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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zur Herstellung
eines Schaumteiles aus einem metallischen porösen Körper und ein Verfahren zur
Herstellung dieses Formwerkzeuges.
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Metallische
poröse
Körper
können
nach dem pulvermetallurgischen Prinzip hergestellt werden. Bei Herstellung
metallischer Schaumkörper
nach dem pulvermetallurgischen Prinzip wird zumindest ein Metallpulver
mit zumindest einem Treibmittelpulver vermischt. Diese Mischung
wird anschließend
kompaktiert. Das derart gebildete Halbzeug wird in einer bestimmten
Menge in eine Schäumform
eingelegt. Dabei entspricht das Halbzeugvolumen einem Produkt aus
einem Volumen der Schäumform
und einem Reziprokwert der Schäumrate
der Metallpulver/Treibmittelpulver-Mischung.
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Anschließend wird
die Schäumform
mit eingelegtem Halbzeug auf Schmelztemperatur erhitzt, wobei das
im Halbzeug enthaltene Treibmittel Gas freisetzt, welches das entstehende
flüssige
Halbzeug aufschäumt.
Idealerweise füllt
hierbei der entstehende metallische Schaum die Schäumform vollständig aus,
wobei eine Geometrie der Schäumform
in aller Regel konturennah eine Geometrie des herzustellenden Schaumteiles
abbildet.
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Das
Formwerkzeug mit der Schäumform muß aufgrund
des notwendigen Erhitzungsvorganges aus einem höherschmelzenden Werkstoff als
einer Legierung des metallischen Schaumteils gefertigt sein. Aus ökonomischen
Gründen
und im Hinblick auf eine gute Be- und
Verarbeitbarkeit besteht die Schäumform
hierbei meist aus Stahl.
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Allerdings
werden derzeit hauptsächlich Schaumteile
auf Aluminiumbasis produziert. Daher müssen die hierfür verwendeten
Formwerkzeuge mit den Schäumformen
auf Temperaturen erwärmt
werden, bei denen niedriglegierter, und u.U. sogar hochlegierter
Stahl verzundert.
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Außerdem ist
mit dieser Wärmebehandlung der
Schaumteile meist auch eine Änderung
des Gefüge-
und Wärmebehandlungszustandes
des Stahls des Formwerkzeuges mit der Schäumform verbunden.
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Im
Ergebnis können
hierdurch die ursprünglich
eingestellten gewünschten
Eigenschaften der Schäumform
verloren gehen.
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Außerdem tritt
bei Verwendung von Stahl als Schäumformenwerkstoff
während
des Wärmebehandlungsprozesses
des Schäumteiles
ein teilweise beträchtlicher
Verzug der Schäumform
auf. Dies beruht auf dem Ausdehnungs- und Umwandlungsverhalten der
Stähle.
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Die
Verzunderung und der Verzug der Schäumform bewirken mit wachsender
Zahl geschäumter
Teile eine deutliche Verschlechterung der Bauteiloberflächen und
-toleranzen. Dieser über
die Nutzungsdauer der Schäumform
bestehende Trend kann nur durch aufwendige Nachbearbeitung abgeschwächt werden.
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Um
den erstarrten Schaumkörper
nach erfolgter Wärmebehandlung
aus der Schäumform
entfernen zu können,
werden die mit dem metallischen Schaum in Berührung kommenden Formflächen der Schäumform mit
einem Trennmittel beschichtet. Geschieht dies nicht, kann es zur
Verbindung von Schaum und Schäumform
kommen.
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Als
Trennmittel kommen beispielsweise Schlichten in Frage. Schlichten
sind feuerteste (keramische) Stoffe, die meist in flüssiger oder
pastöser Form
als ein dünner Überzug auf
die Schäumform, auf
Kerne oder sonstige Gießwerkzeuge
aufgetragen werden.
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Das
Aufbringen eines Trennmittels ist allerdings mit einem erhöhten Arbeits-
und Zeitaufwand und entsprechend mit höheren Kosten verbunden.
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Weiterhin
sind die Schäumform
im Falle von kompliziert geformten dreidimensionalen Schaumteilen
in der Regel mehrteilig und werden beispielsweise durch NC-Fräsen hergestellt.
