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Diese Erfindung betrifft auf dem Gebiet von Feinguss ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kerns zum Vorbereiten der Herstellung, mittels einer keramischen Form, eines Gussteils mit Hohlraumstrukturen, die zu formen der keramische Kern eingerichtet ist, unter Verwendung eines 3D-Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils sowie den keramischen Kern.
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Feinguss findet bekanntlich unter Verwendung eines verlorenen Modells in einer verlorenen Form statt, die in Gestalt einer einmal verwendbaren Keramikbeschichtung des Modells gebildet wird. Das bekannte Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Herstellung eines positiven Modells (in der gleichen Gestalt wie das zu produzierende Gussteil) aus hartem oder elastischem Material;
- - Herstellung einer temporären Form durch Gießen einer Flüssigkeit über das Modell und Abkühlen bis zu ihrer Erstarrung;
- - Extrahieren des Modells;
- - Bilden eines temporären Modells durch Gießen einer zweiten Flüssigkeit in den Hohlraum der temporären Form und Abkühlen bis zu Ihrer Erstarrung;
- - Schmelzen oder Lösen der temporären Form;
- - Keramische Beschichtung des temporären Modells, um eine feste Keramikschale um das temporäre Modell auszubilden;
- - Schmelzen oder Lösen des temporären Modells und Evakuieren der dabei anfallenden Flüssigkeit aus der Keramikschale;
- - Füllen des Hohlraums der Schale mit geschmolzenem Metall und erstarren lassen, um so das endgültige Gussteil zu bilden.
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Im Einzelnen ist Feinguss von hohlen Metallteilen ein Verfahren der verlorenen Form und wird auch als Wachsausschmelzverfahren bezeichnet. Der Herstellungsprozess läuft dann Industrie-typisch in den folgenden Schritten ab:
- 1. Ein Kern aus keramischem Material wird durch Keramikspritzguss (CIM) in eine mehrteilige wiederverwendbare Spritzgussform, sowie durch nachfolgendes Entbindern, Brennen und Finishen, erhalten. Der Kern bildet, komplementär (als Negativ), die Geometrie des Hohlraums im späteren Gussteil ab.
- 2. Ein Wachsmodell wird um den Kern herum durch Wachsspritzguss in eine mehrteilige wiederverwendbare Spritzgussform erzeugt. Der Kern ist dabei in die Wachs-Spritzgussform eingelegt. Das Wachsmodell bildet die Außenkontur des Metallteils ab, das gegossen werden soll.
- 3. Das Wachsmodell mitsamt Kern, oder mehrere solche Wachsmodelle, werden zu einem Aufbau (einer Wachstraube), einer vollständigen Gießtraube ergänzt, nämlich mit Speisern (Angüssen) und Gießtrichter, sowie Filtern und im Fall von DS- und SX-Guss zum Beispiel mit Startern, Keimselektoren und Keimleitern.
- 4. Auf der Wachstraube wird eine keramische Schale aufgebaut durch Tauchen in Keramiksuspension (Schlicker) und nachfolgendes Besanden und Trocknen. Tauchen, Besanden und Trocknen werden mehrmals wiederholt, bis die erforderliche Schalendicke erreicht ist.
- 5. Das Wachsmodell wird aus der Schale ausgeschmolzen, typischerweise in einem Dampfautoklaven bei erhöhtem Druck.
- 6. Die Schale wird gebrannt, bei Temperaturen zwischen 700°C und 1100°C. Dadurch werden Reste von Wachs und anderen organischen Substanzen ausgebrannt, und das keramische Schalenmaterial bekommt die erforderliche Festigkeit. Durch Inspektion und Ausbesserung wird sichergestellt, dass die Schale frei von Beschädigungen ist.
- 7. In die Schale wird geschmolzenes Metall gegossen. Nachfolgend findet Erstarrung des Metalls und weiteres Abkühlen statt.
- 8. Die Schale wird von den Gussteilen entfernt, und zwar durch chemisches Laugen und mechanische Bearbeitung. Die Bauteile werden vom Angusssystem abgetrennt.
- 9. Der Kern wird durch chemisches Laugen in einem Druckautoklaven aus dem Hohlraum des Metall-Gussteils entfernt.
- 10. Alle Reste von überstehendem Metall werden vom Bauteil entfernt.
