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DE102009024182B3 - Forming and removing mold or core during casting, e.g. of filigree structures, by forming mold or core containing hollow particles, to be collapsed under pressure after casting - Google Patents

Forming and removing mold or core during casting, e.g. of filigree structures, by forming mold or core containing hollow particles, to be collapsed under pressure after casting Download PDF

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DE102009024182B3
DE102009024182B3 DE200910024182 DE102009024182A DE102009024182B3 DE 102009024182 B3 DE102009024182 B3 DE 102009024182B3 DE 200910024182 DE200910024182 DE 200910024182 DE 102009024182 A DE102009024182 A DE 102009024182A DE 102009024182 B3 DE102009024182 B3 DE 102009024182B3
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Germany
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mold
casting
hollow body
hollow
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Application number
DE200910024182
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German (de)
Inventor
Jörg Weise
Daniela Schmidt
Marco Haesche
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Universitaet Bremen
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Universitaet Bremen
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D29/00Removing castings from moulds, not restricted to casting processes covered by a single main group; Removing cores; Handling ingots
    • B22D29/001Removing cores

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung und zum Entformen einer Form und/oder eines Kerns beim Formguss. Die Form und/oder der Kern werden dabei aus einer Masse hergestellt, die Hohlkörper enthält. Nach dem Vergießen und Verfestigen der Vergussmasse zur Herstellung des Gussteils wird die Form und/oder der Kern einem Druck ausgesetzt, der zur Zerstörung zumindest eines Teils der Hohlkörper in der Form und/oder dem Kern führt. Durch diese Zerstörung kollabieren die Form und/oder der Kern, so dass deren bzw. dessen Reste auf einfache Weise vom Gussteil entfernt werden können. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Herstellung und Anwendung sehr formstabiler und filigraner Kernstrukturen, die sich dennoch leicht entformen lassen.The present invention relates to a method for forming and removing a mold and / or a core during molding. The mold and / or the core are made from a mass containing hollow body. After casting and solidifying the potting compound for the production of the casting, the mold and / or the core is subjected to a pressure which leads to the destruction of at least a portion of the hollow body in the mold and / or the core. As a result of this destruction, the shape and / or the core collapse, so that their or their remainders can be removed from the casting in a simple manner. The proposed method allows the production and application of very dimensionally stable and filigree core structures that can be easily demolded.

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Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung und zum Entformen einer Form und/oder eines Kerns bei der Herstellung eines Gussteils mittels Formguss, bei dem die Form und/oder der Kern aus einer Masse hergestellt werden, die Hohlkörper enthalten.The present invention relates to a method of forming and demoulding a mold and / or a core in the manufacture of a casting by means of molding, in which the mold and / or the core are made from a mass containing hollow bodies.

Der Formguss wird üblicherweise unterteilt in Gießen in verlorene Formen, die in der Regel aus einem mineralischen, körnigen Grundstoff sowie einem Bindemittel und weiteren eigenschaftsverbessernden Zusätzen bestehen und nach jedem Abguss zerstört werden, und in Gießen in Dauerformen, die nach einem Abguss wieder verwendbar sind und mit denen bis zu viele tausend Gussteile gefertigt werden können. Sowohl beim Gießen in verlorenen Formen als auch beim Gießen in Dauerformen werden häufig verlorene Kerne eingesetzt, um Hinterschneidungen im Gussteil darzustellen. Beispiele für Gießverfahren mit verlorenen Formen sind Sandguss und Feinguss, für Dauerformverfahren Schwerkraftkokillenguss und Druckguss.The molding is usually divided into casting into lost molds, which usually consist of a mineral, granular base material and a binder and other property-improving additives and are destroyed after each casting, and casting in permanent molds, which are reusable after a casting and with which up to many thousands of castings can be made. Both casting in lost molds and casting in permanent molds often uses lost cores to represent undercuts in the casting. Examples of casting processes with lost molds are sand casting and precision casting, for permanent molding gravity die casting and die casting.

Der verfestigte Formwerkstoff nimmt bei den verlorenen Formen und ebenfalls bei den verlorenen Kernen einen entscheidenden Einfluss auf die Gussteilqualität. Die Hauptanforderungen an das Form- bzw. Kernmaterial sind gute Verarbeitbarkeit, ausreichende Festigkeit und Maßhaltigkeit nach der Formgebung des Kerns bzw. der Form sowie beim Abgießen und Erstarren des Gussteils, gute Zerfallseigenschaften nach dem Abguss, hohe Abbildegenauigkeit, ausreichende Gasdurchlässigkeit, vernachlässigbare nachteilige Wechselwirkung zwischen Formmaterial und Schmelze sowie möglichst problemlose Wiederverwendbarkeit.The solidified mold material has a decisive influence on the cast quality of the lost molds as well as the lost cores. The main requirements of the molding material are good processability, sufficient strength and dimensional stability after molding of the mold, casting and solidification of the casting, good decay properties after casting, high imaging accuracy, sufficient gas permeability, negligible adverse interaction between Molding material and melt and problem-free reusability.

Insbesondere müssen die Form bzw. darin eingebrachte Kerne so lange stabil sein, bis sich das geschmolzene Vergussmaterial genug verfestigt hat, um in sich stabil zu sein. Auf der anderen Seite muss die Bindung der Körner im Form- bzw. Kernmaterial sich dann so sehr schwächen lassen, dass eine restlose Entfernung des Materials aus dem erstarrten Gussteil einfach möglich ist. Die Schwächung der Bindung erfolgt zum Teil durch die thermische Wirkung der Schmelze – wie im Fall von wasserglasgebundenen Kernen –, teilweise unterstützt durch äußere mechanische Einwirkungen (z. B. Vibrationen), teilweise aber auch durch chemische Wirkungen (z. B. Herauslösen von Salzkernen in Wasser).In particular, the mold or cores introduced therein must be stable until the molten potting material has solidified enough to be inherently stable. On the other hand, the binding of the grains in the molding or core material must then weaken so much that a complete removal of the material from the solidified casting is easily possible. The weakening of the bond is partly due to the thermal effect of the melt - as in the case of water-glass bonded cores - partly supported by external mechanical effects (eg vibrations), but partly also by chemical effects (eg dissolution of salt cores in water).

Wenn das Material der Form bzw. des Kerns auch nach dem Abguss fest bleibt, dann ist ein beträchtlicher Aufwand erforderlich, um diese festen Reste zu entfernen. Das erzeugt zusätzliche Herstellungskosten. Eine nicht restlose Entfernung von Form- und Kernmaterialien kann aber auch zu Störungen bei der späteren Anwendung des Gussteils und zum Schadensfall führen. So können z. B. Reste von Wassermantel-Sandkernen von Motorgehäusen zu Störungen des Kühlkreislaufs im späteren Motoren-Betrieb führen.If the material of the mold or core remains solid even after casting, considerable effort is required to remove these solid residues. This generates additional manufacturing costs. However, an incomplete removal of mold and core materials can also lead to disruptions in the subsequent use of the casting and damage. So z. B. remains of water jacket sand cores of engine housings to disrupt the cooling circuit in later engine operation.

In der technischen Praxis muss dementsprechend immer ein Kompromiss gefunden werden zwischen der Festigkeit der Form bzw. des Kerns und ihrer Entformbarkeit. Dies führt insbesondere, aber nicht ausschließlich bei Kernen zu Einschränkungen bei der Darstellung sehr filigraner Geometrien. Derartig dünnwandige Kern- und Formgeometrien sind auf der einen Seite auf eine besonders hohe Strukturfestigkeit angewiesen, um den mechanischen Belastungen während des Gießens (Auftrieb, kinetische Wirkung der fließenden Vergussmaterialschmelze, z. B. Metallschmelze) zu widerstehen. Auf der anderen Seite können gerade bei sehr dünnwandigen filigranen Kernstrukturen, welche tief im Bauteil liegen, die Entformung und die Kontrolle der Entformung sehr schwierig sein. So müssen häufig dünnwandige Kühlkanäle, welche in Gussteilen durch Kerne dargestellt wurden, nach der Entformung sehr aufwendig durch endoskopische Verfahren oder andere Tests (z. B. Körper, welche durch die Kanäle geschoben werden) überprüft werden, was mit einem sehr großen und nicht immer automatisierbaren Aufwand verbunden ist. Bei Bauteilen mit komplexeren, großflächigen mittels Kernen gefertigten Hohlraumstrukturen können die Schwierigkeiten bei der Entfernung des Form- und Kernmaterials nach dem Guss sogar dazu führen, dass derartige Gussteile nicht prozesssicher gefertigt werden können. Ein Beispiel hierfür sind Wärmetauscherbauteile mit inneren schwammähnlichen Strukturen.In technical practice, therefore, a compromise must always be found between the strength of the mold or of the core and their releasability. This leads in particular, but not exclusively in the case of cores, to restrictions in the presentation of very filigree geometries. Such thin-walled core and shape geometries on the one hand depend on a particularly high structural strength in order to withstand the mechanical loads during casting (buoyancy, kinetic effect of the flowing potting material melt, eg molten metal). On the other hand, especially with very thin-walled filigree core structures, which lie deep in the component, the demolding and the control of demolding can be very difficult. For example, thin-walled cooling channels, which have been represented by cores in castings, often have to be checked very expensively after demoulding by endoscopic methods or other tests (eg bodies pushed through the channels), which is very large and not always automatable effort is connected. For components with more complex, large-scale core structures made by cores, the difficulties in the removal of the mold and core material after casting even lead to such castings can not be manufactured process reliable. An example of this are heat exchanger components with internal sponge-like structures.

