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Schlickergießverfahren zur Herstellung keramischer Waren Bei den bisherigen
Schlickergießverfahren wird das Suspensionswasser aus dem in die Form eingeleiteten
Schlicker durch die porösen Formwände abfiltriert. Dabei bildet sich eine keramische
Schicht, aus der das Suspensionswässer entfernt worden ist, an den Innenwänden der
Form, so daß das Suspensionswasser des jeweils neu hinzukommenden Schlikkers durch
diese Schicht hindurchgeführt und durch sie hindurch angesaugt werden muß, um die
übliche Entwässerung fortzusetzen. Die plastische Anhäufung der keramischen Teilchen
baut sich innerhalb der Form rückwärts nach der Schlickereinführung hin auf, bis
schließlich der Hohlraum der Form vollständig ausgefüllt worden ist. Dieser Vorgang
erfordert einige Minuten beim Vergießen unter Druck (Druckguß) und erheblich mehr
Zeit beim Sturzguß (Gießen im freien Fall). Die plastische Masse besitzt offensichtlich
eine stetige Wasserphase, die jedes, Teilchen der Masse mit einem Wasserfilm umgibt
und durch die hindurch stufenweise Suspensionswasser von neu zugeführtem Schlicker
weiterhin fließen kann.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf keramische Schlicker verarbeitende
Verfahren und beruht auf der Erkenntnis, daß die Bodenmechanik der Schlicker gestattet,
die Oberflächenspannung oder die Grenzschichtenwirkungen des Porenwassers zu überwinden,
so daß das die Schrumpfung der Frischware bewirkende sogenannte Schrumpfwasser zwischen
den Ton- oder sonstigen kleinen Teilchen unmittelbar herausgepreßt werden kann innerhalb
einer porösen Form, selbst wenn dabei als druckübertragendes Medium eine Flüssigkeit
oder Suspension verwendet wird, die am einfachsten in Form von zusätzlichem Schlicker
bestehen kann, die der Schlickermenge zugeleitet wird, die durch eine Speiseleitung
in die Hohlräume der Mulde eingeleitet wurde. Dieser erfindungsgemäß mit etwa 43
bis 70 Atmosphären angewendete Druck auf den Schlicker innerhalb der porösen Form
übersteigt wesentlich die bisher nach dem Stande der Technik (Montgomery, USA.-Patent
1864 365, verwendet 14 atm) bei Schlickerverfahren angewendeten Drücke. Obwohl
für plastische Massen die Anwendung solcher hohen Drücke bekannt ist, lag die Anwendung
auf flüssige Schlicker schon deshalb nicht nahe, weil das Herauslösen der fertig
gepreßten Ware bei stärkerer Entwässerung (unter etwa 11% Wassergehalt) erhebliche
Schwierigkeiten durch Ankleben des entwässerten Schlickere an den Formwandungen
macht und das Herausdrücken durch Druckwasser oder Luft eine Rückführung von Wasser
in die Frischware bewirkt. Überraschenderweise tritt dieser reversible Vorgang der
Wasseraufnahme bei dem Verfahren der Erfindung nicht auf. Die Beseitigung des Schrumpfwassers,
d. h. des bisher nur durch Trocknen entfernbaren Wassers, gemäß der Erfindung geschieht
zusätzlich zu der Beseitigung des Suspensionswassers. Obgleich nach der Erfindung
im wesentlichen Wasser das druckübertragende Mittel ist, werden; die Schlickerteilchen
innerhalb des konstant gehaltenen Hohlraumes der Form sogleich zum Zusammenstoß
gebracht infolge des hohen und verhältnismäßig zeitlich schnell aufgepreßtenDruckes.
Bei der Druckentspannung nach erfolgter Formung des Gegenstandes und vor bzw. bei
seiner Ablösung aus der Form durch das bekannte Zurückblasen tritt überraschenderweise
keine wesentliche Umkehr im Entwässerungsvorgang ein, obwohl der entwässerte und
geschrumpfte Gegenstand in unmittelbarer Berührung mit der Flüssigkeit steht, die
den Druck überträgt. Die Entfernung des Schrumpfwassers als Folge der überwindung
der Oberflächenspannung und der Grenzschichtenkräfte des Porenwassers zusätzlich
zur Entfernung des Supensionswassers kann also als nicht umkehrbar oder genauer
als nicht umkehrbar bei der praktischen. Durchführung der Erfindung angesehen werden.