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Die meisten Hersteller von Gasturbinen arbeiten an verbesserten mehrwandigen und dünnwandigen Gasturbinenschaufeln aus Superlegierungen. Diese weisen komplizierte Luftkühlungskanäle auf, um die Effizienz der Schaufelinnenkühlung zu verbessern, um mehr Schub zu ermöglichen und eine zufriedenstellende Lebensdauer zu erzielen. Die
US-Patente 5.295.530 und
5.545.003 richten sich auf verbesserte mehrwandige und dünnwandige Gasturbinenschaufel-Designs, die zu diesem Zweck komplizierte Luftkühlkanäle aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert die Herstellung aller Arten von hochwertigen Gussteilen, denn es ermöglicht, unabhängig von deren Komplexität und erforderlicher Geometriegenauigkeit, das Bilden eines verlorenen Modells in einer verlorenen Form mit verlorenen Kernen ohne Formen zum Herstellen der Kerne verwenden zu müssen, welche direkt die Geometrie der Kerne abbilden, wie üblicherweise mittels Ceramic Injection Molding (CIM).
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Feinguss ist einer der ältesten bekannten Urformungsprozesse, der vor Tausenden von Jahren erstmals verwendet wurde, um detailliertes Kunsthandwerk aus Metallen wie Kupfer, Bronze und Gold zu produzieren. Industrieller Feinguss wurde gebräuchlich in den 1940er Jahren, als der Zweite Weltkrieg den Bedarf an maßgenauen Teilen aus spezialisierten Metalllegierungen steigerte. Heute findet Feinguss häufig in der Luftfahrt- und Energieindustrie Verwendung, um Gasturbinenkomponenten wie Schaufeln und Leitflächen mit komplexen Formen und internen Kühlkanalgeometrien zu erzeugen.
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Die Herstellung einer Gasturbinenlaufschaufel oder -leitschaufel aus Feinguss umfasst üblicherweise die Herstellung einer keramischen Gießform mit einer äußeren keramischen Schale mit einer Innenfläche, die der Flügelform entspricht, und einem oder mehreren keramischen, innerhalb der äußeren keramischen Schale positionierten Kernen, entsprechend den internen Kühlkanälen, die innerhalb der Tragfläche auszubilden sind. Geschmolzene Legierung wird in die keramische Gießform eingegossen, kühlt dann ab und härtet aus. Die äußere Keramikschale und der oder die keramischen Kerne werden dann auf mechanischem oder chemischem Wege entfernt, um das gegossene Schaufelblatt mit der externen Profilform und den Hohlformen der internen Kühlkanäle (in der Gestalt des oder der keramischen Kerne) freizulegen.
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Es gibt eine Vielzahl von Techniken zur Bildung von Formeinsätzen und Kernen mit durchaus komplizierten und detailreichen Geometrien und Abmessungen. Eine ebenso vielfältige Reihe von Techniken wird eingesetzt, um die Einsätze in den Formen zu positionieren und zu halten. Die am weitesten verbreitete Technik zum Halten von Kernen in Formanordnungen ist das Positionieren von kleinen Keramikstiften, die einstückig mit der Form oder dem Kern oder beiden ausgebildet sein können und die von der Oberfläche der Form zur Oberfläche des Kerns ragen und dazu dienen, den Kerneinsatz zu positionieren und zu stützen. Nach dem Gießen werden die Löcher in dem Gussteil gefüllt, beispielsweise durch Schweißen oder dergleichen, bevorzugt mit der Legierung, aus der das Gussteil ausgebildet ist.
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Der Keramikkern wird typischerweise durch Spritzgießen, CIM, oder Spritzpressen von keramischem Kernmaterial in die gewünschte Kerngestalt gebracht. Das keramische Kernmaterial umfasst eine oder mehrere keramische Pulver, ein Bindemittel und optional Zusätze, die in ein entsprechend geformtes Kernformwerkzeug gegossen werden.
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Ein keramischer Kern wird üblicherweise mittels Spritzguss hergestellt, indem zuerst die gewünschte Kernform in entsprechenden Gießformhälften des Kerns aus verschleißbeständigem gehärtetem Stahl durch Präzisionsbearbeitung ausgebildet wird, und die Formhälften dann zu einem Injektionsvolumen entsprechend der gewünschten Kernform zusammengebracht werden, woraufhin das Einspritzen keramischer Formmasse in das Injektionsvolumen unter Druck erfolgt.
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Die Formmasse enthält wie gesagt eine Mischung aus Keramikpulver und Bindemittel. Nachdem die keramische Formmasse zu einem „Grünling“ ausgehärtet ist, werden die Formhälften getrennt, um den Grünling freizugeben.
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Nachdem der Grünkörper-Formkern aus der Form entfernt wurde, wird er bei hoher Temperatur in einem oder mehreren Schritten gebrannt, um das flüchtige Bindemittel zu entfernen und den Kern zu sintern und zu härten, und zwar zur Verwendung beim Gießen von metallischem Material wie beispielsweise einer Nickel- oder Kobalt- basierten Superlegierung. Diese werden normalerweise verwendet, um Einkristall-Gasturbinenschaufeln zu gießen.
