DE10231436A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Gusskörpers - Google Patents

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Gussteiles in Form eines keramischen Kerns oder verlorenen Modells für ein Genaugussverfahren, bei dem ein fluidisches Material in einen von Formhälften gebildeten Formhohlraum eingebracht wird und mindestens ein Bereich einer oder beider der Formhälften beim Füllen des Formhohlraumes mit dem fluidischen Material erwärmt und anschließend gekühlt wird, ehe der Gusskörper aus dem Formhohlraum entfernt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Gusskörpers zur Verwendung bei Genaugussverfahren und insbesondere zum Herstellen keramischer Kerne und verlorener Modelle zum Herstellen von Maskenformen für den Genauguss von Metallen und Legierungen.
• Beim Gießen hohler Gasturbinenschaufeln (Leit- und Laufschaufeln) unter Verwendung gleichachsiger und gerichteter Erstarrungstechniken wird ein gebrannter keramischer Kern in einer keramischen Maskenform (investment shell mold) angeordnet, um in dem Schaufelflügel innere Kanäle zu bilden. Im Betrieb der Gasturbine wird Kühlluft durch die Kühlkanäle geleitet, um die Schaufeltemperatur innerhalb eines annehmbaren Bereiches zu halten. Der hierbei verwendete gebrannte keramische Kern hat einen schaufelflügelförmigen Bereich mit einem dünnen Hinterkantenbereich.
• Der keramische Kern wird typischerweise in der Weise hergestellt, dass ein geeignetes fluidisches keramisches Kernmaterial, das ein oder mehrere keramische Pulver, ein Bindemittel und ggfs. Zusätze enthält, in eine entsprechend gestaltete Kerngießform durch Spritzgießen, Transfergießen oder einfaches Gießen eingebracht wird. Nachdem der grüne gegossene Kern aus der Form entnommen wurde, wird er bei erhöhter (überatmosphärischer Temperatur) in einem oder mehreren Schritten gebrannt, um das flüchtige Bindemittel zu entfernen und den Kern zu sintern und zu festigen, um ihn beim Gießen metallischer Materialien wie z. B. einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis, wie sie für hohle Gasturbinenschaufeln verwendet wird, verwenden zu können.
• Der gebrannte keramische Kern wird dann beim Herstellen der Maskenform (shell mold) durch das bekannte Wachsausschmelzverfahren verwendet, bei dem der keramische Kern in einer Modellgießform angeordnet wird und ein verlorenes Modell um den Kern herum dadurch gebildet wird, dass Modellmaterial wie z. B. Wachs, thermoplastischer Kunststoff und dergleichen, in die Form in dem Raum zwischen dem Kern und den inneren Formwänden eingespritzt wird. Das Modell hat typischerweise einen schaufelflügelförmigen Bereich mit einem dünnen Hinterkantenbereich.
• Das verlorene Modell mit dem darin angeordneten keramischen Kern wird dann wiederholten Verfahrensschritten unterzogen, um die Maskenform um ihn herum zu bilden. Beispielsweise wird die Modell/Kern-Anordnung mehrfach in eine keramische Schlämme getaucht, von überflüssiger Schlämme befreit, mit grobem keramischem Stuck oder Stand "stuckatiert" und dann mittels Luft getrocknet, um mehrere keramische Schichten aufzubauen, die die Maskenform auf der Anordnung bilden. Die resultierende Modell/Kern-Anordnung wird dann einem Modellentfernungsvorgang, beispielweise einer Dampfautoklavbehandlung, unterzogen, um das verlorene Modell zu entfernen. Übrig bleibt dann die Maskenform mit dem darin angeordneten keramischen Kern. Die Maskenform wird dann bei erhöhter Temperatur gebrannt, um eine ausreichende Formfestigkeit für den Metallguss zu entwickeln.
• Bestimmte komplizierte Formen an dem dünnen Hinterkantenbereich des keramischen Kerns und verlorenen Modells, die für den Genauguss von Turbinenschaufeln verwendet werden, haben Herstellungsprobleme aufgeworfen. Genauer gesagt, weist der dünne Hinterkantenabschnitt des Kerns mehrere schmale beabstandete Rippen auf, die schmale Kühlluft-Auslassöffnungen an der Hinterkante der gegossenen Turbinenschaufel bilden.
• Die Kerngießform wird maschinell so bearbeitet, dass sie mehrere beabstandete Wandvorsprünge hat, die zwischen sich schmale Kanäle bilden, die wiederum die Rippen des keramischen Kerns bilden, wenn sie mit dem keramischen Kernmaterial gefüllt sind. Es hat sich gezeigt, dass sich diese schmalen Kanäle während des Spritzgießvorganges nur schwer vollständig füllen lassen. In vielen Fällen erstarrt das in die Kanäle eindringende keramische Kernmaterial vorzeitig, ehe es die Kanäle vollständig füllt, und es hat dann die Wirkung, dass keramisches Material um die Sperren durch Kernendbereiche (core print regions) des Formhohlraumes fließen und in die Kanäle von der entgegengesetzten Seite aus eindringen, wo unglücklicherweise eine andere vorzeitig erstarrte Front in den Kanälen gebildet wird. Während der sogenannten Hochdruck-Packphase des Kerngießzyklus im Anschluss an den Füllzyklus werden die vorzeitig erstarrten Fronten in den Kanälen zusammengeschoben und "zusammengeschmiedet", was zu einer sogenannten Schweiß- oder Maschenlinie (weld or knit line) führt, an der die vorzeitig erstarrten Fronten unter dem Pressdruck "zusammengeschmiedet" werden. Diese Schweiß- bzw. Maschenlinien sind mechanisch schwache Bereiche, die während der normalen Kernverarbeitung und -handhabung leicht brechen oder reißen können, was einen entsprechenden Ausschuss zur Folge hat. Diese Probleme sind weiterhin vorhanden, obgleich hohe Formfüllgeschwindigkeiten (z. B. weniger als 150 msek Füllzeit) hohe Temperaturen des keramischen Materials und ein hoher Pressdruck von z. B. 137,8 bar (2000 psi) eingesetzt wurden, um das Problem der unzureichenden Füllung der Kanäle an den Hinterkantenbereiche der Kerngießform zu lösen, die durch Steuerung der Temperatur der Druckplatte auf einer Temperatur von 26,7°C (80°F) plus/minus 2,8°C (5°F) gehalten wurde. Außerdem führten diese Spritzgießparameter zu einem instabilen Druckprofil während des Gießvorganges.
