DE10332607A1

DE10332607A1 - Verfahren zur Herstellung eines hohlen Formkörpers und Hohlkörperkern

Info

Publication number: DE10332607A1
Application number: DE2003132607
Authority: DE
Inventors: Werner Schnabel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2005-02-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Formkörpers mit den Schritten: Bereitstellen eines Hohlkörperkerns (2) aus einer Metall-Legierung, Umspritzen des Hohlkörperkerns (2) mit einem Formkörpermaterial und Ausschmelzen des Hohlkörperkerns (2). Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass als Formkörpermaterial eine thixotrope Metall-Legierung verwendet wird, deren Schmelztemperatur höher als die Schmelztemperatur der Metall-Legierung des Hohlkörperkerns (2) ist. Zudem betrifft die Erfindung einen zur Verwendung in dem Verfahren geeigneten Hohlkörperkern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Formkörpers mit den Schritten: Bereitstellen eines Hohlkörperkerns aus einer Metall-Legierung, Umspritzen des Hohlkörperkerns mit einem Formkörpermaterial und Ausschmelzen des Hohlkörperkerns. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Hohlkörperkern, der bei einem solchen Verfahren eingesetzt werden kann.

Ein Verfahren der genannten Art ist beispielsweise aus der DE 195 15 974 A1 bekannt. Dort wird ein Hohlkörperkern aus einer SnBi-Legierung eingesetzt. Ein solches Verfahren wird auch als Lost-Core-Verfahren bezeichnet, da der Hohlkörperkern durch das Ausschmelzen verloren geht. Das heißt es muss für jeden herzustellenden Formkörper ein neuer Hohlkörperkern bereitgestellt werden. Ein anderer verwendeter Begriff für derartige Verfahren ist Schmelzkerntechnik.

Als Formkörpermaterial wird beispielsweise Polyamid verwendet oder ein anderes aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften geeignetes Kunststoffmaterial. Polyamid hat jedoch ein Elastizitätsmodul von ca. maximal 10.000 MPa, ist problematisch beim Einsatz über 180°C, ist nur begrenzt erhältlich und bereitet darüber hinaus Probleme im Recycling.

Bei einem alternativen Verfahren zur Herstellung hohler Formkörper, das oft bei höherwertigen Produkte eingesetzt wird, werden die herzustellenden Teile aus zwei Halbschalen zusammengesetzt. Die Halbschalen können beispielsweise aus einem Magnesiumwerkstoff hergestellt werden. Anschließend werden die beiden Halbschalen zusammengefügt und durch ein Dichtmittel abgedichtet. Bei derartig hergestellten Teilen ist jedoch ungünstig, dass die Dichtmittel eine beschränkte Lebensdauer aufweisen, die oft kürzer als die angestrebte Lebenszeit des Produktes ist und daher erneuert werden müssen. Ein weiterer Nachteil der Herstellung von Teilen in Halbschalentechnik besteht darin, dass nicht beliebige Konturen herstellbar sind.

Darüber hinaus ist es bekannt, hohle Aluminiumformteile in Sandgusstechnik herzustellen. Diese Teile sind jedoch teuer und weisen darüber hinaus den Nachteil auf, dass die Oberfläche sehr rau ist. Insbesondere beim Einsatz solcher Teile im Automobilbereich für Saugrohre, Wasserpumpengehäuse usw. müssen die Teile jedoch auch strömungsgünstig sein. Aluminiumformteile, die in Sandgusstechnik hergestellt wurden, sind daher oftmals nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Formkörpers anzugeben, durch das der Formkörper einstückig herstellbar ist, eine glatte Oberfläche aufweist und darüber hinaus ein gutes Temperaturverhalten und gute Elastizitätseigenschaften besitzt. Zudem soll ein Hohlkörperkern angegeben werden, der zum Einsatz bei einem solchen Verfahren geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass als Formkörpermaterial eine thixotrope Metall-Legierung verwendet wird, deren Schmelztemperatur höher als die Schmelztemperatur der Metall-Legierung des Hohlkörperkerns ist.

Durch das vorgeschlagene Verfahren lassen sich hohle Formkörper herstellen, die gegenüber Polyamid wesentlich bessere Eigenschaften im Hinblick auf das Temperaturverhalten, die Recyclingmöglichkeiten und die Verfügbarkeit des Rohstoffs besitzen. Vorteilhaft ist, dass sich das Verfahren in eventuell bereits vorhandenen Lost-Core-Anlagen anwenden lässt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich auch komplizierte Geometrien realisieren, die in Halbschalentechnik nicht machbar sind.

