoffen und

3 das Einbringen der Formkontur durch Fräsen in schematischer Darstellung.

Das nachfolgende Ausführungsbeispiel soll anhand einer keramischen Gießform für ein Gussteil, beispielsweise ein Feingussteil, beschrieben werden. In der 1 ist eine der Gießformhälften dargestellt, die mit dem nicht dargestellten Gegenstück zusammen eine Gießform für ein metallisches Gussteil ergibt. Der Formhohlraum 1 des Gussteiles wird dabei durch einen Formkörper 2 abgebildet, der vollständig aus einem keramischen Gießereiformstoff A hergestellt wird. Der Formkörper 2 bildet mit einem Formstoffblock 3 aus einem Gießereiformstoff B einen blockförmigen Verbundformstoff. Im Bereich des Formstoffblocks 3 aus dem Gießereiformstoffes B ist ein Stück des Anguss-Systems 4 und des Speisersystems 5 sichtbar. Die Gießform ist eine zweiteilige Form beispielsweise mit einem Oberteil und einem Unterteil. Bei komplexeren Gussteilen kann die Gießform aus mehreren Teilen bestehen, z.B. noch aus Kernen. Für das Einlegen von Kernen können in die Gießformhälften problemlos Kernmarken 6 eingearbeitet werden.

In dem Ausführungsbeispiel wird gemäß 2 zur schrittweisen Anfertigung einer Gießform ein der jeweiligen Gießformhälfte entsprechender Verbundformstoff hergestellt, der einen Formkörper 2 aus einem keramischen Gießereiformstoff A enthält. Aus dem keramischen Gießereiformstoff A wird zunächst ein prismatischer Formkörper 2 hergestellt, der im Wesentlichen den Abmessungen des tatsächlichen Gussteiles entspricht, ausgenommen das Anguss-System 4 und Speisersystem 5. Der keramische Formkörper 2 wird in Endfestigkeit unter Verwendung eines Gießereiformstoffs A hergestellt, der für eine abtragende Bearbeitung durch ein Verfahren wie Fräsen, Bohren, Drehen, Schleifen oder Erodieren geeignet ist und der den gießtechnischen Anforderungen in Bezug auf Hitzebeständigkeit und die Reaktionsfestigkeit gegenüber dem Gusswerkstoff genügt.

Im nächsten Arbeitsschritt, vor der Herstellung des Formhohlraums 1 für das Gussteil, wird der keramische Formkörper 2 aus dem Gießereiformstoff A von einen Formstoffblock 3 aus einem rieselfähigen, chemisch gebundenen Gießereiformstoff B umhüllt. In den Formstoffblock 3 sind im Wesentlichen das Anguss-System 4 und das Speisersystem 5 integriert. Während der Blockabformung des Formstoffblocks 3 soll der Formkörper 2 formschlüssig mit dem umhüllenden chemisch aushärtenden Gießereiformstoff B verbunden werden. Der Formschluss kann mit Hilfe von Vorsprüngen oder Ausnehmungen oder durch eine entsprechende prismatische Form des Formkörpers 2 mit konisch verlaufenden Seitenwänden 7 erfolgen. Vorzugsweise wird für das Umhüllen des keramischen Formkörpers 2 ein aus Quarzsand bestehender Gießereiformsand mit einem wärmehärtbaren Bindemittel eingesetzt. Daraufhin wird die Gießform während der Blockformung mit dem eingebrachten Gießereisand – Bindemittel – Gemisch auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Binders erhitzt und der Formstoffblock 3 ausgehärtet. Nach der Aushärtung bildet der Formkörper 2 aus dem Gießereiformstoff A mit dem Formstoffblock 3 aus dem Gießereiformstoff B einen Verbundformstoff der in einer Aufspannung durch ein abtragendes Verfahren mit einer entsprechenden Werkzeugmaschine durch Fräsen, Bohren, Drehen oder Schleifen bearbeitet werden kann.

Die Erfindung soll jedoch nicht auf einen Gießereiformstoff B mit einem warmhärtbaren Bindemittel beschränkt werden. Vielmehr können im Rahmen der Patentansprüche als Bindemittel für Gießereiformsand Bentonite eingesetzt werden. Als aushärtende Bindemittel sind beispielsweise Wasserglas oder Furanharze sowie andere Produkte der organischen Chemie anwendbar. Für größere Gussstücke kann mit gutem Erfolg Zement als aushärtendes Bindemittel verwandt werden. Es kann auch ein Giessereiformstoff eingesetzt werden, der einen Zusatz von Gips als Bindemittel aufweist. Insgesamt können Bindemittel eingesetzt werden, die nachfolgend die Bearbeitung des Gießsystems mit abtragenden Verfahren ermöglichen.