• Ähnliche Schwierigkeiten traten beim Füllen dünner Hinterkantenbereiche und anderer Bereiche der Spritzgießform für das verlorene Modell auf.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Herstellen von Gusskörpern in Form keramischer Kerne und verlorener Modelle für den Genauguss (investment casting) von Metallen und Legierungen zu schaffen.
• Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
• Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird fluidisches Material zum Herstellen eines keramischen Kerns oder eines verlorenen Modells in einen Formhohlraum eingebracht, der von zusammenwirkenden Formhälften gebildet wird. Zumindest ein Bereich einer Formhälfte oder beider Formhälften in der Nähe eines schwer zu füllenden Bereiches des Formhohlraumes wird auf eine überatmosphärische Temperatur erwärmt, und zwar vor und während des Füllens des Formhohlraumes mit dem fluidischen Material. Hierauf wird er auf eine niedrigere Auswurftemperatur gekühlt, ehe der gegossene keramische Kern bzw. das gegossene Modell aus dem Formhohlraum entfernt wird.
• Bei einer Ausführungsform der Erfindung zum Herstellen eines gegossenen schaufelflügelförmigen Gusskörpers aus keramischem Kernmaterial oder Modellmaterial ist der erwärmte/gekühlte Formbereich in der Nähe eines schwer zu füllenden dünnen Hinterkantenbereiches oder anderen Bereiches eines schaufelflügelförmigen Formhohlraumes angeordnet.
• Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird zumindest ein Bereich einer Formhälfte oder beider Formhälften durch ein oder mehrere thermoelektrischer Elemente, die an einer Formhälfte oder beiden Formhälften angeordnet sind, erwärmt/gekühlt. Ein Temperatursensor ist in der Nähe des Bereiches angeordnet, und ein Leistungsregler ist mit dem thermoelektrischen Element bzw. den thermoelektrischen Elementen verbunden, um die an diese abgegebene elektrische Leistung in Abhängigkeit von der abgefühlten Temperatur zu regeln.
• Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Herstellen eines schaufelflügelförmigen Gusskörpers zur Verwendung beim Gießen eines metallischen Schaufelflügels. Die Vorrichtung hat eine erste und zweite Formhälfte, die einen schaufelflügelförmigen Formhohlraum definieren, und mindestens ein thermoelektrisches Element, das an mindestens einem der Formhälften in der Nähe eines schwer zu füllenden Bereiches des Formhohlraumes angeordnet ist, um diesen Bereich während des Füllvorganges zu erwärmen und den Bereich anschließend auf eine niedrigere Auswurftemperatur zu kühlen, ehe der Gusskörper aus dem Formhohlraum entfernt wird. Die Vorrichtung kann eine Einlassleitung für ein Wärmetauscher-Strömungsmittel zum Abziehen von Wärme aus jedem thermoelektrischen Element sowie eine Auslassleitung zum Abführen des Wärmetauscher-Strömungsmiftels umfassen. Der Formhohlraum hat die Konfiguration eines keramischen Kerns oder eines verlorenen Modells, das den schaufelflügelförmigen Gusskörper darstellt.
• Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
• Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Gießformanordnung;
• Fig. 2 eine Schnittansicht der oberen und unteren Formhälfte in Fig. 1;
• Fig. 3 eine Draufsicht auf die untere Formhälfte mit thermoelektrischen Elementen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 3A eine der Fig. 3 entsprechende Draufsicht auf eine untere Formhälfte mit thermoelektrischen Elementen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 3B eine der Fig. 3 entsprechende Draufsicht auf eine untere Formhälfte mit Strömungskanälen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines keramischen Kerns, der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde.
• Die vorliegende Erfindung betrifft das Herstellen von Gusskörpern in Form gegossener keramischer Kerne und verlorener Modelle zur Verwendung beim Herstellen von Maskenformen (shell molds) für den Genauguss (investment casting) von Metallen und Legierungen. Die Erfindung ist besonders geeignet zum Herstellen keramischer Kerne und verlorener Modelle zur Verwendung beim Gießen von Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis zum Herstellen hohler Gasturbinenschaufeln (Lauf und Leitschaufeln) unter Verwendung herkömmlicher gleichachsiger und gerichteter Erstarrungstechniken zum Herstellen von Kornsäulen- und Einzelkristall-Schaufelflügeln. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt und kann zum Herstellen keramischer Kerne und verlorener Modelle zum Gießen anderer metallischer Bauteile eingesetzt werden.