Der Vorteil bei der Verwendung einer thixotropen Metall-Legierung besteht gegenüber konventionellem Metall-Druckguss darin, dass thixotrope Metall-Legierungen eine hohe Viskosität besitzen und daher die Formfüllung mit einer hohen Fließgeschwindigkeit erfolgen kann. Aufgrund der Schnelligkeit der Formfüllung schmilzt der Hohlkörperkern, der eine niedrigere Schmelztemperatur besitzt als das Formkörpermaterial, bei dem Formfüllvorgang nicht auf. Dabei erweist sich als vorteilhaft, dass die Verarbeitungstemperatur thixotroper Metall-Legierungen geringer ist als die Verarbeitungstemperatur flüssigen Metalls bei einem normalen Druckgussvorgang. Darüber hinaus ist die aufzuwendende Kraft zum Einpressen der Metall-Legierung in die Form geringer.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Umspritzen des Hohlkörperkerns mit Formkörpermaterial zunächst eine wärmeisolierende Schicht auf den Hohlkörperkern aufgebracht. Auch dadurch wird sichergestellt, dass der Hohlkörperkern nicht beim Füllvorgang schmilzt. In vorteilhaften Verfahrensschritten zum Aufbringens einer wärmeisolierenden Schicht erfolgt dies durch Tauchen, Lackieren oder Umspritzen.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Verhinderung des Schmelzens des Hohlkörperkerns besteht in dem Einsatz eines innengekühlten Kerns.