Ein anderer Anwendungsbereich, in dem es Probleme mit dem Zerfall der Kerne gibt, sind sehr dickwandige Kerne, bei welchen die Wärme des abkühlenden Vergussmaterials nicht ausreicht, um den Kern durchzuwärmen und so die Binder-Festigkeit im gesamten Kernvolumen zu schwächen.Another area of application in which there are problems with the disintegration of the cores, are very thick-walled cores, in which the heat of the cooling potting material is not sufficient to heat through the core and thus weaken the binder strength in the entire core volume.

Die Probleme der Abstimmung von Form- bzw. Kernmaterialfestigkeit und Ausformungsverhalten sind besonders groß für Gussteile aus Leichtmetalllegierungen (Aluminium-, Magnesium-), da hier die thermische Energie der Schmelze geringer ist und somit die thermisch bedingte Schwächung von Bindungsbrücken zwischen den Partikeln des Formmaterials nicht so ausgeprägt ist. Außerdem sind Gussteile aus Leichtmetalllegierungen aufgrund der geringeren Festigkeiten und Härten dieser Legierungen empfindlicher gegenüber Stoßbelastungen, weswegen die Prozesse zur Entfernung von am Gussteil anhaftenden Formmaterialresten nur mit geringeren Kräften und Energien durchgeführt werden können.The problems of tuning of form or core material strength and shaping behavior are particularly great for castings of light metal alloys (aluminum, magnesium), since the thermal energy of the melt is lower and thus the thermally induced weakening of bond bridges between the particles of the molding material not is so pronounced. In addition, castings of light metal alloys are more susceptible to shock loads due to the lower strengths and hardnesses of these alloys, and therefore the processes for removing molding material residues adhered to the casting can only be performed with lower forces and energies.

Weiterhin führen die oben genannten Schwierigkeiten mit nicht ausreichendem Kernzerfall dazu, dass Binder (z. B. auf Harzbasis) eingesetzt werden, welche zwar ein gutes Zerfallsverhalten zeigen, aber zu deutlichen Emissionen führen, welche z. B. zu Geruchsbelästigungen der Mitarbeiter der Gießereien oder auch der umliegenden Bebauung der Gießereien führt. Dagegen können Binder, welche keine bzw. deutlich weniger Emissionen aufweisen (z. B. Wasserglas basierte Binder), aufgrund ihrer zu hohen Restfestigkeit nach dem Abkühlen und den damit verbundenen Schwierigkeiten beim Entformen häufig nicht eingesetzt werden. Furthermore, the above-mentioned difficulties with insufficient nuclear decay lead to the use of binders (eg based on resin) which, although exhibiting a good decomposition behavior, lead to significant emissions, which are caused, for example, by B. leads to odor nuisance of the employees of the foundries or the surrounding development of foundries. In contrast, binders which have no or significantly less emissions (eg waterglass-based binders), because of their excessive residual strength after cooling and the associated difficulties in demolding often can not be used.

Stand der TechnikState of the art

Um die Anforderungen an das Form- bzw. Kernmaterial hinsichtlich Festigkeits- und Zerfallseigenschaften für die jeweiligen Gießverfahren zu gewährleisten, werden nach dem Stand der Technik verschiedenste Ansätze zur Modifizierung bzw. Optimierung des Kernverhaltens verfolgt.In order to ensure the requirements on the molding or core material with regard to strength and decay properties for the respective casting methods, various approaches for modifying or optimizing the core behavior are pursued according to the prior art.

Ein Schwerpunkt der Entwicklungen liegt in der Modifizierung der chemischen Zusammensetzung der Formmaterialgrundstoffe, der Binder und der speziellen eigenschaftsverbessernden Zusätze.One focus of the developments is the modification of the chemical composition of the basic materials, the binders and the special property-improving additives.

Es gibt ein breites Spektrum von Form- und Kernmaterialien mit sehr unterschiedlichen Zusammensetzungen. Als feuerfestes Grundmaterial wird überwiegend Quarzsand verwendet, für besondere Anwendungen kommen Chromit-, Zirkon- und Olivinsande in Anwendung. Daneben werden noch Formstoffe auf Schamotte- sowie Magnesit-, Siliamit-, Korundbasis oder im Feinguss insbesondere keramische Massen etc. benutzt. Die Binder für die Formstoffe sind organischer (Phenol-, Harnstoff-, Furanharze, Äthylsilikat) oder anorganischer (z. B. Wasserglas, Zement, Gips) Natur und werden synthetisch hergestellt oder kommen natürlich (Bentonit, Melasse) vor. Verschiedene Bindungsprinzipien werden angewandt, z. B. Polykondensationsreaktionen, Hydratationen, Fällungsprinzipien oder Sol-Gel-Umwandlungen. Zusätzlich werden häufig bestimmte Zuschlagstoffe zugemischt (z. B. Zucker), welche u. a. das Entformungsverhalten beeinflussen sollen.There is a wide range of molded and core materials with very different compositions. Quartz sand is predominantly used as refractory base material; chromite, zirconium and olivine sands are used for special applications. In addition, moldings on chamotte and magnesite, siliamite, corundum or in investment casting, in particular ceramic masses, etc. are used. The binders for the molding materials are organic (phenolic, urea, furan resins, ethyl silicate) or inorganic (eg water glass, cement, gypsum) nature and are produced synthetically or occur naturally (bentonite, molasses). Various binding principles are applied, for. As polycondensation reactions, hydrations, precipitation principles or sol-gel transformations. In addition, certain additives are often mixed in (eg sugar), which u. a. to influence the demolding behavior.

Für die gleichzeitige Optimierung der Formstabilität und des Entformungsverhaltens wird beispielsweise die Zusammensetzung der Bindemittel sowie die Art und Zusammensetzung zugegebener Hilfsstoffe geeignet gewählt, wie dies in der DE 3139484 , der DE 2923131 , der DE 68922996T2 oder der US1751482 beschrieben ist.For the simultaneous optimization of the dimensional stability and the demolding behavior, for example, the composition of the binders and the type and composition of added auxiliaries are suitably selected, as described in US Pat DE 3139484 , of the DE 2923131 , of the DE 68922996T2 or the US1751482 is described.

Die Auflösung der Binderbrücken zwischen den Partikeln muss nicht zwangsläufig thermisch oder mechanisch erfolgen, auch chemische Prozessvarianten sind bekannt. So beschreibt z. B. die WO92/06808 wasserlösliche Kerne auf Basis von Polyphosphaten, die US 1005136 gebranntes Tricalciumsilicat und Binder, bei welchen das Ausformen durch Laugen in 50%er Salpetersäure erfolgt, und die UK 1013938 Kerne auf Basis von 30–70 Gew% Titanoxid, welche sich in Natriumhydroxid auflösen.The dissolution of the binder bridges between the particles does not necessarily have to be thermal or mechanical, chemical process variants are also known. So describes z. B. the WO92 / 06808 water-soluble cores based on polyphosphates, the US 1005136 calcined tricalcium silicate and binder in which the extraction by leaching in 50% of nitric acid, and the UK 1013938 Cores based on 30-70% by weight of titanium oxide, which dissolve in sodium hydroxide.

Weitere Ansätze zur Verbesserung des Entformungsverhaltens der Kerne liegen in speziellen Kernbeschichtungen, wie in der JP 05212495A beschrieben, in der Verwendung nicht-homogener Kernstrukturen, z. B. von Hohlkernen, wie in der JP 07178509 und der DE 2904415 beschrieben, oder in schichtartig aufgebauten Kernen, wie in der DE 3826413 beschrieben.Other approaches to improve the demolding behavior of the cores are in special core coatings, as in JP 05212495A in the use of non-homogeneous core structures, e.g. B. of hollow cores, as in the JP 07178509 and the DE 2904415 described, or in layered cores, as in the DE 3826413 described.