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Beim Gießen der hohlen Gasturbinenschaufeln mit inneren Kühlkanälen wird der gebrannte Keramikkern in eine keramische Feingießschalenform positioniert, um die internen Kühlkanäle im Gussteil auszubilden. Der gebrannte keramische Kern im Feinguss von hohlen Schaufeln hat typischerweise eine strömungsoptimierte Kontur mit einer Anströmkante und einer Abströmkante von dünnem Querschnitt. Zwischen diesen vorderen und hinteren Randbereichen kann der Kern längliche, aber auch anders geformte Öffnungen aufweisen, um so Innenwände, Stufen, Umlenkungen, Rippen und ähnliche Profile zu bilden zum Abgrenzen und Herstellen der Kühlkanäle in der gegossenen Turbinenschaufel.
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Der gebrannte keramische Kern wird dann bei der Herstellung der äußeren Formschale im bekannten Wachsausschmelzverfahren eingesetzt, wobei der Keramikkern in einem Modellformwerkzeug angeordnet und ein verlorenes Modell um den Kern gebildet wird, und zwar durch Einspritzen unter Druck von Modellwerkstoff wie Wachs, Thermoplast oder dergleichen in die Form in den Raum zwischen dem Kern und den Innenwänden der Form.
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Die vollständige Gießform aus Keramik wird durch Positionieren des Keramikkerns innerhalb der beiden zusammengefügten Hälften einer anderen Form aus feinbearbeitetem gehärteten Stahl (bezeichnet als Wachsmodellform oder Wachsmodellwerkzeug) gebildet, die ein Einspritzvolumen definiert, das der gewünschten Form der Schaufel entspricht, um dann geschmolzenes Wachs in die Wachsmodellform um den keramischen Kern einzuspritzen. Wenn das Wachs ausgehärtet ist, werden die Hälften der Wachsmodellform getrennt und entfernt, und sie gegeben den keramischen Kern frei umhüllt von einem Wachsmodell, das jetzt der Schaufelform entspricht.
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Das temporäre Modell mit dem keramischen Kern darin wird wiederholt Schritten zum Aufbau der Schalenform darauf unterworfen.
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Zum Beispiel wird die Modell/Kern-Baugruppe wiederholt in Keramikschlicker eingetaucht, überschüssiger Schlicker wird abfließen gelassen, mit Keramikstuck besandet und dann luftgetrocknet, um mehrere keramische Schichten aufzubauen, die auf der Anordnung die Formschale bilden. Die resultierende umhüllte Modell/Kern-Anordnung wird dann dem Schritt, das Modell zum Beispiel per Dampfautoklav zu entfernen, unterzogen, um gezielt das temporäre oder verlorene Modell zu beseitigen, so dass die Formschale mit dem darin angeordneten Keramikkern übrig bleibt. Die Formschale wird dann bei hoher Temperatur gebrannt, um eine angemessene Festigkeit der Formschale für den Metallguss herzustellen.
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Geschmolzenes metallisches Material wie eine Nickel- oder Kobalt-Basis-Superlegierung wird in die vorgewärmte Schalenform gegossen und erstarrt, um ein Gussteil mit polykristallinem oder einkristallinem Korn zu erzeugen. Das resultierende gegossene Schaufelblatt enthält noch den keramischen Kern, um so nach Entfernen des Kerns die internen Kühlkanäle auszubilden. Der Kern kann durch Auswaschen oder andere herkömmliche Techniken entfernt werden. Das hohl gegossene metallische Strömungsprofil-Gussteil ist entstanden.
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Dieses bekannte Feingussverfahren ist teuer und zeitaufwendig. Mit der Entwicklung eines neuen Schaufeldesigns sind typischerweise viele Monate und Hunderttausende von Dollar Investition verbunden. Darüber hinaus sind Design-Entscheidungen limitiert durch verfahrensbedingte Einschränkungen bei der Herstellung von keramischen Kernen etwa wegen deren Fragilität sowie durch die zeitaufwändige Herstellung bei detailreichen oder großen Kernen. Die Metall-verarbeitende Industrie hat diese Grenzen zwar erkannt und hat zumindest einige graduelle Verbesserungen entwickelt wie zum Beispiel das verbesserte Verfahren zum Gießen von Kühlkanälen an einer Schaufelabströmkante in
US-Patent Nr. 7.438.527 . Da der Markt aber nach immer höherer Effizienz und Leistung von Gasturbinen verlangt, werden die Grenzen der bestehenden Feingussprozesse immer problematischer.
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Feingusstechniken sind anfällig für eine Reihe von Ungenauigkeiten. Während Ungenauigkeiten an der Außenkontur sich oft mit herkömmlichen Fertigungstechniken korrigieren lassen, sind diejenigen an internen strukturellen Formen von Kernen schwierig und oft sogar unmöglich zu beseitigen.