Diese erwähnte Nichtumkehrbarkeit umfaßt auch nach einer weiteren Erkenntnis der
Erfindung die Möglichkeit, wesentlich die gesamte Oberfläche des im Großteil von
Schrumpfwasser befreiten Gegenstandes wieder
unmittelbar mit Wasser
für die Zwecke des Ablösens aus der Form in Berührung zu bringen.
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Es wurde des weiteren gefunden, daß die Entwässerung unter einem durch
Flüssigkeit ausgeübten Druck bei erhöhten Drücken fortgesetzt werden kann trotz
der ständig dichter werdenden Lagerung der Ton- oder tonähnlichen Teilchen. Es ist
nicht sicher, ob das Herauspressen des Schrumpfwassers so lange hinausgeschoben
wird, bis die Form fast ganz mit einer Masse gefüllt ist, aus der das Suspensionswasser
bereits entfernt worden ist. Zu diesem Zeitpunkt tritt dieses Herausdrücken des
Wassers mehr oder weniger gleichzeitig durch die ganze Masse ein. Es kann aber auch
sein, daß sich die Entwässerung durch die Zwischenräume, die zwischen den dicht
gelagerten Teilchen der äußeren dünnen Schichten verbleiben, fortsetzt, wenn alles
oder nahezu alles Schrumpfwasser aus diesen Schichten entfernt ist. Wie dem auch
sei, die in der Form verbleibende Masse bildet einen wesentlich vorgeschrumpften
Gegenstand, der alle Nachteile der bisher bekannten charakteristischen Schrumpfung
eines neugeformten frischen keramischen Gegenstandes vermeidet, wobei gleichzeitig
eine enge Kontrolle in der Stärke erreicht wird. Die nach der Erfindung vorgeschrumpften
Gegenstände enthalten sehr wenig - wenn überhaupt noch -Schrumpfwasser, weil das
Verfahren der Erfindung das meiste des Wasserfilms, der jedes Teilchen umgibt, beseitigt,
so daß das übrigbleibende Wasser die Hohlräume zwischen den sich berührenden Teilchen
ausfüllt. So ist nicht nur die Schrumpfung beim Trocknen nunmehr beseitigt, sondern
auch die Trocknungszeit wird im großen Umfang abgekürzt. Dementsprechend werden
durch die Erfindung alle mit der Ungleichmäßigkeit der Herstellung oder dem Werfen,
dem ungleichmäßigen Trocknen, dem ungleichmäßigen Schrumpfen dicker und dünner Querschnitte
und unregelmäßigen Formen verbundenen Probleme beseitigt.
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Bei der Herstellung von keramischer Ware in porösen Formen lassen
Luftblasen ihre Spuren in Form von flachen Schalen oder Fehlern innerhalb der plastischen
Masse zurück. Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die Entwässerung wesentlich
gleichförmig über den Querschnitt verschiedener Dicke, weil während des Entwässerungsvorganges
keine bedeutende Druckveränderung innerhalb dicker und dünner Teile des Querschnittes
eintritt; desgleichen beseitigt die stetige Versorgung des. unter Druck hinzukommenden
Schlickers alle Spuren von. Luftblasen im geformten Gegenstand. Es findet eine Entlüftung
zusätzlich zur Entwässerung statt. Gegenüber den verschiedenen plastischen Verformungsverfahren
nach dem Stand der Technik bringt das Verfahren der Erfindung in höherem Maße eine
vorzugsweise Orientierung der Tonteilchen mit sich, was sich in größerer Festigkeit
und Gleichmäßigkeit beim Brennschwund auswirkt. Auch im zeitlichen Ablauf unterscheidet
sich das Verfahren der Erfindung von den bekannten Druckvorgängen bei plastischen
Verfahren. So enthebt die Erfindung die Notwendigkeit des Knetens (Kollerns mit
Wasser) bei der Herstellung der plastischen Masse. Die keramische Ware nach der
Erfindung kann innerhalb weniger Sekunden nach dem Unterdrucksetzen des Schlickers
geformt werden (M o n t g o m e r y braucht dazu einige Minuten).