Dies erhöht
die Fertigungskosten beträchtlich.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Formwerkzeug zur
Herstellung eines Schaumteiles aus einem metallischen porösen Körper sowie
ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formwerkzeuges anzugeben,
bei denen sich eine Verwendung eines Trennmittels erübrigt.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Formwerkzeug zur
Herstellung eines Schaumteiles aus einem metallischen porösen Körper mit
einer vom metallischen porösen
Körper auszufüllenden
Schäumform,
wobei die Schäumform aus
einem mineralischen Werkstoff besteht.
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Mit
Verwendung einer Schäumform
aus einem mineralischen Werkstoff (z.B. Keramik) erübrigt sich
die Verwendung eines Trennmittels. Zudem ist der Schaumkern (d.h.
das hergestellte Schaumteil) leicht entformbar, beispielsweise durch
Zerstörung der
Form. Weiterhin ist das mineralische Material im Vergleich zu Metall
vergleichsweise preiswert und leicht zu verarbeiten. Desgleichen
können
beliebige dreidimensionale Formkonturen hergestellt werden. Außerdem weist
die vorliegende Schäumform
eine hohe Maßbeständigkeit
aufgrund des geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des mineralischen
Werkstoffes auf. Weiterhin kann der mineralische Werkstoff derart
gewählt
werden, daß ein
Ankleben des Metalls an der Formwand vermieden und eine sichere
Trennung des Schäumkörpers von
den Formwänden
beim Leeren der Form gewährleistet ist.
Ferner kann der mineralische Werkstoff Zusätze enthalten, damit dieser
nicht mit dem flüssigen
Metall chemisch reagiert.
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Vorzugsweise
ist als mineralischer Werkstoff Gips, Keramik oder Graphit verwendet.
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Weiterhin
kann eine Wärmeleitfähigkeit
der Schäumform
durch Zusätze
zum mineralischen Werkstoff, wie Gitter, Fasern, Späne oder
Pulver, eingestellt sein.
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Die
Schäumform
kann auch aus einem oder mehreren Komponenten, insbesondere Unterkasten und
Deckel, gefertigt sein. Hierbei kann die Schäumform aus 3D-Formen, insbesondere
vorgefertigten Platten, Balken und/oder Profilen zusammengesetzt sein.
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Das
Formwerkzeug kann außerdem
mit einer Tragkonstruktion versehen sein, wobei die Schäumform oder
die Schäumformkomponenten
von der Tragkonstruktion aufgenommen (und in deren relativer Anordnung
gehalten) sind. Hierbei kann Stahl als Trag- und Konstruktionswerkstoff
genutzt sein.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird insbesondere auch gelöst durch eine keramische Feingießform oder
eine Gipsform, die mit einem verlorenen Modell oder nach einem Rapid
Prototyping beziehungsweise Rapid Tooling Verfahren hergestellt
ist.
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Hinsichtlich
des Verfahrensaspektes wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein
Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeuges zur Herstellung eines
Schaumteiles aus einem metallischen porösen Körper, bei dem ein Modell des
herzustellenden porösen
Körpers
mit einem mineralischen Werkstoff umformt oder umgossen wird.
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Bevorzugterweise
weist das Verfahren eine Nachbehandlung des mineralischen Werkstoffes
auf. Bei Verwendung eines verlorenen Modells kann dieses ausgeschmolzen
und die Form zum Erreichen der Endfestigkeit gebrannt werden.
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Vorzugsweise
wird das Modell des herzustellenden porösen Körpers beim vorliegenden Verfahren
durch Rapid Prototyping oder Rapid Tooling Verfahren hergestellt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
des Formwerkzeuges mit einem kastenartigen Aufbau,
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des Formwerkzeuges, zusammengesetzt aus mehreren vorgefertigten
Komponenten,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des Formwerkzeuges mit einer Tragkonstruktion für ein aus mehreren vorgefertigten
Komponenten zusammengesetztes Formwerkzeug und
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4 eine
konturnahe Keramikform mit verlorenem (ausgeschmolzenen) Modell.
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1 zeigt
ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Schaumteiles aus einem metallischen
porösen
Körper
(vereinfachend auch als „Schaumkörper" bezeichnet), wobei
die Schäumform 1 aus
einem Unterkasten 2 und einem Deckel 3 besteht.