• Die vorliegende Erfindung erlaubt es, einen oder mehrere schwer zu füllende Bereiche des Formhohlraumes mit dem Material des keramischen Kerns bzw. verlorenen Modells zu füllen. Ein derartiger Bereich kann aus unterschiedlichsten Gründen schwer zu füllen sein, beispielsweise wegen eines dünnen Querschnittes oder anderer geringere Abmessungen, einer komplizierten Gestalt, einer großen Entfernung des Einlasses für das fluidische Material, eines örtlichen raschen Wärmeverlustes durch die Formhälften, besonderen Strömungseigenschaften des fluidischen Materials in der Nähe des Bereiches wie auch einer Kombination dieser Faktoren. Wenngleich die Erfindung im folgenden unter Bezug auf das Füllen eines dünnen Hinterkantenbereiches eines schaufelflügelförmigen Formhohlraumes beschrieben wird, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt und kann zum Füllen irgendeines schwer zu füllenden Bereiches des Formhohlraumes unabhängig von der Lage im Formhohlraum verwendet werden. Beispielsweise kann die Erfindung zum besseren Füllen eines oder mehrerer Bereiche an der Vorderkante des keramischen Kerns bzw. verlorenen Modells eingesetzt werden.
• Die Fig. 1 zeigt eine erste Formhälfte 10 und eine zweite Formhälfte 12, die durch wassergekühlte Aluminiumplatten 23a, 23b auf eine Temperatur von 27,8 bis 28,3°C (82 bis 83°F) gehalten werden. Die Aluminiumplatten 23a, 23b sind zwischen einer ortsfesten Druckplatte 25a und einer Formbasis 27a bzw. zwischen einer bewegbaren Druckplatte 25b und einer Formbasis 27b der Spritzgießanordnung angeordnet. Die Formbasis 27a hält die Formhälfte 10, während die Formbasis 27b die Formhälfte 12 hält. Die wassergekühlten Aluminiumplatten 23a, 23b haben jeweils einen Kühlwasser-Einlass I zum Zuführen von Kühlwasser in einen Wasserkanal (nicht gezeigt) in jeder Platte 23a, 23b sowie einen Kühlwasser-Auslass L. Statt der Platten 23a, 23b oder zusätzlich zu diesen können einfach die Formbasen 27a, 27b wassergekühlt werden, um die Temperatur außer an einem örtlichen Bereich 30 aufrecht zu erhalten.
• Wie in Fig. 1-3 dargestellt ist, bilden die Formhälften 10, 12 einen schaufelflügelförmigen Formhohlraum 14. Die Formhälften 10, 12 bestehen typischerweise aus Stahl, wenn auch andere geeignete Materialien verwendet werden können. Der Formhohlraum 14 umfasst typischerweise komplizierte Oberflächengestaltungen bzw. -merkmale wie z. B. Wirbelbilder, Kanäle, Ausnehmungen und dergl., die am Kern angegossen werden sollen, die jedoch in Fig. 3 weggelassen sind, da sie keine Teile der vorliegenden Erfindung bilden. Der Formhohlraum 14 hat einen Vorderkantenbereich 14a und einen Hinterkantenbereich 14b, welcher sich zu einem dünnen Querschnitt hin verjüngt. Beispielsweise verjüngt sich der Hinterkantenbereich 14b auf eine Dicke von weniger als 0,35 mm (0,014 inch). Im Vergleich hierzu beträgt die maximale Dicke des Formhohlraumes 14 in der Nähe des Vorderkantenbereiches ungefähr 12,7 mm (0,5 inch). Der Vorderkantenbereich und Hinterkantenbereich 14a bzw. 14b des Formhohlraumes 14 bilden eine entsprechende Vorderkante LE bzw. Hinterkante TE an dem gegossenen Kern C (s. Fig. 4).
• An der unteren Formhälfte 10 und der oberen Formhälfte 12 sind Wandunregelmäßigkeiten in Form von Vorsprüngen 14c vorgesehen, die bei geschlossenen Formhälften zusammenwirken, um schmale Kanäle 14d zwischen sich zu bilden. Die schmalen Kanäle 14d bilden durch offene Räume OP getrennte schmale keramische Rippen R an dem keramischen Kern C (Fig. 4), der in dem Formhohlraum 14 gegossen wird. Die Rippen R bilden Auslassöffnungen für Kühlluft an der Hinterkante der gegossenen Turbinenschaufel, wenn der Kern entfernt ist, wie dies beim Gießen von Turbinenschaufeln grundsätzlich bekannt ist.
• Die Formhälfte 10 hat eine Oberfläche 14e zum Bilden einer konvex geformten Oberfläche S 1, und die Formhälfte 12 hat eine Oberfläche 14f zum Bilden einer konkaven Kernoberfläche S2 an dem gegossenen Kern C (Fig. 4). Der Formhohlraum 14 umfasst sekundäre Bereiche 14g, 14h, die an dem gegossenen Kern C Endbereiche (core print regions) P1 und P2 bilden. Mehrere Entlüftungskanäle (von denen drei in Fig. 3 dargestellt sind), sind zwischen dem Hinterkantenbereich 14d und Nuten 14j angeordnet, um den Formhohlraum 14 zu entlüften, wenn keramisches Kernmaterial in den Formhohlraum 14 eingebracht wird.
• Mehrere Auswurfstifte EP sind in der Formhälfte 10 angeordnet und so bewegbar; dass sie den gegossenen Kern C aus dem Formhohlraum 14 auswerfen können. Die Auswurfstifte EP in der Nähe des Hinterkantenbereiches 14b sind in Fig. 3 gezeigt. Weitere Auswurfstifte, die an verschiedenen anderen Stellen des Formhohlraumes 14 angeordnet sind, um den gegossenen Kern entfernen zu können, sind nicht dargestellt.