Trotz der verschiedenen Fortschritte bei der Optimierung des Form- oder Kernmaterials können mit den Technologien nach dem Stand der Technik verschiedene Kerngeometrien wie z. B. Kühlkanäle in Zylinderköpfen oder in Kolben für Verbrennungsmotoren nur aufwändig entsprechend der technologischen Anforderungen gefertigt werden. Deshalb finden hier häufig Salzkerne Anwendung, bei welchen die Entfernung mit Wasserspülung erfolgt, wie z. B. in der DE 10305612 beschrieben ist. Allerdings treten hier Probleme hinsichtlich der vollständigen Salzentfernung, der notwendigen Prozesszeiten und möglicher Korrosionserscheinungen auf. Insbesondere bei feinen, tiefen und verwinkelten Kernen nimmt die Auflösung des Salzkerns viel Zeit in Anspruch.Despite the various advances in the optimization of the molding or core material, the prior art technologies can accommodate various core geometries, such as those of the prior art. B. cooling ducts in cylinder heads or pistons for internal combustion engines are made consuming only in accordance with the technological requirements. Therefore, salt cores are often used here, in which the removal takes place with water flushing, such. B. in the DE 10305612 is described. However, problems arise here with regard to the complete salt removal, the necessary process times and possible corrosion phenomena. Especially in fine, deep and winding cores, the dissolution of the salt core takes a lot of time.

Allen diesen Form- bzw. Kernmaterialien und dazugehörigen Verfahren liegt das Prinzip zugrunde, dass kompakte Partikel des feuerfesten Grundmaterials mit Hilfe des Binders miteinander verbunden werden, wobei häufig zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung der Formstabilität erfolgen, insbesondere eine mechanische Verdichtung. Die Entfernung des Kerns bzw. der Form erfolgt anschließend durch die thermische, chemische, mechanische oder kombinierte Zerrüttung der Bindungen zwischen den Partikeln oder durch die chemische Auflösung des Form- bzw. Kern-Grundmaterials.All of these mold or core materials and associated methods is based on the principle that compact particles of the refractory base material are connected to each other with the aid of the binder, often additional measures to increase the dimensional stability take place, in particular a mechanical compression. The removal of the core or the mold is then carried out by the thermal, chemical, mechanical or combined disruption of the bonds between the particles or by the chemical dissolution of the molding or core base material.

Die eingesetzten Kerne sind nicht notwendigerweise vollständig kompakt. Es können verfahrensbedingt oder gezielt verschiedene Porositäten im Kern- oder Formmaterial eingestellt werden. So zeigen gebrannte Keramikkerne für den Feinguss in der Regel verfahrensbedingt Porositäten. Des Weiteren können verschiedene Zuschlagstoffe gewisse Porositäten enthalten. So ist z. B. die Verwendung von porösen Recycling-Zuschlagstoffen (Flugasche) bekannt. Zielsetzung ist dabei u. a. die Verringerung der Wärmeabfuhr sowie die Herstellung leichterer Formen. Die Dichte der Flugasche ist mit 2,2 g/cm3 recht hoch, die auftretende innere Porosität eher gering.The cores used are not necessarily completely compact. Depending on the method or specifically, different porosities in the core or molding material can be set. For example, fired ceramic cores usually show porosity for precision casting. Furthermore, various aggregates may contain certain porosities. So z. B. the use of porous recycling aggregates (fly ash) known. The objective here is, inter alia, the reduction of heat dissipation and the production of lighter forms. The density of the fly ash is quite high at 2.2 g / cm 3 , the occurring internal porosity rather low.

Eine Einstellung von gezielten Porositäten zur Verbesserung des Ausformungsverhaltens von Formkernen ist z. B. aus der DE 2123632 bekannt, bei der ein Kernmaterial auf Basis von porösem Kohlenstoff eingesetzt wird. Die DE 19939062 A1 beschreibt hochporöse Aerogelkerne mit leichter Entformbarkeit, welche jedoch mit ca. 24 h sehr lange aushärten müssen. Diesen Ansätzen ist jedoch gemein, dass die Kerne eine gegenüber dem kompakten Kernmaterial deutlich verringerte Druckfestigkeit aufweisen und vergleichsweise aufwendig zu fertigen sind, insbesondere lange Fertigungszeiten bedingen. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren ist, dass aufgrund der einzustellenden Porositäten die Verfahrensweise (z. B. Aufschäumen des Materials) deutlich von der Vorgehensweise abweicht, wie sie im Gießereibetrieb üblich ist, bei dem das Grund- bzw. Füllmaterial in der Regel lediglich mit Binder vermischt, in eine Form gegeben und ausgehärtet wird. An adjustment of specific porosities to improve the shaping behavior of cores is z. B. from the DE 2123632 in which a core material based on porous carbon is used. The DE 19939062 A1 describes highly porous airgel cores with easy demoldability, which, however, have to cure for a very long time with approx. 24 h. However, these approaches have in common that the cores have a compressive strength significantly reduced compared to the compact core material and are comparatively expensive to manufacture, especially requiring long production times. A further disadvantage of these methods is that, due to the porosities to be set, the procedure (eg foaming of the material) deviates significantly from the procedure which is usual in the foundry industry, in which the base or filling material is usually only binder mixed, placed in a mold and cured.

Die DE 29 04 415 A1 offenbart ein Verfahren zum Gießen langer, hohler Eisenkörper. Hierzu wird ein hohler zylindrischer Kern aus Kohlenstoff eingesetzt, der aus dem Inneren des Gussstückes nach der Verfestigung mittels eines Vibrations-Schlagverfahrens oder durch eine drehende Schleifvorrichtung entnommen wird.The DE 29 04 415 A1 discloses a method for casting long, hollow iron bodies. For this purpose, a hollow cylindrical core of carbon is used, which is removed from the interior of the casting after solidification by means of a vibration impact method or by a rotating grinding device.

Aus der DE 767 075 C ist ein Verfahren zum Herstellen von Hohlkernen für den Metallguss bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Kern aus einem Schlicker hergestellt, der bei Temperaturen höher schmelzender Metalle sintert und bei fortschreitendem Schwinden des Metalls zertrümmert wird.From the DE 767 075 C For example, a method for producing hollow cores for metal casting is known. In this process, a core is made from a slurry which sinters at temperatures of higher melting metals and shatters as the metal fades.

Die DE 1 758 532 A befasst sich mit Keramikhohlkernen, die eine bestimmte Druckfestigkeit und Oberflächenporosität aufweisen. Die Kerne werden nach dem Vergießen nicht entfernt. Vielmehr dient die dort offenbarte Ausgestaltung der Kerne der Herstellung eines Metall-Keramik-Verbundhohlkörpers. Die Oberflächenporosität des Keramikkerns dient zur Erleichterung der Bildung mechanischer Bindungen zwischen dem Keramikkern und dem gegossenen Metall beim Aufgießen des Metalls und Abkühlen.The DE 1 758 532 A deals with ceramic hollow cores, which have a certain compressive strength and surface porosity. The cores are not removed after casting. Rather, the embodiment of the cores disclosed therein serves to produce a metal-ceramic composite hollow body. The surface porosity of the ceramic core serves to facilitate the formation of mechanical bonds between the ceramic core and the cast metal during the pouring of the metal and cooling.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bildung und zum Entformen einer Form und/oder eines Kerns bei der Herstellung eines Gussteils mittels Formguss anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und die Herstellung und Anwendung sowohl sehr formstabiler und filigraner als auch großvolumiger Form- und Kernstrukturen ermöglicht, die leicht entformbar sind.The object of the present invention is to provide a method for the formation and removal of a mold and / or a core in the production of a casting by means of molding, which avoids the disadvantages of the prior art and the production and application both very dimensionally stable and filigree than Also allows large-volume form and core structures that are easily demoulded.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved by the method according to claim 1. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiments.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die Form und/oder der Kern aus einer Masse hergestellt, die Hohlkörper-Partikel enthält. Bei diesen Hohlkörper-Partikeln, im Folgenden nur als Hohlkörper bezeichnet, handelt es sich vorzugsweise um Hohlkugeln mit Durchmessern von < 1 mm. So kann die Masse bspw. aus einem hochfesten syntaktischen Schaum gebildet sein, in dem die Hohlkörper die hohlen Platzhalter darstellen. Die Hohlkörper sollten eine ausreichend hohe Druckfestigkeit von vorzugsweise > 20 MPa, besonders bevorzugt > 40 MPa, aufweisen. Die Form und/oder der Kern wird nach dem Vergießen und Verfestigen eines Vergussmaterials zur Bildung des Gussteils einem Druck ausgesetzt, der zur Zerstörung mindestens eines Teils der Hohlkörper in der Form und/oder dem Kern führt, wodurch die Form und/oder der Kern kollabiert, d. h. eine deutliche Volumenreduktion erfährt. Danach werden die Reste der Form und/oder des Kerns vom Gussteil entfernt.In the proposed method, the mold and / or the core are made from a mass containing hollow body particles. These hollow-body particles, hereinafter referred to only as hollow bodies, are preferably hollow spheres with diameters of <1 mm. Thus, the mass may, for example, be formed of a high-strength syntactic foam in which the hollow bodies constitute the hollow placeholders. The hollow bodies should have a sufficiently high compressive strength of preferably> 20 MPa, particularly preferably> 40 MPa. The mold and / or the core, after casting and solidifying a potting material to form the casting, is subjected to pressure which results in the destruction of at least a portion of the hollow bodies in the mold and / or the core, causing the mold and / or the core to collapse , d. H. undergoes a significant volume reduction. Thereafter, the remainders of the mold and / or the core are removed from the casting.