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In
den zwischen diesen Schäumformkomponenten 2, 3 gebildeten
Formhohlraum wird das einleitend beschriebene Halbzeug, bestehend
aus einem Metallpulver/Treibmittelpulver-Preßling
eingelegt.
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Nach
Schließen
des Formhohlraums, vorliegend durch Auflegen und Sichern des Deckels 3 auf den
Unterkasten 2, wird die geschlossene Schäumform auf
Schmelztemperatur gebracht, wobei das im schäumbaren Halbzeug enthaltene
Treibmittel Gas freisetzt, welche das flüssige Halbzeug aufschäumt und
den Formhohlraum der Schäumform
ausfüllt, wodurch
eine Geometrie des herzustellenden Schaumteiles konturennah abgebildet
wird.
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Die
Schäumform
kann auch aus mehreren Formteilen bestehen, um eine Detaillierung
und ggf. Hinterschnitte zu realisieren.
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Die
Schäumform
kann, wie in 2 dargestellt, aus einzelnen
Keramik-/Gipsteilen 4, vorzugsweise 3D-Formteilen, wie
vorgefertigte Platten, Balken und/oder Profile, zusammengesetzt
werden.
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Besteht
die Schäumform
aus mehreren Komponenten, werden diese miteinander verbunden, um
deren relative Anordnung zueinander sicherzustellen. Hierzu kann
eine Tragkonstruktion dienen. Als Trag- und Konstruktionswerkstoff
wird vorliegend Stahl genutzt.
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Bei
der Formteilmontage von Gipsformen werden alle Teile durch den im
CAD vorab eingebrachten Formschluss lageorientiert zusammengefügt.
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In 3 ist
eine solche Tragkonstruktion schematisch dargestellt, wobei in diesem
Falle die Formkomponenten 4 in einer Tragkonstruktion 5 aufgenommen
sind.
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Insbesondere
wenn das herzustellende Schaumteil eine komplexe dreidimensionale
Form aufweist, kann zunächst
ein Modell („Positivform") des herzustellenden
Schaumteiles, insbesondere durch Rapid Prototyping, hergestellt
werden. Das Modell kann jedoch auch nach anderen Herstellungsverfahren,
insbesondere Fräsen,
hergestellt werden.
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Die
Schäumform
wird anschließend
gefertigt, indem das derart hergestellte vorgefertigte Modell mit
dem mineralischen Werkstoff umformt bzw. umgossen wird.
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Hieran
schließt
sich ggf. eine Nachbehandlung der mineralischen Form, wie insbesondere
eine Trocknung, an.
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Bei
Verwendung eines „verlorenen
Modells" wird dieses
ausgeschmolzen und die Form zum Erreichen der Endfestigkeit gebrannt.
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Das „verlorene
Modell" wird dabei
aus Spezialwachsen oder ähnlichen
Thermoplasten oder deren Gemischen hergestellt. Es handelt sich
jeweils um verlorene Modelle aus einem schmelzfähigen, vergasbaren oder in
einer Flüssigkeit
lösbaren
Werkstoff. Für
das Modell wird ein Werkzeug gefertigt, für das ein Urmodell erforderlich
ist. Eine andere Möglichkeit
zur Herstellung des Modells bildet der Einsatz eines Rapid Prototyping
Verfahrens. Mit dem Modell wird dann mit einer Bindersuspension
oder mit Gips eine Schäumform
gefertigt. Die Bindersuspension ist eine keramische Masse zur Herstellung
einer Maske aus feinem Quarzsand als Formgrundstoff und Ethylsilikat
als Bindemittel. Auf diese Schicht wird ein körniges, feuerfestes Material
aufgebracht. Zum Ausschmelzen des Wachsmodels bei etwa 150°C dienen spezielle
Ausschmelzöfen,
während
das Brennen der fertigen Schäumform
bei etwa 900 bis 1200°C
vorgenommen wird.
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In 4 ist
eine konturnahe Keramikform mit verlorenem (ausgeschmolzenen) Modell
gezeigt. Diese Keramikform weist einen Hinterschneidungen aufweisenden
Unterkasten 2 und einen Deckel 3 auf. Das verlorene
Modell ist im Unterkasten aufgenommen.