• In der unteren Formhälfte 10 oder oberen Formhälfte 12 oder in beiden ist eine Einlassöffnung 10a vorgesehen, die mit einer Pumpe P einer herkömmlichen Einspritzgießpresse (nicht gezeigt) in Verbindung steht. Keramisches Kernmaterial wie z. B. eine fluidische keramische Verbindung wird unter Druck von z. B. 34,5 bis 137,8 bar (500 bis 2000 psi) über die Einlassöffnung 10a in den Formhohlraum 14 eingespritzt. Die Formhälften 10, 12 und die Pumpe P können einen Teil einer herkömmlichen hydraulischen Spritzgießpresse bilden, wie er als Modell DCS-2 von Howmet Tempcraft Inc., Cleveland, Ohio erhältlich ist. Die Spritzgießpresse ermöglicht einen Betrieb mit einer Füllstufe, während der keramisches Material unter Druck mit konstanter Einspritzgeschwindigkeit oder volumetrischer Rate in den Formhohlraum 14 eingespritzt wird, einer Packstufe, während der der Druck des keramischen Kernmaterials erhöht und stabilisiert wird, um den Formhohlraum 14 vollständig zu füllen, einer Haltestufe, während der der auf das keramische Kernmaterial ausgeübte Druck aufrecht erhalten wird, bis die Kernerstarrung fertig ist, und einer Kernauswurfstufe, wenn die Formhälften geöffnet sind, um den gegossenen Kern entfernen zu können. Die Erstarrung erfolgt als Folge der Wärmeabfuhr aus dem keramischen Kernmaterial in die Formhälften 10, 12.
• Das fluidische keramische Kernmaterial, das in den Formhohlraum 14 eingespritzt wird, besteht aus einem Gemisch aus einem oder mehreren keramischen Pulvern, einem flüchtigen Bindemittel oder anderen Bestandteilen wie z. B. einem oder mehreren flüchtigen Füllermaterialien, Dispergenzien, Plastifizierungsmitteln, Schmiermitteln und anderen Bestandteilen. Das Bindemittel kann ein thermoplastisches Bindemittel auf Wachsbasis, ein thermoplastisches Harz oder eine organometallische Flüssigkeit wie ein prähydrolisiertes Äthylsilikat sein, das mit dem keramischen Pulver in entsprechenden Anteilen gemischt ist, um ein keramisches Pulver/Bindemittel-Gemisch für den Gießvorgang zu bilden. Die keramischen Pulver können unter Verwendung eines herkömmlichen V-förmigen Mischers, pneumatischen Mischers oder irgendeines anderen Mischgerätes gemischt werden. Das Bindemittel kann unter Verwendung herkömmlicher Hochscher-Mischgeräte bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur zugegeben werden. Die keramischen Pulver können Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zirkoniumoxid, Zirkon, Yttriumoxid und andere Pulver und Gemische derselben umfassen, die zum Gießen eines speziellen Metalles bzw. einer speziellen Legierung geeignet sind. Die US 4 837 187 beschreibt einen keramischen Kern auf Aluminiumoxidbasis, der aus Aluminiumoxid- und Yttriumoxid-Pulvern hergestellt ist. Die speziellen keramischen Pulver, das flüchtige Bindemittel und die anderen Bestandteile des Keramikgemisches bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung, da herkömmliche Pulver/Bindemittel- Systeme zum Herstellen des keramischen Kerns verwendet werden können.
• Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert, werfen die Kanäle 14d zwischen den Vorsprüngen 14c an dem dünnen Hinterkantenbereich 14b des Formhohlraumes 14 insofern Schwierigkeiten auf, als die Kanäle 14d während des Spritzgießvorganges nur schwierig mit dem fluidischen keramischen Material gefüllt werden können. Das fluidische keramische Material (Bindemittelmaterial wie z. B. thermoplastisches Wachs) erstarrt vorzeitig in den Kanälen 14d an ihren Einlässen zu dem eigentlichen Formhohlraum 14 und bewirkt, dass das keramische Material um die Sperren durch den Endbereich fließt, um in die Kanäle 14d (s. Pfeile A) von der entgegengesetzten äußersten Seite des Hinterkantenbereiches 14b eintritt. Während der sogenannten Pack- bzw. Pressphase des Einspritzzyklus werden die in den Kanälen 14d angeordneten vorzeitig erstarrten keramischen Fronten zusammengeschoben und "zusammengeschmiedet", wobei Luft zwischen den Fronten eingeschlossen wird, was zu sogenannten Schweiß- bzw. Maschenlinien führt, welche mechanisch relativ schwache Bereiche bilden, die bei normalem Handhaben und Verarbeiten des Kerns leicht brechen oder reißen können, was zu entsprechendem Ausschuss führt.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein örtlicher Bereich 30 der Formhälfte 10 oder der Formhälfte 12 oder beider Formhälften in der Nähe der Kanäle 14d im Hinterkantenbereich erwärmt, bevor und während das fluidische keramische Material eingefüllt wird, worauf der örtliche Bereich 30 gekühlt wird, ehe der keramische Kern aus dem Formhohlraum entfernt wird. Gemäß einer Ausführungsform wird der örtliche Bereich 30 durch ein oder mehrere thermoelektrische Elemente 40 (PTE = Peltier thermoelectric element) erwärmt/gekühlt. In Fig. 2 ist ein thermoelektrisches Element 40 im einzelnen dargestellt, während ein gleiches thermoelektrisches Element 40' durch gestrichelte Linien schematisch angedeutet ist. Es ist möglich, ein oder mehrere thermoelektrische Elemente 40 an der Formhälfte 10 oder an der Formhälfte 12 oder an beiden Formhälften 10, 12 in der Nähe des entsprechenden örtlichen Bereiches 30 vorzusehen, der die Kanäle 14d umfasst. Wenn thermoelektrische Elemente 40 an beiden Formhälften 10, 12 vorgesehen werden, werden zweckmäßigerweise gleiche thermoelektrische Elemente eingesetzt. Im folgenden wird der Einfachheit halber nur das thermoelektrische Element 40 an der Formhälfte 10 beschrieben; es versteht sich jedoch, dass diese Beschreibung in gleicher Weise für das thermoelektrische Element bzw. die thermoelektrischen Elemente an der Formhälfte 12 gilt.