Die Entformung des Kern- bzw. Formmaterials erfolgt daher im Wesentlichen nicht durch eine Zerrüttung oder durch ein Aufbrechen von Binderbrücken, sondern durch einen gezielt eingestellten Kollaps des die Hohlkörper enthaltenden Form- bzw. Kernmaterials. Vorzugsweise sollte hierbei ein Anteil von ≥ 20% der Hohlkörper im Form – bzw. Kernmaterial zerstört werden.The demolding of the core or molding material is therefore essentially not by a disruption or by breaking up of binder bridges, but by a deliberately set collapse of the mold or core material containing the hollow body. Preferably, a proportion of ≥ 20% of the hollow bodies in the mold or core material should be destroyed.

Dieser Ansatz weist gegenüber den bisherigen Verfahren des Standes der Technik verschiedene Vorteile auf. So lassen sich die Hohlkörper sehr gut in Flüssigkeiten suspendieren und die Suspensionen in Formen geben, in denen sie aushärten können. Die Herstellung komplexer Form – oder Kerngeometrien ist somit einfach möglich. Sie kann in Anlehnung an Kern- bzw. Formherstellungsverfahren erfolgen, die in den Gießereien üblich sind. Die geringen Abmessungen der Hohlkörper von vorzugsweise < 1 mm erlauben weiterhin eine gute Abformungsgenauigkeit und hohe Oberflächengüte der Kerne bzw. Formen. Darüber hinaus führt eine hohe Eigenfestigkeit der Hohlkörper zu einer deutlich erhöhten Gesamtfestigkeit des Form- bzw. Kernmaterials im Vergleich zu anderen porösen Kernwerkstoffen. Da für viele der kommerziell erhältlichen Hohlkörper die isostatische Druckfestigkeit bekannt ist, kann abgeschätzt werden, bei welchen mechanischen Belastungen der Kern bzw. die Form kollabiert.This approach has several advantages over the prior art methods. Thus, the hollow body can be very well suspended in liquids and give the suspensions in forms in which they can harden. The production of complex shape or core geometries is thus easily possible. It can be based on core or molding processes that are common in foundries. The small dimensions of the hollow body of preferably <1 mm further allow a good accuracy of molding and high surface quality of the cores or molds. In addition, a high inherent strength of the hollow body leads to a significantly increased overall strength of the molding or core material in comparison to other porous core materials. Since isostatic compressive strength is known for many of the commercially available hollow bodies, it can be estimated at which mechanical loads the core or the mold collapses.

Der Kollaps des Kerns bzw. der Form ist mit einer deutlichen Volumenreduzierung verbunden. Die Entfernung der Form- bzw. Kernreste ist somit deutlich einfacher möglich, auch durch sehr kleine Öffnungen zur Gussteiloberfläche, als bei konventionellen Form- bzw. Kernmaterialien mit kompakten partikulären Füllstoffen. So lassen sich die Reste des Form- bzw. Kernmaterials bspw. über eine einfache Wasserspülung vom bzw. aus dem Gussteil entfernen.The collapse of the core or the shape is associated with a significant volume reduction. The removal of the mold or core remains is thus much easier possible, even by very small Openings to the casting surface, as in conventional mold or core materials with compact particulate fillers. For example, the remainders of the molding or core material can be removed from the casting by means of a simple water rinse.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden als Hohlkörper keramische Mikrohohlkugeln oder Glas-Mikrohohlkugeln eingesetzt. Derartige Hohlkugeln sind in unterschiedlichen bekannten Druckfestigkeiten erhältlich und erlauben eine gezielte Zerstörung bei Einwirkung eines geeignet hohen Druckes.In an advantageous embodiment of the method are used as a hollow body ceramic hollow microspheres or hollow glass microspheres. Such hollow spheres are available in different known compressive strengths and allow targeted destruction under the action of a suitably high pressure.

Die Druckfestigkeiten der eingesetzten Hohlkörper werden beim vorliegenden Verfahren selbstverständlich so gewählt, dass diese dem bei dem Vergießen des Gussteils auftretenden Druck standhalten. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Druckfestigkeit der Hohlkörper und das eingesetzte Bindemittel so aufeinander abgestimmt sind, dass bei der späteren Zerstörung der Hohlkörper auch eine Kraftwirkung, insbesondere lokale Biegungs- und/oder Zugkräfte, auf die Binderstruktur ausgeübt werden, so dass gleichzeitig auch noch eine Schädigung der Binderbrücken auftritt. Damit kollabiert die Gesamtstruktur und der Kern kann sehr einfach aus dem Gussteil entfernt werden.The compressive strengths of the hollow body used are of course chosen in the present process so that they withstand the pressure occurring during the casting of the casting. Furthermore, it is advantageous if the compressive strength of the hollow body and the binder used are coordinated so that in the later destruction of the hollow body and a force, in particular local bending and / or tensile forces are exerted on the binder structure, so that at the same time still damage to the binder bridges occurs. This collapses the whole structure and the core can be easily removed from the casting.

Die Masse zur Herstellung der Form bzw. des Kerns kann neben den Hohlkörpern selbstverständlich auch massive Partikel oder andere Materialien enthalten. Vorzugsweise liegt der Anteil der Hohlkörper an der Masse im Bereich zwischen 50 und 95 Vol%, besonders bevorzugt zwischen 60 und 85 Vol%.The mass for producing the mold or the core may, of course, in addition to the hollow bodies also contain massive particles or other materials. Preferably, the proportion of the hollow body in the mass in the range between 50 and 95% by volume, more preferably between 60 and 85% by volume.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit die Form bzw. der Kern maßgeblich nicht aus massiven Partikeln sondern aus Partikeln geformt, die Hohlkörper sind. Der Form- bzw. Kernzerfall ergibt sich im Wesentlichen nicht durch eine Löslichkeit der Partikel gegenüber bestimmten chemischen Reagenzien oder durch die Reaktion der Bindungsbrücken auf thermische, mechanische oder chemische äußere Einwirkungen. Der Stabilitätsverlust des Kerns wird also nicht durch den Stabilitätsverlust der Bindung zwischen den Partikeln oder durch das Auflösen massiver Partikel erreicht, sondern durch den gezielten, mechanisch nach dem Gießprozess hervorgerufenen irreversiblen Kollaps der Partikel aufgrund ihrer inneren Porosität, d. h. durch die Zerstörung zumindest eines Teils der Hohlkörper.In the proposed method, therefore, the shape or the core is significantly not formed from solid particles but from particles that are hollow body. The shape or nuclear decay results essentially not by a solubility of the particles to certain chemical reagents or by the reaction of the bonding bridges on thermal, mechanical or chemical external agents. The loss of stability of the core is thus not achieved by the loss of stability of the bond between the particles or by the dissolution of massive particles, but by the targeted, caused irreversible collapse of the particles due to their internal porosity after the casting process, d. H. by the destruction of at least part of the hollow body.