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Das Verfahren nach der Erfindung kann für die Erzeugung von solchen
Gegenständen angewendet werden, die gewöhnlich durch Schütteln und in ungeteilter
Form hergestellt werden. Es beseitigt die Notwendigkeit der Anwendung von Filterpressen,
Kollergängen und ausgedehnten Tonbehandlungsausrüstungen sowie eine große Lagerhaltung
in Formen beim Verformen solcher Gegenstände. Das Verfahren beseitigt ferner auch
die Notwendgkeit, gelerntes Personal für das Ausschlagen und Schütteln der Formen
anzustellen. Die Trockeneinrichtung kann ebenfalls vereinfacht werden. Kleine Produktionsauflagen
verschiedener Größen und Gestalten können wirtschaftlich gestaltet werden. Die Rückführung
von Abfall ist im wesentlichen beseitigt. Wenn in der vorliegenden Beschreibung
und in den Ansprüchen das Wort »Wasser« gebraucht wird, so soll darunter jedes gleichwertige,
fördernde Fluid oder Suspensionsmittel verstanden werden.
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An Hand der Zeichnung sei der Gegenstand der Erfindung mit einem Ausführungsbeispiel
des Näheren erläutert, ohne damit den Schutzumfang des allgemeinen Erfindungsgedankens
beschränken zu wollen. In Fig. 1 ist schematisch die Gesamtanordnung einer Einrichtung
zur Ausübung des Verfahrens der Erfindung und in Fig. 2 und 3 eine andere Bauweise
der Preßform in zwei verschiedenen Arbeitsstellungen in schematisch gehaltener Darstellung
gezeigt.
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In Fig. 1 ist mit 10 eine poröse Preßform in zweiteiliger Ausführung
längs der Trennlinie 11 bezeichnet. Die Form 10 kann eine Gipsform in üblicher Bauweise
mit einer Metallverkleidung und Faserglasröhren 18 sein, die nach außen führen.
Die durchlässigen Wände der Faserglasröhren lassen das von der Form 10 angesaugte
Wasser in bekannter Weise nach außen ablaufen. Eine nicht gezeichnete Preßluftanlage
kann ebenfalls mit den Rohren 18 in Verbindung stehen. Eine vorzugsweise aus Metall
bestehende Leitung 12 führt in den Hohlraum der Preßform bzw. durch die Preßformhälfte
hindurch in in diesen Hohlraum, der beispielsweise als Teller punktiert im Querschnitt
dargestellt ist. Ein Schlickerventil 13 mit der Schlickerzuführungsleitung 14 versorgt
die Leitung 12 bzw. den Hohlraum in der Preßform mit dem zu diesem Zweck genügend
unter Druck stehenden Schlicker. Ebenfalls an das Ventil 13 ist eine weitere Schlickerzuführungsleitung
17 mit dem Behälter 15, der in der Mitte eine biegsame Trennwand oder Membran 16
besitzt, angeschlossen. Der untere Teil dieses Behälters 15 füllt sich über die
Leitung 14 bei geöffnetem Ventil 13 mit Schlicker an, wogegen oberhalb der Membran
16 Drucköl über die Leitung 23 mit dem die Ölzufuhr regelnden Drosselventil 22 geführt
wird. Ein Manometer 27 dient zur Ablesung des jeweiligen Öldruckes im oberen Teil
des Behälters 15. Der Öldruck in den Leitungen 23 und 25 und im Behälter 15 wird
durch eine (nicht gezeichnete) Ölpumpe mit einem überdruckventil in der jeweils
gewünschten Höhe eingestellt. Sowohl das die Zu- und Ableitung des Drucköles regelnde
Ventil 24 als auch das die Zu- und Ableitung des Schlickers regelnde Ventil 13 wird
gemeinsam über eine elektrische Leitung mittels der Solenoide 19 und 28 und des
Druckschalters 37 bedient.