• Es wird nun auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen. Die Formhälfte 10 ist so ausgebildet, dass sie eine oder mehrere Nuten 14j aufweist (von denen zwei in Fig. 3 zu sehen sind). Die Nuten 14j nehmen ein entsprechendes thermoelektrisches Peltier-Halbleiter-Element 40 auf, das eine Heiz- oder Kühlwirkung je nach der Richtung des elektrischen Stromflusses durch das Element 40 aus einem Leistungsregler S erzeugen kann. Der Leistungsregler S ist beispielsweise ein Spannungsregler, der eine erwünschte Spannungsgröße und -polarität liefert. Die Nuten 14j sind unter einem Winkel zu der Trennfläche PS der Formhälfte 10 so gerichtet, dass die Fläche 14s1 der Nuten 14j im wesentlichen parallel und in einem Abstand von ungefähr 3,97 mm (5/32 inch) zu dem Hinterkantenbereich 14b des Formhohlraumes verläuft.
• Jedes thermoelektrische Element 40 besteht aus einem handelsüblichen PTE- Element und enthält eine wärmeleitende dielektrische Platte 40a, die in wärmeleitendem Kontakt mit der angrenzenden nutbildenden Fläche 14s1 steht, eine wärmeleitende dielektrische Platte 40b, die in wärmeübertragendem Kontakt mit einem Wärmetauscher 42 steht, und mehrere dazwischen angeordnete Halbleiter 40c, wie an sich bekannt ist. Geeignete PTE-Elemente sind beispielsweise von der Melcor Corporation, Trenton, New Jersey erhältlich. Eine wärmeleitende Bornitrit-Paste, eine Aluminiumnitrid-Folie oder irgendein anderes wärmeleitendes Material ist vorzugsweise zwischen der Platte 40a und der Oberfläche 14 s 1 sowie zwischen der Platte 40b und dem Wärmetauscher 42 angeordnet. Die Bornitritpaste ist beispielsweise von der Advanced Ceramics Corporation, Cleveland, Ohio erhältlich. Die Aluminiumnitrit-Folie ist von der Melcor Corporation erhältlich.
• Jeder Wärmetauscher 42 weist eine Leitungsanordnung aus einem Metall (z. B. Kupfer) oder einem anderen wärmeleitenden Material auf, die mit einer Kühlmittel-Einlassleitung 42a und einer Kühlmittel-Auslassleitung 42b in Verbindung steht. Der Wärmetauscher 42 umfasst mehrere schlangenförmig angeordnete Kanäle (nicht gezeigt) für den Kühlmittelstrom. Die Leitungen 42a, 42b befinden sich in einer primären Nut 10b und sekundäre Nuten 10c der Formhälfte 10, welche senkrecht zu der primären Nut 10b verlaufen. Die Entlüftungskanäle 14p sind mit den Nuten 10b, 10c verbunden, um den Formhohlraum 14 beim Füllen mit dem keramischen Kernmaterial zu entlüften. Das Kühlmittel kann Druckluft, Wasser oder ein anderes Fluid sein, derart, dass die Einlassleitung 42a mit einer Kühlwasserquelle oder Druckluftquelle oder einem anderen geschlossenen oder offenen Strömungsmittelsystem verbunden ist. Die Auslassleitung 42b für die Druckluft kann in die Umgebung führen. Wenn eine Flüssigkeit (z. B. Wasser) verwendet wird, ist die Auslassleitung 42b mit einem herkömmlichen Abfluss verbunden oder in ein geschlossenes Rezirkulationssystem integriert.
• Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 3A dargestellt ist, ist der Wärmetauscher 42 weggelassen. Stattdessen ist wärmeleitendes Material 45' wie z. B. Bornitritpaste oder ein Aluminiumnitritkissen zwischen der Platte 40b' und der angrenzenden nutbildenden Fläche 14s2 in Fig. 2 angeordnet, um einen wärmeleitenden Kontakt dazwischen herzustellen. In Fig. 3A tragen den Fig. 1 bis 3 entsprechende Teile dieselben Bezugszeichen, die jedoch mit einem Apostroph versehen sind.
• Ein Temperatursensor 50 in Form eines Thermoelementpaares ist in einer Bohrung der Formhälfte 10 angeordnet, um die Temperatur des örtlichen Bereiches 30 zu überwachen. Der Temperatursensor 50 ist mit dem Leistungsregler S in Form des oben beschriebenen Spannungsreglers verbunden, um Signale entsprechend der abgefühlten Temperatur in dem örtlichen Bereich 30 dem Spannungsregler zuzuführen. Der Temperatursensor kann an irgendeiner Stelle zwischen der Fläche 14 s 1 und dem Bereich 14b in der Formhälfte 10 und/oder der Formhälfte 12 zu diesem Zweck angeordnet werden. Der Spannungsregler kann mit dem Mikroprozessor-Betriebssteuergerät MC der Spritzgießmaschine verbunden sein, so dass der Heiz/Kühlzyklus des örtlichen Bereiches 30 gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Füllstufe und der Haltestufe des Spritzgießvorganges koordiniert werden kann. Der Leistungsregler S ist durch Anschlussdrähte W1, W2 mit den thermoelektrischen Elementen 40 verbunden, um sie mit einer Spannung einer Größe und Polarität zu beaufschlagen, durch die der örtliche Bereich 30 je nach der Betriebsstufe des Spritzgießvorganges erwärmt oder gekühlt wird.