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Eine
keramische Schäumform
kann ebenfalls durch ein abtragendes Verfahren hergestellt werden.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird hierbei zunächst
ein keramischer Block eines Gießereiformstoffs
in Endfestigkeit hergestellt. Bei der mechanischen Bearbeitung wird
die Negativkontur des Schaumteils eingebracht. Es wird ein CAD/CAM
Bearbeitungsprogramm, beispielsweise ein Fräsprogramm für das direkte Formstoff-Fräsen eingesetzt.
Die keramische Schäumform
kann durch Fräsen,
Bohren, Drehen, oder Schleifen bearbeitet werden. Bei komplexeren
Schaumteilen kann die Schäumform
aus mehreren Teilen bestehen. Die Fertigung der Schäumform basiert
somit direkt auf den 3D-Datensätzen des
Schaumteiles, aus denen die Datensätze für die Schäumform generiert werden. Durch
den Einsatz des direkten Formstoff-Fräsens ist damit eine noch schnellere
und kostengünstige
ausschließlich
computergestützte
Bereitstellung von Schäumformen
möglich.
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Nach
Behandlung der mineralischen Form erfolgt das Chargieren (Beladen)
mit dem schäumbaren
Vormaterial (Preßling
aus Metallpulver/Treibmittelpulver). Als Vormaterial kommt beispielsweise schäumbares
Schüttgut „PolyFoM"® in
Betracht. In der nachfolgenden Wärmebehandlung
(Erhitzen über
die Schmelztemperatur des Vormaterials) erfolgt das Schäumen, wobei
die in der Schäumform 1 vorhandenen
Hohlräume
mit Schaum ausgefüllt
werden.
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Bei
Entwurf der Schäumform
ist darauf zu achten, daß diese
schäumgerecht,
d.h. nach gießereitechnischen
Gesichtspunkten, konstruiert wird, insbesondere damit ein vollständiges Erfüllen der Hohlräume der
Schäumform
erreichbar ist. Zudem müssen
je nach Anforderungen in der Schäumform Öffnungen
und/oder Halterungen vorgesehen werden.
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Die
in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele
der Schäumform 1 beschränken sich
auf einfache Konstruktionen. Jedoch können insbesondere mittels Rapid
Prototyping auch sehr komplexe dreidimensionale Konturen hergestellt werden.
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Bei
der in 1 dargestellten kastenartigen Ausführung der
Schäumform
wird die Schäumform vorzugsweise
komplett aus einem oder mehreren Stücken (Unterkasten 2 und
Deckel 3) gefertigt, die sich selbst tragen.
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Beim
Aufbau der Schäumform
nach 2 und 3 wird die Schäumform vorzugsweise
aus vorgefertigten Platten, Balken und/oder Profilen zusammengesetzt,
welche über
einen Trag- und
Konstruktionswerkstoff miteinander verbunden werden. In dem gezeigten
Fall werden die Formkomponenten von der in 3 gezeigten
Tragkonstruktion aufgenommen und dementsprechend in einer relativen
Anordnung zueinander gehalten.
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In
der vorstehenden Beschreibung wird insbesondere auch eine keramische
Feingießform
oder eine Gipsform beschrieben, die mit einem verlorenen Modell
oder nach einem Rapid Prototyping beziehungsweise Rapid Tooling
Verfahren hergestellt ist.
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Das
Feingießen
ist ein formgenaues Gußverfahren
mit verlorenen Formen und Modellen, um Gußstücke mit höchster Maßgenauigkeit und bester Oberflächenqualität zu erhalten.
Beim Feingießen werden
verlorene Modelle aus Spezialwachsen oder ähnlichen Thermoplasten eingesetzt,
was in der vorstehenden Beschreibung verdeutlicht ist. Die Modelle werden
mit Keramik oder Gips umhüllt.
Die entstandene Form wird gebrannt und das Modell zugleich ausgeschmolzen.
Alternativ können
die keramischen Feingießformen
durch ein abtragendes Bearbeitungsverfahren, vorzugsweise durch
Direktes Formstoff-Fräsen hergestellt
werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil des Feingußverfahrens
liegt darin, daß mit
diesem eine endfertige Kontur mit höchster Maßgenauigkeit und bester Oberfächenqualität (ohne
nachträgliche
mech. Bearbeitung) erzielbar ist.