Die Porosität der Form bzw. des Kerns wird derart gewählt, dass die einzelnen Hohlkörper immer noch eine ausreichende Beständigkeit gegenüber den mechanischen und thermischen Belastungen während des Gießprozesses aufweisen. Andererseits muss die Druckfestigkeit der Hohlkörper so eingestellt sein, dass sie durch eine gezielte Druckbelastung, die auch durch rein mechanische Einwirkung erfolgen kann, kollabieren und weniger Volumen einnehmen als vor dem Kollaps. Da es somit möglich ist, die Partikel selbst gezielt kollabieren zu lassen, muss die Bindung zwischen den Partikeln nicht mehr so eingestellt werden, dass sie durch die Wirkungen während des Gießens oder andere Maßnahmen nach dem Gießprozess an Stabilität verliert. Es kann daher eine Bindungsform für die Partikel gewählt werden, die eine maximale Stabilität der Form bzw. des Kerns und eine hohe Abriebfestigkeit gewährleistet.The porosity of the mold or of the core is selected such that the individual hollow bodies still have sufficient resistance to the mechanical and thermal stresses during the casting process. On the other hand, the compressive strength of the hollow body must be adjusted so that they collapse by a targeted pressure load, which can also be done by purely mechanical action, and occupy less volume than before collapse. Since it is thus possible to intentionally collapse the particles themselves, the bond between the particles no longer has to be adjusted so that it loses stability through the effects during casting or other measures after the casting process. It is therefore possible to choose a bonding form for the particles which ensures maximum stability of the mold or of the core and high abrasion resistance.

Die Zusammensetzung der Masse für die Herstellung der Form bzw. des Kerns aus einem Grundstoff, der die Hohlkörper umfasst, und einem Binder schließt nicht aus, dass im Form-/Kernmaterial auch andere Porositäten auftreten können, bspw. Porositäten zwischen den Partikeln des Grundstoffs. Derartige Porositäten können bedingt durch den Herstellungsprozess der Form bzw. des Kerns bedingt sein, können aber auch gezielt durch weitere Maßnahmen oder Stoffe eingestellt werden, bspw. zur Gewährleistung einer optimalen Gasdurchlässigkeit.The composition of the composition for producing the mold or the core from a base material comprising the hollow bodies and a binder does not exclude that other porosities may also occur in the molding / core material, for example porosities between the particles of the base material. Such porosities may be conditioned by the production process of the mold or the core, but can also be adjusted specifically by further measures or substances, for example. To ensure optimal gas permeability.

Die Zerstörung zumindest eines Teils der Hohlkörper nach der Verfestigung des Gussteils kann durch unterschiedliche Maßnahmen erfolgen, bei denen ein ausreichender Druck auf die Hohlkörper im Form- bzw. Kernmaterial ausgeübt wird. In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt der Kollaps der Form bzw. des Kerns gezielt durch einen isostatischen Flüssigkeitsdruck, der bspw. in einer Kaltisostat-Presse erzeugt wird. Auch durch eine geeignete Flüssigkeitsspülung, bspw. eine Wasserspülung, kann bei ausreichenden durch die Spülung ausgeübten Druckkräften bereits ein Kollaps des Kern- bzw. Formmaterials erreicht werden. Auch eine dynamische Druckbeaufschlagung ist zur Entformung der Form bzw. des Kerns möglich, bspw. durch eine Stoßwellentechnik.The destruction of at least a portion of the hollow body after the solidification of the casting can be carried out by different measures in which a sufficient pressure is exerted on the hollow body in the form or core material. In one embodiment of the method, the collapse of the mold or of the core takes place deliberately by means of an isostatic liquid pressure, which is generated, for example, in a cold isostatic press. Even with a suitable liquid rinse, for example a water rinse, a collapse of the core or molding material can already be achieved with adequate pressure forces exerted by the rinse. A dynamic pressurization is possible to demould the mold or the core, for example. By a shock wave technology.

In einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird bei der Herstellung in der Form bzw. im Kern ein Verstärkungselement verankert, das zum einen – gerade bei Formbereichen oder Kernen mit dünnem Querschnitt – der Stabilität dienen soll und zum anderen so geformt ist, dass es bei der späteren Entformung des Kerns bzw. der Form unterstützend wirken kann. Dieses Verstärkungselement wird so in die Form bzw. den Kern integriert bzw. darin verankert, dass es nach dem Verfestigen des Gussteils von außen zugänglich ist und aus der Form bzw. dem Kern gezogen werden kann. Durch die daraus resultierende lokale mechanische Belastung der Form bzw. des Kerns wird ein Teil der Hohlkörper durch den mechanischen Druck zerstört, so dass die Form bzw. der Kern bereits durch diese Maßnahme ausreichend kollabiert und vom Gussteil, bspw. durch eine Spülung, entfernt werden kann.In one embodiment of the proposed method, a reinforcing element is anchored during manufacture in the mold or in the core, which on the one hand - especially in the case of molding areas or cores with a thin cross section - should serve stability and, on the other hand, is shaped in such a way that it is later Removal of the core or the mold can support. This reinforcing element is integrated into the mold or the core or anchored in that it is accessible from the outside after solidification of the casting and can be pulled out of the mold or the core. Due to the resulting local mechanical stress on the mold or the core, a part of the hollow body is destroyed by the mechanical pressure, so that the mold or the core already sufficiently collapsed by this measure and the casting, for example. By flushing, be removed can.

Die Spülung zur Entfernung von Resten der Form bzw. des Kerns erfolgt vorzugsweise mit Mitteln, welche zusätzlich abrasiv wirkende Zusätze enthalten (Suspensionen), oder durch Spülen mit erhöhtem Flüssigkeitsdruck und/oder erhöhter Flussgeschwindigkeit. Mit diesen Maßnahmen kann die Effektivität der der Entformung erhöht werden. The rinsing to remove remnants of the mold or the core is preferably carried out by means which additionally contain abrasive additives (suspensions), or by rinsing with increased liquid pressure and / or increased flow rate. With these measures, the effectiveness of the demolding can be increased.

Der wesentliche Aspekt des Zerfalls der Form bzw. des Kerns bei dem vorgeschlagenen Verfahren besteht im gezielt eingestellten Kollaps des Form- bzw. Kernmaterials. Dennoch kann nach dem Kollaps unterstützend noch eine zusätzliche thermische oder chemische Einwirkung auf das Grundmaterial selbst oder auf die Binderbrücken vorgesehen sein. Hier bietet sich der Vorteil, dass durch den vorher bewirkten Kollaps der Hohlkörper eine offene Porosität des Materials erreicht wird, welche sich durch alle Bereiche der Form bzw. des Kerns zieht. Somit kann bspw. Wasser sofort in alle Bereiche der Form bzw. des Kerns eindringen und ein gutes Form- bzw. Kernauflösungsverhalten bei wasserlöslichen Form- oder Kernmaterialien auch in schwer zugänglichen Formbereichen oder Kernbereichen sichern.The essential aspect of the decay of the mold or of the core in the proposed method consists in the deliberately set collapse of the molding or core material. Nevertheless, additional thermal or chemical action on the base material itself or on the binder bridges may be provided after the collapse. Here, there is the advantage that an open porosity of the material is achieved by the previously caused collapse of the hollow body, which extends through all areas of the mold or the core. Thus, for example, water can penetrate immediately into all areas of the mold or of the core and ensure good mold or core dissolution behavior in the case of water-soluble mold or core materials, even in hard-to-reach mold areas or core areas.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The proposed method will be explained in more detail using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 eine schematische Darstellung der Zusammensetzung des Form- bzw. Kernmaterials gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren; und 1 a schematic representation of the composition of the molding or core material according to the proposed method; and

2 in schematischer Darstellung ein Beispiel eines gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren ausgebildeten Kerns mit innen liegendem Verdrahtungselement. 2 a schematic representation of an example of a trained according to the proposed method core with internal wiring element.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst eine kollabierbare Form bzw. ein kollabierbarer Kern hergestellt. Hierzu wird das poröse Grundmaterial, das die Hohlkörper und ggf. andere Materialien enthält, mit Binder vermischt. Aufgrund des später angewandten Aus- bzw. Entformverfahrens können hier sehr stabile Bindersorten eingesetzt werden. Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, die Druckfestigkeiten von Binder und gewählten Hohlkörpern so abzustimmen, dass beim gezielten Kollaps der Hohlkörper auch Kräfte auf die Reststruktur der Form bzw. des Kerns erzeugt werden. Günstig sind hierbei etwas festere Hohlkörper, die vor oder im Läufe ihrer Zerstörung noch Druck-, Zug- und/oder Biegekräfte auf die Binderstruktur ausüben, so dass diese bei der Zerstörung der Hohlkörper auch geschädigt wird.In the proposed method, a collapsible shape or a collapsible core is first produced. For this purpose, the porous base material containing the hollow body and possibly other materials, mixed with binder. Due to the later applied removal or Entformverfahrens very stable binders can be used here. It has proven to be advantageous to tune the compressive strengths of binder and selected hollow bodies in such a way that forces are also generated on the residual structure of the mold or of the core during the targeted collapse of the hollow bodies. Favorable in this case are somewhat firmer hollow bodies which exert pressure, tensile and / or bending forces on the binder structure before or during the course of their destruction, so that they are also damaged during the destruction of the hollow bodies.