• Beispielsweise wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der örtliche Bereich 30 der Formhälfte 10 (und/oder der Formhälfte 12) vor und während der Füllstufe erwärmt, bis das keramische Kernmaterial den Formhohlraum 14 füllt. Das Erwärmen des örtlichen Bereiches 30 durch die thermoelektrischen Elemente 40 wird durch den Leistungsregler S so geregelt, dass in dem örtlichen Bereich 30 eine erhöhte Temperatur herrscht, die ein vorzeitiges Erstarren der flüssigen keramischen Schlämme verhindert, ehe sie die Kanäle 14d füllt. D. h., dass das keramische Material fluidförmig bleibt, bis die Kanäle 14d gefüllt sind. Die Menge der Wärmeenergie, die den örtlichen Bereichen 30 durch die elektrothermischen Elemente 40 zugeführt werden muss, hängt von der Zusammensetzung und Temperatur des Kernmaterials, der Umgebungstemperatur, der Temperatur der Formhälften, der Wärmeleitfähigkeit des Materials der Formhälften und geometrischen Faktoren von Kern und Form ab und kann für vorgegebene Kerngießparameter empirisch bestimmt werden.
• Beispielsweise kann der örtliche Bereich 30 auf eine Temperatur von 68,3°C (160°F und mehr) für ein keramisches Material der in der US 4 837 187 beschriebenen Art erwärmt werden, das eine Erstarrungstemperatur im Bereich von 68,3° bis 32,2°C (155 bis 90°F) und eine Spritzgießtemperatur von 143°C (290°F) hat und das in Stahlformen mit einer Durchflussrate von 11,5 inch³/sec eingespritzt wird, um die Kanäle 14d (Fig. 1, 2) mit keramischem Material zu füllen, so dass es nicht zu den oben erwähnten mechanischen Schweiß- bzw. Maschenlinien an den keramischen Rippen R (Fig. 4) kommt.
• An einem empirisch bestimmten Punkt nach der Füllstufe werden die thermoelektrischen Elemente 40 so geregelt, dass sie statt einer Heizwirkung eine Kühlwirkung erzielen, um den örtlichen Bereich 30 auf eine geeignete niedrigere Auswurftemperatur zu kühlen, bei der der gegossene Kern C durch eine Bewegung der Auswurfstifte EP aus dem Formhohlraum 14 entfernt werden kann, ohne dass der Hinterkantenbereich 14b an den Oberflächen des Formhohlraumes haften bleibt und ohne dass der grüne Kern beschädigt wird. Zu diesem Zweck wird die den Elementen 40 zugeführte Spannung in ihrer Richtung umgekehrt und durch den Leistungsregler S so geregelt, dass in dem Bereich 30 eine niedrigere Temperatur erzeugt wird. Eine geeignete Auswurftemperatur, bei der der gegossene Kern (oder das gegossene Modell) nicht im Formhohlraum haften bleibt, keine Beschädigung des Kerns, wie z. B. ein Brechen, Reißen und/oder eine Verformung des gegossenen Kerns zu befürchten ist, kann für einen bestimmten Gießvorgang empirisch bestimmt werden. Eine typische Auswurftemperatur für den Bereich 30 beträgt beispielsweise 28,9°C (85°F) für das oben erwähnte keramische Kernmaterial und die oben erwähnten Gießparameter zum Herstellen des Kerns C. Wie bereits erwähnt, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Erwärmen und Kühlen dieser örtlicher Bereiche die Herstellung von keramischen Kernen mit ausreichender Kernfestigkeit und ohne das Vorhandensein von Schwächungslinien an den Rippen R und ohne Haftungsprobleme beim Entfernen des Kerns aus dem Formhohlraum 14. Außerdem können geringere Füllgeschwindigkeiten (z. B. von mehr als 150 msec) geringere Temperaturen des Kernmaterials und geringere Pressdrücke (von z. B. weniger als 137,8 bar) verwendet werden. Verringerte Füllgeschwindigkeiten haben den Vorteil, den Verschleiß der Formhälften 10, 12 zu verringern und die Menge der in dem gegossenen Kern oder Modell eingeschlossenen Luft zu reduzieren. Nachdem der grüne (ungebrannte) Kern C aus den Formhälften 10, 12 entfernt wurde, wird er in herkömmlicher Weise bei erhöhten Temperaturen gesintert, um die keramischen Pulverteilchen zu verfestigen und dem Kern die erforderliche Festigkeit für den Gießprozess zu verleihen. Das Sintern des grünen Kerns erfolgt durch eine Wärmebehandlung bei erhöhter Temperatur auf der Basis der Erfordernisse der verwendeten keramischen Pulver. Die oben erwähnte US 4 837 187 beschreibt die Wärmebehandlung eines keramischen Kerns auf Aluminiumoxidbasis. Die spezielle Wärmebehandlungstechnik bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung, da herkömmliche Techniken zum Herstellen des gebrannten porösen keramischen Kerns C (Fig. 4) eingesetzt werden können.
• Die Erfindung wurde bisher unter Bezugnahme auf die Verwendung von thermoelektrischen Elemente 40 (PTE-Elementen) zum Erwärmen und anschließenden Abkühlen des lokalen Bereiches 30 beschrieben; diese Elemente sind dauerfest, kompakt und erlauben eine relativ rasche Erwärmung und Abkühlung zum Erzielen kurzer Zykluszeiten für die Spritzgießmaschine. Die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt, da auch andere Heiz- und Kühlvorrichtungen bzw. Techniken in Abhängigkeit von den Zykluszeiten der Spritzgießmaschine verwendet werden können. Beispielsweise kann eine Erwärmung und Kühlung des Bereiches 30 mittels eines warmen und kalten Fluids unter Verwendung von Öl- oder Wasserkanälen in den Formhälften 10 und/oder 12 oder den Gießformbasen 27a, 27b verwendet werden, falls längere Zykluszeiten der Spritzgießmaschine akzeptiert werden können.