Nach 3 erfolgt in einem weiteren Arbeitsschritt die Bearbeitung des Anguss-Systems 4 und des Speisersystems 5, das besonders vorteilhaft bei Verwendung von Gießereiformsand durch direktes Formstoff – Fräsen mit einer CNC – Fräsmaschine vorgenommen werden kann. Die Erzeugung des Formhohlraums 1 für das Gussteil erfolgt ebenfalls mit einer CNC-Werkzeugmaschine.

Zur NC – Programmierung komplizierter dreidimensionale Oberflächen werden CAM Systeme eingesetzt, die eine manuelle Programmierung überflüssig machen. Die Entwicklungsarbeit bei der Herstellung von Prototypen reduziert sich auf das maßgerechte Konstruieren innerhalb eines CAD – Systems. Derartige Systeme sind unabhängig von der Komplexität des Gussstücks und ermöglichen unterschiedliche Bearbeitungsanweisungen für Frässtrategien und andere abtragende Verfahren. Die Fertigung der Prototypen basiert somit direkt auf den 3D – Datensätzen des Gussrohteiles, aus denen die Datensätze für den Formhohlraum 1 generiert werden. Durch den Einsatz des direkten Formstoff – Fräsens ist damit eine noch schnellere und kostengünstige ausschließlich computergestützte Bereitstellung von Prototypen möglich.

Die Konstruktion der Kavität für das Anguss-System 4 und das Speisersystem 5 erfolgt aus den Rohteildaten des Gussstücks, aus denen die Datensätze für das Anguss-System 4 und das Speisersystem 5 angefertigt werden. Durch einen Datentransfer wird mit daraus abgeleiteten NC – Daten das Fräsprogramm unter Verwendung der Werkzeugvorgaben erstellt. Vorteilhaft ist die Möglichkeit des Einsatzes einer besonderen Frässtrategie für die Herstellung des Anguss-Systems 4 und des Speisersystems 5 bei Einsatz eines kunstharzgebundenen Gießereiformsands.

Für den Formkörper 2 kann ein für das Gussteil optimaler Gießereiformstoff A ausgewählt werden, während der Gießereiformstoff B die mechanische Bearbeitung vereinfacht oder anderen Randbedingungen besser genügt. Demzufolge kann für den Formhohlraum 1, das Anguss-System 4 und für das Speisersystem 5 separat jeweils die günstigste Frässtrategie ausgewählt werden.

Dieses Verfahren kann auch bei Gussteilen mit einer komplizierten Geometrie eingesetzt werden. Auf diese Weise ermöglicht die Erfindung die Herstellung schneller Prototypen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung einer Gießform aus einem Verbundformstoff für Gießereizwecke, der aus verschiedenartigen Formstoffen zusammengesetzt ist, die für das Gießen von Metallen hitzebeständig sind und die eine unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Gießereiformstoff A ein fester Formkörper (2) hergestellt wird, der bei der Herstellung mit einem rieselfähigen chemisch gebundenen Gießereiformstoff B vollständig oder teilweise umhüllt wird, wobei aus dem blockförmigen Verbundformstoff nach dem Aushärten des Gießereiformstoffes B ein Formstoffblock (3) gebildet wird, der anschließend durch ein abtragendes Verfahren wie Fräsen, Bohren, Drehen oder Schleifen bearbeitet wird, wobei in den aus dem Gießereiformstoff A bestehenden Formkörper (2) der Formhohlraum (1) und in den aus dem Gießereiformstoff B bestehenden Formstoffblock (3) das Anguss-System (4) und Speisersystem (5) unter Verwendung von CAD-Daten eingebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Gießereiformstoff A feuerfeste temperaturwechselbeständige keramische Gießereiformstoffe in Endfestigkeit eingesetzt werden, die durch ein abtragendes Verfahren, wie Fräsen, Drehen, Bohren oder Schleifen bearbeitet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Gießereiformstoff A Gießereiformsand mit einem warmhärtbaren Bindemittel oder einem Bindemittel auf der Basis von Bentoniten, Wasserglas, Furanharz, Zement oder Gips in Endfestigkeit eingesetzt wird, wobei der Bindemittelgehalt anders und/oder die Sandsorte eine andere als bei Gießereiformstoff B ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Gießereiformstoff B Gießereiformsand mit einem warmhärtbaren Bindemittel oder einem Bindemittel auf der Basis von Bentoniten, Wasserglas, Furanharz, Zement oder Gips eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Blockabformung der Formkörper (2) aus dem Gießereiformstoff A formschlüssig mit dem Gießereiformstoff B mittels Vorsprüngen oder Ausnehmungen oder durch eine prismatische Form mit konisch verlaufenden Seitenwänden (7) verbunden wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung des Formhohlraums (1) für das Gussteil mit einem aus den 3D – Datensätzen des Gussrohteiles generierten NC-Programm und die Fertigung des Anguss-Systems (4) und Speisersystems (5) mit einem separaten NC-Programm mit jeweils angepaßten Bearbeitungsparametern vorgenommen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gießform Kernmarken (6) für Kerne eingearbeitet werden.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

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