Nach der Herstellung der Masse für die Form bzw. den Kern erfolgt die Formgebung der Form bzw. des Kerns. Dies kann manuell, durch Kernschießverfahren oder durch andere aus der Gießereitechnik bekannte Verfahren erfolgen. Anschließend wird die Form bzw. der Kern ausgehärtet. Die Form oder der Kern kann evtl. zusätzlich mit Schlichten überzogen werden, um eine Infiltration an den Randschichten zu vermeiden. Auch eine Trocknung der Form oder des Kerns kann erforderlich sein.After the preparation of the mass for the mold or the core, the shaping of the mold or of the core takes place. This can be done manually, by Kernschießverfahren or by other methods known in the foundry industry. Subsequently, the mold or the core is cured. The mold or the core may possibly also be coated with sizing in order to avoid infiltration of the surface layers. Drying of the mold or core may also be required.

1 zeigt in schematischer Darstellung zwei Abbildungen, die den Aufbau des Kern- bzw. Formmaterials aus einem syntaktischen Schaum beim vorliegenden Verfahren zeigen. In der linken Abbildung sind hierbei die durch den Binder 2 verbundenen Hohlkugeln 1 in einer größeren Skala zu erkennen. Die rechte Figur zeigt eine verkleinerte Darstellung, in der eine größere Anzahl derartiger Hohlkugeln 1 zu erkennen ist, die durch den Binder 2 verbunden sind. Auf diese Weise wird ein Form- bzw. Kernmaterial mit porösem Füllstoff hoher Eigenfestigkeit erhalten. 1 Figure 2 shows a schematic representation of two figures showing the structure of the syntactic foam core or molding material in the present process. In the left picture here are the ones through the binder 2 connected hollow spheres 1 to recognize in a larger scale. The right figure shows a reduced view in which a larger number of such hollow spheres 1 it can be recognized by the binder 2 are connected. In this way, a porous material of high intrinsic strength is obtained.

Nach der Bildung der Form bzw. des Kerns erfolgt das Vergießen des Vergussmaterials zur Herstellung des gewünschten Gussteils. Nach der Verfestigung des Gussteils erfolgt die für das vorgeschlagene Verfahren charakteristische Drucknachbehandlung. Hierbei wird das poröse Grundmaterial, in dem die Hohlkörper eine abgestimmte Druckfestigkeit haben, gezielt zum Kollabieren gebracht. Die Strukturfestigkeit des Kerns bzw. der Form wird dabei deutlich gesenkt. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass dieser Kollaps mit einer deutlichen Volumenreduzierung des Form- bzw. Kernmaterials einhergeht. Diese Volumenreduzierung kann ca. 50% betragen und ist abhängig von der Art der eingesetzten Hohlkörper. Die Druckbehandlung kann statisch, bspw. mit Hilfe einer Kaltisostat-Presse, oder dynamisch erfolgen, bspw. durch Impuls-Stoßwellen.After the formation of the mold or the core, the potting of the potting material for the production of the desired casting is done. After solidification of the casting, the pressure aftertreatment characteristic of the proposed process takes place. In this case, the porous base material, in which the hollow bodies have a matched compressive strength, is deliberately collapsed. The structural strength of the core or of the mold is thereby significantly reduced. A significant advantage is that this collapse is accompanied by a significant volume reduction of the molding or core material. This volume reduction can be about 50% and depends on the type of hollow body used. The pressure treatment can be static, for example. With the help of a cold isostatic press, or done dynamically, for example. By impulse shock waves.

Im Anschluss an den Kollaps des Form- bzw. Kernmaterials können die verbliebenen Reste sehr, einfach durch eine Spülung des Gussteils und der darin gebildeten Hohlräume entfernt werden. Hierbei kann auch eine eventuell noch verbliebene Reststruktur des Kerns bzw. der Form durch zusätzliche mechanische Einwirkung, bspw. Vibrationen usw., durch zusätzliche thermische Einwirkung, bspw. eine nachträgliche nochmalige Erwärmung, oder evtl. durch zusätzliche chemische Einwirkung, bspw. Ausspülen mit Wasser, aufgelöst werden. Aufgrund der deutlichen Volumenreduzierung des Form- bzw. Kernmaterials aufgrund des Kollapses können Wirkmedien wie Wasser besser an einer Reststruktur angreifen. Kernreststücke können sich aufgrund des reduzierten Volumens nicht so leicht verklemmen, bspw. in kleinen Kanälen des Gussteils. Insgesamt ermöglicht der Kollaps des Kern- bzw. Formmaterials ein erleichtertes Entformen bzw. Ausformen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht somit eine einfache Formgebung der Form bzw. des Kerns verbunden mit einer sehr hohen Stabilität und einer sehr leichten Entformbarkeit.Following the collapse of the molding or core material, the remaining residues can be removed very simply by flushing the casting and the cavities formed therein. This may also be a residual structure of the core or the mold possibly remaining by additional mechanical action, for example. Vibrations, etc., by additional thermal action, for example. A subsequent repeated heating, or possibly by additional chemical action, for example. Rinsing with water to be dissolved. Due to the significant reduction in volume of the molding or core material due to collapse, active media such as water can better attack a residual structure. Core remnants can not easily jam due to the reduced volume, for example, in small channels of the casting. Overall, the collapse of the core or Mold material a simplified demolding or molding. The proposed method thus allows a simple shaping of the mold or of the core combined with a very high stability and a very easy releasability.

In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen werden unterschiedliche Zusammensetzungen des Form- bzw. Kernmaterials angeführt, die jedoch selbstverständlich nur beispielhaft anzusehen sind und den Schutzbereich der Patentansprüche nicht einschränken. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Herstellung von Kernen für den Formguss, lassen sich jedoch selbstverständlich auch auf die Herstellung von Formen übertragen. Für die Herstellung der Kerne wurden als Hohlkörper Glashohlkugeln der Firma 3M mit unterschiedlicher Dichte und Druckfestigkeit verwendet und mit unterschiedlichen Bindersystemen (Phosphatbindung und Wasserglasbindung) hergestellt. Verwendet wurden die Glashohlkugel-Typen S22 (Dichte 0,22 g/cm3, isostatische Druckfestigkeit 28·105 Pa (28 bar)) und S60 HS (Dichte 0,60 g/cm3, isostatische Druckfestigkeit 1240·105 Pa (1240 bar)).In the following exemplary embodiments, different compositions of the molding or core material are cited, which, however, are of course only to be regarded as examples and do not limit the scope of protection of the patent claims. The embodiments relate to the production of cores for molding, but can of course be transferred to the production of molds. For the production of the cores hollow glass spheres of the company 3M with different density and pressure resistance were used as hollow bodies and manufactured with different binder systems (phosphate binding and Wasserglasbindung). The glass hollow ball types S22 (density 0.22 g / cm 3 , isostatic compressive strength 28 × 10 5 Pa (28 bar)) and S60 HS (density 0.60 g / cm 3 , isostatic compressive strength 1240 × 10 5 Pa ( 1240 bar)).

Nach der Kernherstellung und der Aushärtung der Kerne an Atmosphäre wurden diese bei 100°C für mindestens 1 Stunde in einem Ofen getrocknet, um ein Ausgasen während des Eingusses zu verhindern. Die Kerne wurden anschließend in der Gießkammer einer Kaltkammer-Druckgussmaschine mit einem Kolbendruck von 200·105 Pa (200 bar) eingegossen. Verwendet wurde eine Aluminiumlegierung (AlSi9). Im Weiteren wurden die Gussteile mittels Röntgenstrahlung durchleuchtet, um die Kernstabilität zu kontrollieren. Durch zwei kleine Bohrungen (Durchmesser 5 mm) im Gussteil wurde die Kernmasse mittels Überdruck in einer Kaltisostat-Presse zerstört und durch die mechanische Wirkung eines Wasserstrahls aus dem Gussteil entfernt. Letztlich wurden die Gussteile aufgetrennt, um das Entformungsverhalten zu analysieren.After core fabrication and core cure, they were dried at 100 ° C for at least 1 hour in an oven to prevent outgassing during the run. The cores were then poured into the casting chamber of a cold chamber die casting machine with a piston pressure of 200 · 10 5 Pa (200 bar). An aluminum alloy (AlSi9) was used. In addition, the castings were X-rayed to control core stability. Through two small holes (diameter 5 mm) in the casting, the core mass was destroyed by overpressure in a cold isostatic press and removed by the mechanical action of a water jet from the casting. Finally, the castings were separated to analyze the demolding behavior.