• Es wird nun auf Fig. 3B Bezug genommen, in der gleiche Merkmale wie in den vorhergehenden Figuren durch gleiche Bezugszeichen, versehen mit einem doppelten Apostroph, bezeichnet werden. Bei der dort gezeigten Anordnung enthält die untere Formhälfte 10" einen Strömungskanal P1" für Wasser, Öl oder ein anderes Fluid, um den Bereich 30" in der Nähe des Hinterkantenbereiches 14b" des Formhohlraumes 14" zu erwärmen und zu kühlen, sowie einen entsprechenden Strömungskanal P2" für Wasser, Öl oder ein anderes Fluid zum Erwärmen und Kühlen des Bereiches 31" in der Nähe des Vorderkantenbereiches 14a" des Formhohlraumes 14". Die Lage der Kanäle P1", P2" in der Formhälfte 10" und/oder 12" nächst den Bereichen 30" und 31" zwecks Erwärmung und Kühlung kann empirisch bestimmt werden. Eine Sammelleitung M" kann das Wasser, Öl oder andere Fluid den Strömungskanälen P1", P2" zuführen. Die Sammelleitung M" ist durch Leitungen L1", L2" abwechselnd mit einer Fluid-Heizvorrichtung H" (z. B. einem elektrischen Wassererhitzer von 18 l(W) verbunden, um ein Fluid einer geeigneten Temperatur wie z. B. von 60° bis 71°C (140 bis 160°F) den Strömungskanälen P1", P2" zuzuführen, um die Bereiche 30" und 31" zu erwärmen. Die Sammelleitung M" wird dann mit einem Fluidkühler CH" (beispielsweise einem herkömmlichen Wasserkühler) verbunden, um ein Fluid einer geeigneten Temperatur, wie z. B. kaltes Wasser von 7,2°C (45°F) den Strömungskanälen P1", P2" zuzuführen, um die Bereiche 30" und 31" auf die Auswurftemperatur zu kühlen, wie oben beschrieben wurde. Nachdem die Bereiche 30", 31" auf die Auswurftemperatur gekühlt wurden, kann die Strömung durch die Strömungskanäle P1", P2" beendet werden. Die Sammelleitung M" und die Kanäle P1", P2" werden in einem geschlossenen Kreislauf durch Rückführleitungen LR" mit der Heizvorrichtung H" und den Kühler CH" mittels herkömmlicher Ventile V" verbunden, die so angeordnet und ausgebildet sind und gesteuert werden, dass sie die Sammelleitung M" wahlweise mit der Heizvorrichtung H" und dem Kühler CH" verbunden. Die Leitungen L1", L2" können herkömmliche Rückschlagventile (nicht gezeigt) enthalten, um eine Rückströmung zu verhindern. Die Heizvorrichtung H" und der Kühler CH" werden in Abhängigkeit von der durch den Temperaturfühler 50" erfassten Temperatur gesteuert. Wenngleich nicht dargestellt, kann die obere Formhälfte (nicht gezeigt) entsprechende Strömungskanäle für denselben Zweck enthalten. Es kann entweder eine der Formhälften 10", 12" oder beide Formhälften derartige Strömungskanäle enthalten.
• Es versteht sich, dass auch eine Kombination aus den oben beschriebenen thermoelektrischen Elemente 40 und einem oder mehreren der Strömungskanäle zum Erwärmen und Kühlen eines oder mehrerer schwer zu füllenden Bereiche des Formhohlraumes möglich ist.
• Wenngleich ferner die Erfindung im Zusammenhang mit dem Erwärmen und Kühlen eines oder mehrerer schwer zu füllender Bereiche des Formhohlraumes 14 beschrieben wurde, ist sie hierauf ebenfalls nicht beschränkt, da die Formhälften 10 und/oder 12 insgesamt statt nur örtlich erwärmt und gekühlt werden können, um den Formhohlraum besser zu füllen. Beispielsweise können Strömungskanäle in einer oder in beiden der Formhälften 10, 12 in einer Konfiguration vorgesehen werden, die erforderlich ist, um für eine allgemeine Erwärmung der Formhälfte(n) zu sorgen und dadurch einen oder mehrere schwer zu füllende Bereiche des Formhohlraumes 14 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung besser füllen zu können.
• Auch kann die Erfindung im Zusammenhang mit der Herstellung eines massiven verlorenen Modells oder eines um den keramischen Kern C herum gespritzten verlorenen Modells verwirklicht werden. Beispielsweise wird der keramische Kern C der Fig. 4 typischerweise zwischen Modell-Gießformen (nicht gezeigt) angeordnet, die einen Modell-Formhohlraum bilden, und anschließend wird geschmolzenes Modellmaterial wie z. B. Wachs unter Druck um den Kern herum in den Modell- Formhohlraum eingespritzt. Ein derartiges Verfahren ist in der US 5 296 308 beschrieben, und ein Modell-Wachsmaterial zum Herstellen eines Modells ist in der US 5 983 982 beschrieben. Modellmaterialien können aus Wachsmaterialien, Polymermaterialien (z. B. Polyurethan, Polystyrol und andere) oder anderen Materialien ausgewählt werden, die beim Wachsausschmelzverfahren zum Herstellen eines verlorenen Modells verwendet werden, das mit einer keramischen Maskenform umgeben und anschließend thermisch oder auf andere Weise aus der Maskenform entfernt wird. Die Hinterkante des verlorenen Modells wird so gegossen, dass der Raum zwischen den keramischen Rippen R des Kerns C (Fig. 4) gefüllt werden und einen dünnen Hinterkantenbereich (geringen Querschnitts) an dem Modell bilden. Die Erfindung umfasst das Erwärmen und Kühlen zumindest des Hinterkantenbereiches des Modell-Formhohlraumes in der gleichen Weise, wie dies oben für den Kern-Formhohlraum 14 beschrieben wurde, um eine vollständige Füllung der Räume zwischen den keramischen Rippen R und anderen einzelnen Stellen des Hinterkantenbereiches sicherzustellen, ohne den Kern zu schädigen, während das Modellmaterial (z. B. Wachs) geschmolzen bleibt, und dann eine Abkühlung auf eine zweite untere Auswurftemperatur vorzunehmen, um das verlorene Modell entfernen zu können, ohne dass es an den Formoberflächen haften bleibt. Die vorliegende Erfindung umfasst in gleicher Weise das Erwärmen/Kühlen anderer Bereiche des Modell-Formhohlraumes wie z. B. des Vorderkantenbereiches, falls es erforderlich ist, einen oder mehrere schwer zu füllende Bereiche desselben zu füllen. Schließlich umfasst die Erfindung auch eine allgemeine (statt örtliche) Erwärmung und Kühlung einer oder mehrerer Modell-Formhälften zu diesem Zweck.