Bezüglich eines Hohlkörperkerns wird die Aufgabe durch einen Hohlkörperkern zur Herstellung eines hohlen Formkörpers gelöst, wobei der Hohlkörperkern aus einer Metall-Legierung besteht, die einen geringeren Schmelzpunkt als der auf dem Hohlkörperkern zu bildende hohle Formkörper hat, und der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass auf der Oberfläche des Hohlkörperkerns eine wärmeisolierende Schicht vorgesehen ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt durch ein Gießwerkzeug mit aufgenommenem Hohlkörperkern,
2 einen Querschnitt durch ein Gießwerkzeug mit aufgenommenem Hohlkörperkern,
3 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hohlkörpers und
4 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hohlkörpers.
Die 1 zeigt eine Anordnung 1 zur Herstellung eines hohlen Formkörpers mit einem Gießwerkzeug 3, in das ein Hohlkörperkern 2 aufgenommen ist. Der verhältnismäßig weiche Hohlkörperkern 2 stützt sich auf einen Stahlkern 4 ab, der für die mechanische Stabilität während des späteren Füllvorgangs erforderlich ist. Der Stahlkern 4 besitzt in einer vorteilhaften, in den 4 und 5 gezeigten Ausgestaltung Fortsetzungen 14 im Inneren des Hohlkörperkerns 2, so dass eine exakte und stabile Positionierung des Hohlkörperkerns 2 in dem Gießwerkzeug 3 gegeben ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel soll ein langgezogenes Saugrohr für einen Verbrennungsmotor hergestellt werden. In einem Luftansaugbereich 8 des späteren Formteils wird Umgebungsluft angesaugt. Diese gelangt in einen Verteilerbereich 9, von wo aus sie über vier Rohrleitungsabschnitte 10 zu einem Luftaustrittsbereich 11 gelangt, von wo aus die Luft in die einzelnen Zylinder eintritt. Im Luftansaugbereich 8 und in dem Luftaustrittsbereich 11 sollen Flansche gebildet werden.
Zur Bildung der beschriebenen Bereiche eines Saugrohrs sind der Hohlkörperkern 2 und das Gießwerkzeug 3 so aufeinander abgestimmt, dass Zwischenräume 7 gebildet sind, die der Wandstärke des späteren Formkörpers entsprechen.
Der Füllvorgang, bei dem der Hohlkörperkern 2 mit Formkörpermaterial umspritzt wird, erfolgt nach Einlegen des Hohlkörperkerns 2 in das Gießwerkzeug 3. Dabei wird das Formkörpermaterial in die Zwischenräume 7 gepresst. Durch die Verwendung einer thixotropen Metall-Legierung als Formkörpermaterial ist es möglich, die Zwischenräume zu füllen, obwohl sich aufgrund der Form der Zwischenräume lange Fließwege bei einer gleichzeitig sehr geringer Zwischenraumbreite ergeben.
Aus 2 ist zu erkennen, dass die thixotrope Metall-Legierung in Form eines sogenannten Pellets 5 im Bereich der Luftaustrittsöffnungen des Saugrohrs zugeführt wird. Dieser Bereich liegt nahe an dem Abstützpunkt auf dem Stahlkern 4, so dass die Zuführung des Pellets 5 in Einpressrichtung 6 auch unter hohem Druck nicht zu einer Verformung oder einer Verschiebung des Hohlkörperkerns 2 in dem Gießwerkzeug 3 führt. Von dem Luftaustrittsbereich 11 aus verteilt sich das thixotrope Formkörpermaterial in den Zwischenräumen 7.
Aufgrund der guten Fließeigenschaften kann der Füllvorgang unter einem geringeren Druck ablaufen als bei konventionellen Druckgießvorgängen. Trotzdem kann der Vorgang so schnell ablaufen, dass es nicht zu einer Aufschmelzung des Hohlkörperkernmaterials kommt.
Die 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Hohlkörper 2. Dieser ist im Innern mit Kühlkanälen 13 versehen zur Kühlung des Hohlkörperkerns 2 vor und/oder während des Umspritzens. Zusätzlich kann, wie in 3 dargestellt ist, eine wärmeisolierende Schicht 12 auf den Hohlkörperkern 2 aufgebracht werden. Dadurch wird der Wärmeübergang von dem heißen Formkör permaterial auf den Hohlkörperkern 2 verschlechtert, so dass eine längere Zeit für den Füllvorgang zur Verfügung steht, bis der Hohlkörperkern die kritische Temperatur erreicht, bei der er zu schmelzen beginnt. Die wärmeisolierende Schicht 12 besteht beispielsweise aus Polyurethan und ist durch Tauchen, Lackieren oder Umspritzen aufgebracht worden. Vorzugsweise kommt eine Spritzlackierung mit einem Kunstharz oder Polyurethan in Betracht. Eine Beschichtung mit PTFE, dem sogenannten Teflon, ist ebenfalls möglich.
Zusätzlich oder statt dessen kann der Hohlkörperkern 2 von innen gekühlt werden, wie in den 3 und 4 dargestellt ist. Dazu sind Kühlkanäle 13 vorgesehen, die von einem Kühlmittel durchströmt werden. Das Bereitstellen der Kühlkanäle 13 sowie der erforderlichen, nicht dargestellten Kühlvorrichtungen ist jedoch verhältnismäßig aufwendig und nur in solchen Fällen erforderlich, wenn die für den Füllvorgang benötigte Zeit so lang ist, dass ein Aufschmelzen des Hohlkörperkernmaterials zu befürchten ist. Durch die Kühlung des Hohlkörperkerns 2 kann einerseits vor Beginn des Füllvorgangs die Temperatur des Hohlkörperkerns 2 verringert und andererseits die beim Füllvorgang von dem Hohlkörperkern 2 aufgenommene Wärme abgeführt werden.
Wie oben erwähnt, ist es aus mechanischen Gründen vorteilhaft, wenn sich der Stahlkern 4 weiter in die Rohrleitungsabschnitte 10 hinein erstreckt. Eine solche Ausführung ist bei dem Beispiel der 4 gezeigt. Neben Kühlkanälen 13 sind in der 4 auch Fortsetzungen 14 des Stahlkerns 4 vorgesehen. Dabei sind die Kühlkanäle 13 in die Fortsetzungen 14 des Stahlkern 4 integriert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine thixotrope Magnesiumlegierung verwendet. Statt dessen können auch andere Legierungen eingesetzt werden, beispielsweise sind auch thixotrope Aluminiumlegierungen verfügbar.
Nach dem Abschluss des Füllvorgangs und dem Aushärten der thixotropen Metall-Legierung kann die Anordnung mit dem Hohlkörperkern 2 und dem nun hergestellten Formkörper, der die form des Zwischenraums 7 besitzt, aus dem Gießwerkzeug 3 entnommen werden. Durch anschließende Erwärmung beginnt das Material des Hohlkörperkerns 2 zu schmelzen, so dass der Stahlkern 4 von dem Hohlkörperkern 2 bzw. dem Formkörper getrennt werden kann und anschließend der restliche Hohlkörperkern 2 ausgeschmolzen wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines hohlen Formkörpers mit den Schritten – Bereitstellen eines Hohlkörperkerns (2) aus einer Metall-Legierung, – Umspritzen des Hohlkörperkerns (2) mit einem Formkörpermaterial und – Ausschmelzen des Hohlkörperkerns (2), dadurch gekennzeichnet, dass als Formkörpermaterial eine thixotrope Metall-Legierung verwendet wird, deren Schmelztemperatur höher als die Schmelztemperatur der Metall-Legierung des Hohlkörperkerns (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall-Legierung des Hohlkörperkerns (2) eine Zinn-Bismuth-Legierung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als thixotrope Metall-Legierung eine Magnesiumlegierung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umspritzen innerhalb einer Zeitspanne erfolgt, die derart bemessen ist, dass der Hohlkörperkern (2) Wärme des Formkörpermaterials aufnehmen kann, ohne seine Schmelztemperatur zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörperkern (2) vor dem Umspritzen mit einer wärmeisolierenden Schicht (12) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeisolierende Schicht (12) eine Kunststoffschicht ist, die durch Tauchen, Lackieren oder Umspritzen aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Umspritzens des Hohlkörperkerns (2) dieser von innen gekühlt wird.
Hohlkörperkern zur Herstellung eines hohlen Formkörpers, wobei der Hohlkörperkern (2) aus einer Metall-Legierung besteht, die einen geringeren Schmelzpunkt als der auf dem Hohlkörperkern (2) zu bildende hohle Formkörper hat, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Hohlkörperkerns (2) eine wärmeisolierende Schicht (12) vorgesehen ist.
Hohlkörperkern nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeisolierende Schicht (12) aus Polyurethan, PTFE oder einem Kunstharz besteht.
Holkörperkern nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern ein oder mehrere Kühlkanäle (13) vorgesehen sind.