In den ersten zwei Beispielen wurden zum Binden des Grundmaterials, d. h. der Glashohlkugeln, Phosphat, Magnesiumoxid und weitere Zusatzstoffe (Stellmittel) verwendet. Magnesiumoxid und Phosphat reagieren unter Wasserabgabe in einer exogenen Reaktion zu Ammoniumdihydrogenphosphat. Zum Anmischen der Kernmasse wurde Wasser oder ein wässriges Kieselsol verwendet. Die Kieselsäure dient als Lösungsmittel und Reaktionspartner.In the first two examples, to bind the base material, i. H. the glass bubbles, phosphate, magnesium oxide and other additives (adjusting agent) used. Magnesium oxide and phosphate react with water release in an exogenous reaction to ammonium dihydrogen phosphate. For mixing the core mass, water or an aqueous silica sol was used. The silica serves as a solvent and reactant.

Die Komponenten Glashohlkugeln, Ammoniumphosphat, Magnesiumoxid und Stellmittel wurden in einem speziellen Mischer vermengt und anschließend in verschiedenen Anmischverhältnissen mit der Kieselsäurelösung zu einer flüssigen bis zäh fließenden Masse verrührt. Die Masse wurde in eine Kernform gegossen und an Atmosphäre ausgehärtet. Im Folgenden sind zwei Mischungsbeispiele aufgeführt. Die Prozentangaben stellen jeweils den Masseanteil an der Gesamtmasse dar.The components glass hollow spheres, ammonium phosphate, magnesium oxide and adjuster were mixed in a special mixer and then stirred in different mixing with the silica solution to a liquid to viscous flowing mass. The mass was poured into a core mold and cured in the atmosphere. Below are two examples of mixtures. The percentages in each case represent the mass fraction of the total mass.

Mischung 1:Mixture 1:

  • • Glashohlkugeln S22 52,1%• Glass hollow spheres S22 52.1%
  • • Ammoniumphosphat 26,0%• Ammonium phosphate 26.0%
  • • Magnesiumoxid 20,0%• Magnesium oxide 20.0%
  • • Stellmittel 1,8%• Adjustment agent 1.8%
  • • 25 g Pulver/40 ml Kieselsäure-Lösung (Konzentration 100%)• 25 g of powder / 40 ml of silica solution (concentration 100%)

Mischung 2:Mix 2:

  • • Glashohlkugeln S22 92,8%• Glass hollow spheres S22 92,8%
  • • Ammoniumphosphat 3,9%Ammonium phosphate 3.9%
  • • Magnesiumoxid 2,5%• Magnesium oxide 2.5%
  • • Stellmittel 0,7%• adjusting agent 0.7%
  • • 25 g Pulver/40 ml Kieselsäure-Lösung (Konzentration 100%)• 25 g of powder / 40 ml of silica solution (concentration 100%)

Die hergestellten Kerne wurden unter Einwirkung eines isostatischen Drucks von 3000·105 Pa (3000 bar) für ca. 20 s mit einer Isostat-Presse beaufschlagt. Dabei wurde der Kern vollständig zerstört. Um zu überprüfen, dass es sich bei der Kernzerstörung nicht um ein Auflösen des Bindersystems sondern um ein Kollabieren der Glashohlkugeln handelt, wurde das Auftriebverhalten von Kernresten in Wasser nach und vor der Belastung mit isostatischem Druck betrachtet. Der Kernrest nach der isostatischen Belastung sinkt dabei ab, das Bruchstück eines Kerns ohne derartige Belastung schwimmt auf dem Wasser auf. Auch REM-Aufnahmen des Kernmaterials vor und nach der isostatischen Druckbelastung zeigen deutlich, dass die Druckbelastung zu einer Zerstörung eines Teils der Glashohlkugeln im Kernmaterial führt.The cores produced were subjected to an isostatic press under the influence of an isostatic pressure of 3000 × 10 5 Pa (3000 bar) for about 20 seconds. The core was completely destroyed. In order to verify that the core destruction is not a dissolution of the binder system but a collapse of the glass bubbles, the buoyancy behavior of core residues in water after and before the load with isostatic pressure was considered. The core remnant after the isostatic load drops while the fragment of a core without such load floats on the water. Also, SEM images of the core material before and after the isostatic pressure load clearly show that the pressure load leads to the destruction of part of the hollow glass spheres in the core material.

Weiterhin konnten Kernzerstörungen bis hin zur vollständigen Verflüssigung des Kernmaterials durch die Einwirkung von Wasserdruck erreicht werden. Als Vergleich wurde hierzu ein Kern aus Glasvollkugeln unter gleichen Bedingungen getestet. Der Glashohlkugelkern wurde wie erwartet vollständig zerstört. Der Glasvollkugelkern hingegen konnte der gleichen Belastung standhalten und wurde in der Formstabilität nicht beeinträchtigt.Furthermore, nuclear destruction up to complete liquefaction of the core material could be achieved by the action of water pressure. As a comparison, a core of glass beads was tested under the same conditions. The hollow glass bullet core was completely destroyed as expected. By contrast, the glass bead core was able to withstand the same load and was not impaired in terms of dimensional stability.

In einem weiteren Beispiel wurden die Kerne mit einem keramischen Schlicker beschichtet, um die Formstabilität beim Einguss zu erhöhen und eine Infiltration an den Randschichten zu verringern oder zu vermeiden. Hierbei konnten stabile Kerne geschaffen werden, die der mechanischen Belastung beim Gießen mit Druckunterstützung gut standhalten konnten. Die Kernentformung konnte auch hier mittels Kaltisostat-Presse erfolgen. Die Einwirkung über den Wasserdruck auf den Kern erfolgte hierbei nur durch zwei kleine Bohrungen (Durchmesser 2,5 mm) am Gussteil. Anschließend konnte das Kernmaterial mit Hilfe eines einfachen Wasserstrahls ausgespült werden.In another example, the cores were coated with a ceramic slurry to increase the dimensional stability during the casting and to reduce or avoid infiltration of the surface layers. This stable cores could be created, which could withstand the mechanical stress during casting with pressure support well. The Kernentformung could also be done here by means of cold isostatic press. The action on the water pressure on the core was made only by two small holes (diameter 2.5 mm) on the casting. Subsequently, the core material could be rinsed with the aid of a simple jet of water.

Desweiteren wurden Kerne mit einem auf Wasserglas basierenden Binder hergestellt. Der Wasserglasanteil schwankt je nach Mischungsverhältnis stark. Die Kernmasse wurde an Atmosphäre für mehrere Tage ausgehärtet und vor dem Einguss in einem Ofen bei 100°C für mindestens eine Stunde getrocknet. Das Mischungsverhältnis für die Masse des Kerns betrug in diesem Beispiel (Mischung 3):Furthermore, cores were made with a water glass based binder. The proportion of water glass varies greatly depending on the mixing ratio. The core mass was cured in atmosphere for several days and dried in an oven at 100 ° C for at least one hour prior to being poured. The mixing ratio for the mass of the core was in this example (mixture 3):

Mischung 3:Mixture 3:

  • • Wasser 15 g• Water 15 g
  • • S60HS 45 g• S60HS 45g
  • • Wasserglas 5 g• water glass 5 g

Folgende weitere beispielhafte Zusammensetzungen wurden eingesetzt:The following further exemplary compositions were used:

Mischung 4:Mix 4:

Gipsbinder, hoher Binderanteil ca. 30–40 Vol%

  • • Gips 65 g
  • • S60HS 51,3 g
  • • H2O 76,6 g
Plaster binder, high binder content approx. 30-40 Vol%
  • • gypsum 65 g
  • • S60HS 51.3 g
  • • H 2 O 76.6 g

Mischung 5:Mix 5:

Gipskerne, geringer Binderanteil ca. 15–20 Vol%

  • • Gips 35,2 g
  • • S60HS 54,9 g
  • • H2O 72,4 g
Gypsum cores, low binder content approx. 15-20 Vol%
  • • gypsum 35.2 g
  • • S60HS 54.9 g
  • • H 2 O 72.4 g

Mischung 6:Mixture 6:

Dental-Einbettmassebinder Wirofine, hoher Binderanteil ca. 30–40 Vol%

  • • Wirofine 101,9 g
  • • S60HS 80,1 g
  • • Kieselsäurelösung 107,6 g
Dental investment binder Wirofine, high binder content approx. 30-40 Vol%
  • • Wirofine 101.9g
  • • S60HS 80.1 g
  • • Silica solution 107.6 g

Mischung 7:Mixture 7:

Dental-Einbettmassebinder Wirofine, geringer Binderanteil ca. 15–20 Vol%

  • • Wirofine 54,0 g
  • • S60HS 82,9 g
  • Kieselsäurelösung 1 04,5 g
Dental investment binder Wirofine, low binder content approx. 15-20 Vol%
  • • Wirofine 54.0 g
  • • S60HS 82.9 g
  • Silica solution 1 04.5 g

Mischung 8:Mixture 8:

Dental-Einbettmassebinder Wirovest, hoher Binderanteil ca. 30–40 Vol%

  • • Wirovest 61,7 g
  • • S60HS 69,4 g
  • • Kieselsäurelösung 91,01 g
Dental investment binder Wirovest, high binder content approx. 30-40 Vol%
  • • Wirovest 61.7 g
  • • S60HS 69.4 g
  • • Silica solution 91.01 g

Mischung 9:Mixture 9:

Dental-Einbettmassebinder Wirovest, geringer Binderanteil ca. 15–20 Vol%

  • • Wirovest 38,2 g
  • • S60HS 81,8 g
  • • Kieselsäurelösung 104,9 g
Dental investment binder Wirovest, low binder content approx. 15-20 Vol%
  • • Wirovest 38.2 g
  • • S60HS 81.8 g
  • • Silica solution 104.9 g

2 zeigt schließlich noch ein Beispiel, bei dem das Kernmaterial mit einem innen liegenden Verstärkungselement kombiniert wird. Dieses Verstärkungselement dient bei Kernen mit dünnem Querschnitt der Kernstabilität und ist so geformt bzw. verankert, dass es bei der späteren Entformung des Kerns unterstützend wirken kann. Der dünne Kern 3 mit den Glashohlkugeln hat in dem Beispiel der 2 das innen liegende drahtartige Verstärkungselement 4. Durch dessen sägezahnartige Ausformung wirkt dieses bei Zugbeanspruchung auf die umliegenden Hohlkugeln und führt zu deren Kollaps. Aufgrund der damit verbundenen Volumenabnahme des Kernmaterials in der Nähe der Drahtverstärkung lässt sich diese einfach aus dem Kern ziehen. Der zurückbleibende Kernrest ist bereits in seiner strukturellen Stabilität geschädigt und kann dann mit weiteren Maßnahmen, bspw. durch Spülung, einfach entfernt werden. 2 zeigt die Zugrichtung, in der das Verstärkungselement 4 aus dem Kern 3 gezogen wird, mit den entsprechenden Pfeilen. Bezugszeichen 5 zeigt den angrenzenden Abschnitt des hergestellten Gussteils. 2 Finally, there is an example in which the core material is combined with an internal reinforcing element. This reinforcing element is used in cores with a thin cross-section of the core stability and is shaped or anchored so that it can have a supporting effect in the subsequent demoulding of the core. The thin core 3 with the glass bubbles has in the example of the 2 the inside wire-like reinforcing element 4 , Due to its sawtooth-like shape this acts on tensile stress on the surrounding hollow spheres and leads to their collapse. Due to the associated decrease in volume of the core material in the vicinity of the wire reinforcement, it can simply be pulled out of the core. The remaining core remnant is already damaged in its structural stability and can then be easily removed with further measures, for example by flushing. 2 shows the pulling direction in which the reinforcing element 4 from the core 3 is drawn, with the appropriate arrows. reference numeral 5 shows the adjacent section of the manufactured casting.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Hohlkugelnhollow spheres
22
Binderbinder
33
Kerncore
44
Verstärkungselementreinforcing element
55
Gussteilcasting

Claims (11)

Verfahren zur Bildung und zum Entformen einer Form und/oder eines Kerns bei der Herstellung eines Gussteils mittels Formguss, bei dem – die Form und/oder der Kern (3) aus einer Masse hergestellt wird, die Hohlkörper-Partikel (1) enthält, – die Form und/oder der Kern (3) nach einem Vergießen und Verfestigen eines Vergussmaterials zur Herstellung des Gussteils (5) einem Druck ausgesetzt wird, der zur Zerstörung zumindest eines Teils der Hohlkörper-Partikel (1) in der Form und/oder dem Kern (3) führt, wodurch die Form und/oder der Kern (3) kollabiert, und – Reste der Form und/oder des Kerns (3) anschließend vom Gussteil (5) entfernt werden.Method for forming and demoulding a mold and / or a core in the production of a casting by means of molding, in which - the mold and / or the core ( 3 ) is produced from a mass, the hollow particles ( 1 ), - the shape and / or the core ( 3 ) after casting and solidifying a potting material for the production of the casting ( 5 ) is subjected to a pressure which is responsible for destroying at least part of the hollow body particles ( 1 ) in the mold and / or the core ( 3 ), whereby the shape and / or the core ( 3 ) collapses, and - residues of the mold and / or the core ( 3 ) then from the casting ( 5 ) are removed. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hohlkörper-Partikel (1) eine Druckfestigkeit von > 20 MPa aufweisen. Process according to Claim 1, in which the hollow body particles ( 1 ) have a compressive strength of> 20 MPa. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Hohlkörper-Partikel (1) keramische Mikrohohlkugeln oder Glas-Mikrohohlkugeln eingesetzt werden.Process according to Claim 1 or 2, in which as hollow body particles ( 1 ) ceramic hollow microspheres or hollow glass microspheres are used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem bei der Herstellung der Masse ein Anteil der Hohlkörper-Partikel (1) an der Masse von 50–95 Vol% gewählt wird.Method according to one of claims 1 to 3, wherein in the preparation of the mass, a proportion of the hollow body particles ( 1 ) is selected at the mass of 50-95% by volume. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Form und/oder der Kern (3) nach dem Vergießen und Verfestigen des Vergussmaterials einem isostatischen Druck ausgesetzt wird, der zur Zerstörung des zumindest einen Teils der Hohlkörper-Partikel (1) führt.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the mold and / or the core ( 3 ) after casting and solidifying the potting material is subjected to an isostatic pressure, the destruction of the at least a portion of the hollow body particles ( 1 ) leads. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der isostatische Druck mit einer Kaltisostat-Presse erzeugt wird.The method of claim 5, wherein the isostatic pressure is generated with a cold isostatic press. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Form und/oder der Kern (3) nach dem Vergießen und Verfestigen des Vergussmaterials einem dynamischen Druck ausgesetzt wird, der zur Zerstörung des zumindest einen Teils der Hohlkörper-Partikel (1) führt.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the mold and / or the core ( 3 ) is exposed to a dynamic pressure after the casting and solidification of the potting material, the destruction of at least a portion of the hollow body particles ( 1 ) leads. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Entfernung der Reste durch eine Flüssigkeitsspülung, insbesondere eine Wasserspülung, erfolgt.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the removal of the residues by a liquid rinse, in particular a water rinse takes place. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem zur Spülung eine Flüssigkeit mit abrasiv wirkenden Zusätzen eingesetzt wird.A method according to claim 8, wherein a liquid with abrasive additives is used for rinsing. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem bei der Herstellung der Form und/oder des Kerns (3) wenigstens ein Verstärkungselement (4) in der Form und/oder dem Kern (3) verankert wird, das nach dem Vergießen und Verfestigen des Vergussmaterials aus der Form und/oder dem Kern (4) gezogen wird und dadurch zur Zerstörung des zumindest einen Teils der Hohlkörper-Partikel (1) führt.Method according to one of claims 1 to 9, wherein in the production of the mold and / or the core ( 3 ) at least one reinforcing element ( 4 ) in the mold and / or the core ( 3 ), which after casting and solidifying the potting material from the mold and / or the core ( 4 ) and thereby destroying the at least part of the hollow body particles ( 1 ) leads. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem nach der Zerstörung des zumindest einen Teils der Hohlkörper-Partikel (1) eine Nachbehandlung der Reste der Form und/oder des Kerns (3) am oder im Gussteil durch thermische, mechanische oder chemische Einwirkung erfolgt.Method according to one of claims 1 to 10, wherein after the destruction of at least a portion of the hollow body particles ( 1 ) an after-treatment of the remainders of the mold and / or the core ( 3 ) takes place on or in the casting by thermal, mechanical or chemical action.
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