Claims (20)

1. Verfahren zum Herstellen eines Gusskörpers zur Verwendung beim Genauguss, bei dem ein zwischen Formhälften (10, 12) angeordneter Formhohlraum (14) mit einem fluidischen Material gefüllt wird, um einen keramischen Kern oder ein verlorenes Modell zu bilden, mindestens ein Bereich (30) mindestens einer der Formhälften (10, 12) während des Füllens des Formhohlraumes (14) auf eine überatmosphärische Temperatur erwärmt wird und danach der besagte Bereich (30) auf eine niedrigere Temperatur gekühlt wird, ehe der Gusskörper aus dem Formhohlraum (14) entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Bereich (30) durch mindestens ein in der betreffenden Formhälfte angeordnetes thermoelektrisches Element (40) erwärmt und gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des besagten Bereiches (30) abgefühlt und das thermoelektrische Element (40) in Abhängigkeit von der abgefühlten Temperatur gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Bereich (30) einen hinterkantenförmigen Bereich (14b) eines Schaufelflügels aufweist, der in der besagten Weise erwärmt und gekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hinterkantenförmige Bereich (30) relativ schmale Kanäle (14d) aufweist, die durch das thermoelektrische Element (40) erwärmt werden, um sie mit dem fluidischen Material füllen zu können.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Bereich (30) durch mindestens einen in der betreffenden Formhälfte angeordneten Strömungskanal (P1") erwärmt und gekühlt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme von dem thermoelektrischen Element (40) unter Verwendung eines Wärmetauscher-Strömungsmittels abgezogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscher-Strömungsmittel flüssig oder gasförmig ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Material ein keramisches Kernmaterial ist, das ein keramisches Pulver und ein fluidisches Bindemittel enthält.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Material ein Modellmaterial aufweist, das aus Wachs oder einem Polymer besteht.

11. Verfahren zum Herstellen eines schaufelflügelförmigen Gusskörpers zur Verwendung beim Gießen eines metallischen Schaufelflügels, mit einer ersten und einer zweiten Formhälfte (10, 12), die einen schaufelflügelförmigen Formhohlraum (14) definieren, und mindestens einem thermoelektrischen Element (40), das an mindestens einer der Formhälften (10, 12) angeordnet ist, um mindestens einen schwer zu füllenden Bereich des Formhohlraumes (14) während des Füllens des Formhohlraumes (14) mit einem fluidischen Material auf eine überatmosphärische Temperatur zu erwärmen und danach diesen Bereich auf eine niedrigere Temperatur zu kühlen, ehe der Gusskörper aus dem Formhohlraum (14) entfernt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 l, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor (50) benachbart zu dem besagten Bereich und einen Leistungsregler (S), der mit dem thermoelektrischen Element (40) verbunden ist, um die ihm zugeführte elektrische Leistung von der durch den Temperatursensor (50) erfassten Temperatur zu steuern.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (42), der mit dem thermoelektrischen Element (40) in Wärmekontakt steht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Einlassleitung (42a), die ein Wärmetauscher-Strömungsmittel dem Wärmetauscher (42) zuführt, um Wärme von ihm abzuziehen, und eine Auslassleitung (42b) zum Abführen des Wärmetauscher-Strömungsmittels.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem thermoelektrischen Element (42) und der besagten Formhälfte ein wärmeleitendes Material (45) angeordnet ist, um Wärme von dem thermoelektrischen Element (40) abzuziehen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum (14) die Konfiguration eines keramischen Kerns hat.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum (14) die Konfiguration eines Modells hat, das den schaufelflügelförmigen Gusskörper darstellt.

18. Vorrichtung zum Herstellen eines schaufelflügelförmigen Gusskörpers zur Verwendung beim Gießen eines metallischen Schaufelflügels, mit einer ersten und zweiten Formhälfte (10, 12), die einen schaufelflügelförmigen Formhohlraum (14) definieren, und mindestens einem Strömungskanal (P1") an mindestens einer der Formhälften (10, 12), um ein Strömungsmittel zuzuführen, um mindestens einen schwer zu füllenden Bereich des Formhohlraumes (14) während des Füllens des Formhohlraumes (14) mit einem fluidischen Material auf eine überatmosphärische Temperatur zu erwärmen und diesen Bereich auf eine niedrigere Temperatur zu kühlen, ehe der Gusskörper aus dem Formhohlraum (14) entfernt wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum (14) die Konfiguration eines keramischen Kerns hat.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum (14) die Konfiguration eines Modells hat, das den schaufelflügelförmigen Gusskörper darstellt.