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Dieser Druckschalter 37 ist mit einer Leitung 32 einerseits und einem
hydraulischen Zylinder 20 und andererseits an ein von Hand bedientes Druckregelventil
31
mit der Leitung 36 angeschlossen. Der hydraulische Zylinder 20 bzw. der darin befindliche
Kolben dient zum Öffnen und Schließen der oberen Formhälfte, weshalb die weitere
Druckleitung 33 mit der Leitung 35 an das Ventil 31 angeschlossen ist. Die Leitung
35 führt zu einer (nicht gezeichneten) hydraulischen, druckerzeugenden Anlage und
die Leitung 36 zu einem hydraulischen Flüssigkeitsbehälter. Das in den Behälter
15 und in den Zylinder 20 zugeführte Drucköl kann das gleiche sein. Es können aber
auch voneinander unabhängige Preßflüssigkeitsanlagen vorgesehen sein.
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Steigt der Druck in der Leitung 32 auf eine vorherbestimmte Größe,
so schließt sich der Druckschalter 37, wogegen er im umgekehrten Fall, wenn der
Druck unter den vorbestimmten Wert fällt, sich öffnet. Die Solenoide 19 und 28 sind
mit diesem Druckschalter hintereinandergeschaltet.
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Die Betriebsweise mit der Einrichtung nach der Erfindung gestaltet
sich nun folgendermaßen: Bei der in Fig. 1 dargestellten Stellung des von Hand bedienten
Druckregelventils 31 fließt Drucköl in den Zylinder 20 durch die Leitung 32, wodurch
die obere Formhälfte der Form 10 in die in Fig. 1 gezeichnete Schließstellung gesenkt
wird. Wenn der Kolben im Zylinder 20 mit der oberen Formhälfte die Schließstellung
erreicht hat, steigt der Druck in der Leitung 32 an, und der Druckschalter 37 schaltet
den Stromkreis für die Solenoide 19 und 28 ein. Dadurch werden die von diesen Solenoiden
bedienten Ventile 13 und 24 in die in Fig. 1 gezeichnete Arbeitsstellung gebracht.
Es fließt also Öl beispielsweise mit einem Preßdruck von etwa 42 Atmosphären und
darüber in die obere Hälfte des Behälters 15, wobei die Durchflußgeschwindigkeit
durch das Drosselventil 22 überwacht wird. Der im unteren Teil des Behälters 15
befindliche Schlicker fließt bei abgesperrter Zufuhrleitung 14 nunmehr aus dem Behälter
15 über die Leitung 12 in die Form 10 unter dem gleichen Druck. Dadurch fließt das
Wasser aus dem Schlicker durch die porösen Formwände und die Rohre 18 nach außen
ab, und der Schlicker innerhalb der Form 10 wird zu einer vorgeschrumpften lederharten
Masse, aus der das meiste oder alles Schrumpfwasser entfernt worden ist, wobei sich
die Ton- oder tonähnlichen Teilchen dieser Masse im allgemeinen parallel zu den
inneren Formwänden anlagern, d. h. senkrecht zur Druckrichtung auf diese Formwände.
Durch diese Druckorientierung der Teilchen wird das Porenvolumen zwischen den Teilchen
auf ein Minimum und damit auch das Volumen des Restwassers in diesen Poren nach
der Entfernung des Schrumpfwassers herabgedrückt. Die Herabsetzung dieses Porenvolumens
setzt auch die restliche Feuchtigkeit des geformten Gegenstandes und damit die Trocknungszeit
herab.
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Nach einer verhältnismäßig kurzen Zeit, die gewöhnlich nur wenige
Sekunden beträgt, kann Preßluft in die Leitung 18 der Form 10 eingeführt werden,
um die Feuchtigkeit auf die. Formflächen zurückzudrücken und dadurch das schnelle
Ablösen der geformten Ware zu ermöglichen. Gleichzeitig wird dabei das Ventil
31 umgelegt, so daß die obere Formhälfte hochgehoben wird. Infolge des dabei
auftretenden Druckabfalls in der Leitung 32 werden die Solenoide 28 und 19 durch
den Druckschalter 37 wieder abgeschaltet und dadurch die Ventile 24 und 13 umgestellt,
so daß eine neue Menge Schlicker aus der Leitung 14 in den Behälter 15 fließen kann.
Nach Entfernung der geformten Ware aus der geöffneten Form 10 und Schließen der
Form kann eine neue Füllung beginnen.
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Die schematischen Darstellungen der Fig. 2 und 3 sollen den größeren
Anwendungsbereich der Erfindung veranschaulichen. In Fig. 2 wird die mit 100 bezeichnete
Form durch Klammern 101 zusammengehalten. Tonschlicker wird mit etwa 52,5
Atmosphären Druck durch die Leitung 102 eingepreßt und das Suspensions- und Schrumpfwasser
aus dem eingepreßten Material entfernt, wobei die Druckorientierung der Teilchen
- wie oben ausgeführt - des weiteren die restliche Feuchtigkeit verringern. Danach
werden die Klammern losgelöst, die Form geöffnet und nach Darstellung der Fig. 3
das geformte Stück 105 aus der Form genommen.
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Ausführungsbeispiel Mit Schlickerzusammensetzungen, deren feste Bestandteile
durch ein Maschensieb von 2500 Maschen je Quadratzentimeter hindurchgehen und die
beispielsweise aus
| Gewichtsprozent |
| Pennsylvanischem Flint (Feuerstein) 28,5 |
| Kalifeldspat ..................... 13,9 |
| Marmor ......................... 1,5 |
| Bindeton ........................ 7,5 |
| Kaolin .......................... 8,2 |
| Porzellanscherben ................ 15,4 |
| Wasser .......................... 25,0 |
| 100,0 |
bestehen, können beispielsweise nur 15 Sekunden andauernde Verformungsdrücke von
42 Atmosphären und darüber angewendet werden, wobei unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten
(Herstellungs- und Betriebskosten) praktisch eine Obergrenze in der Nähe von etwa
70 Atmosphären gegeben ist. Dieser Schlicker wurde in üblicher Weise vorbereitet
und durch die Leitung 14 mit einem Druck von 4,9 Atmosphären eingespeist. Während
des Formvorganges wurde im öl-Schlickerbehälter 15 ein Öldruck von 52,5 at aufrechterhalten.
Der Schhcker wurde in der Form 15 Sekunden lang unter diesem Druck gehalten und
danach Preßluft mit 5,6 at in die Faserglasröhren gedrückt, die Form geöffnet und
ein Formstück lederharter Beschaffenheit aus der Form entfernt. Nach dem Brennen
(60 Stunden lang bei 1227° C) zeigte sich kein Werfen. Die Oberflächen der gebrannten
Stücke wiesen eine äußerst klare Wiedergabe kleiner Risse oder Furchen auf der inneren
Oberfläche der Versuchsform auf. Der Membranbehälter 15 gemäß Fig. 1 wurde vorgesehen,
um die äußerst schwierige Aufgabe des Verschleißes von Lageroberflächen unter der
Einwirkung von Tonschlicker zu überwinden, insbesondere in Anbetracht der hohen
Drücke. Andere Drucksysteme, sofern sie zur Behandlung solcher schmirgelnder Flüssigkeiten
oder flüssigkeitsartiger Massen geeignet sind, können verwendet werden.
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Vom Standpunkt der Verzierung der keramischen Ware bringt die Erfindung
ebenfalls wesentliche Vorteile mit sich. So können die inneren Flächen der geöffneten
porösen Form mit einem farbigen Schlicker vor dem Verschließen gespritzt werden,
um im Endprodukt einen Spritzeffekt zu erzielen. Die gleiche Wirkung kann durch
Einspritzen von gefärbtem
Schlicker in die geschlossene Form vor
der Einführung des Hauptteiles des Schlickers erreicht werden. Dabei kann der gefärbte
Schlicker entweder unter sehr hohem Druck oder mit Hilfe von Preßluft eingeführt
werden. Marmorierte Muster können durch abwechselnde Einführung von Schlicker verschiedener
Färbung erzielt werden.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die Herstellung
aller Arten keramischer Waren, wie Kacheln, sanitäre Gegenstände und Töpferware.