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Interne Ungenauigkeiten ergeben sich aus bekannten Faktoren. Dies sind in der Regel Ungenauigkeiten beim Herstellen der Kernstruktur, Ungenauigkeiten beim Umspritzen des Kerns im Wachswerkzeug während der Fertigung, Montage der Form, unerwartete Veränderungen oder Defekte durch Ermüdung der keramischen Formen und Versagen der Schale, des Kerns oder der Befestigungselemente während der Herstellung, Montage und Handhabung vor oder während des Gießvorgangs.
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Die genaue Gestaltung, Dimensionierung und Positionierung des Kerneinsatzes wurde zum schwierigsten Problem bei der Herstellung von Formen. Diese Aspekte des Feinguss liegen der Erfindung zu Grunde, obwohl das Verfahren der vorliegenden Erfindung sich auch in anderer Technologie anwenden lässt.
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Typischerweise sind die Herstellung von Gussform und Kern in der Möglichkeit, feine Details mit hinreichender Auflösung zuverlässig auszubilden, beschränkt. In Bezug auf die Genauigkeit der Positionierung, zuverlässiger Abmessungen und auf die Erzeugung von komplexen und detailreichen Formen sind die bekannten Systeme sehr begrenzt.
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Die Kerneinsätze sind in der Regel Formteile, hergestellt unter Verwendung von üblichem Spritzen oder Formen von Keramik, gefolgt von geeigneten Brenntechniken. Es liegt in der Natur dieser Keramikkerne, dass die Genauigkeit wesentlich geringer ist als etwa die in Metallgießverfahren erreichbare. Es gibt weit größeres Schwinden in den üblichen Keramikgießmassezusammensetzungen oder Fehler wie eine große Neigung zu Rissbildung, Blasen und anderen Defekten. Es besteht daher eine hohe Fehler- und Ausschussrate, die sich aus unkorrigierbaren Mängeln ergibt verursacht durch fehlerhafte Kerne und Kernpositionierung. Oder zumindest ein hoher Aufwand beim Nacharbeiten wird erforderlich, um die Gussteile, die außerhalb der Toleranzen liegen, zu korrigieren, wenn sie einer Korrektur durch Nachbearbeitung, Schleifen und dergleichen, überhaupt zugänglich sind. Die Produktivität und Effizienz des Feingussverfahrens werden im Wesentlichen durch diese Einschränkungen begrenzt.
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Ein weiterer limitierender Aspekt von Feinguss war immer auch die beträchtliche Vorlaufzeit für die Entwicklung der Formwerkzeuge üblicherweise aus Metall für die Kerne und das temporäre Modell sowie der damit verbundene hohe Aufwand. Die Entwicklung der einzelnen Phasen des Formwerkzeugs, einschließlich insbesondere der Geometrie und der Abmessungen der Wachsformen, die Geometrie und Dimension des Grünkörpers und der Endgeometrie der gebrannten Formen, insbesondere der Kerne, und die resultierende Konfiguration und Dimensionierung des Gussteils hergestellt in diesen Formwerkzeugen sind abhängig von einer Vielzahl von Variablen, einschließlich Verzug, Schwindung und Rissbildung während der verschiedenen Herstellungsschritte und insbesondere während des Brennens der keramischen Grünkörper. Wie dem Fachmann auf denn Gebiet gut bekannt ist, sind diese Parameter nicht genau vorhersehbar, und die Entwicklung der Feingussformen ist ein hoch iterativer und empirischer Prozess von Versuch und Irrtum, der für komplexe Gussteile sich typischerweise über einen Zeitraum von zwanzig bis 50 Wochen erstreckt, bevor der Prozess in Betrieb genommen werden kann.
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Daraus ergibt sich, dass komplexer Feinguss von Hohlkörpern, insbesondere für die Herstellung von Einzelteilen, beschränkt ist, und Gießen in beträchtlicher Stückzahl in der Regel nicht möglich ist aufgrund begrenzter Zykluszahlen des Verfahrens und seiner Elemente, insbesondere der Formwerkzeuge. Änderungen im Design der Gussteile erfordern Werkzeugnachbearbeitung entsprechenden Ausmaßes, und sind daher sehr teuer und zeitaufwendig.
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Der Stand der Technik hat diesen Problemen Aufmerksamkeit geschenkt und hat Fortschritte bei der Verwendung verbesserter keramischer Zusammensetzungen gemacht, die das Auftreten solcher Probleme zu einem gewissen Grad reduzieren.
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Obwohl diese Techniken zu Verbesserungen geführt haben, gehen sie zu Lasten der Kosten des Gießvorgangs, und erreichen dennoch nicht alle erwünschten Verbesserungen.
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Bei jenen Techniken, die ein Einwirken auf die Grünkörper und insbesondere ein maschinelles Bearbeiten der Grünkörper umfassen, hat die Erfahrung gezeigt, dass die Veränderungen in der Dimension beim Brennen der keramischen Körper dann immer noch eine Reihe von Ungenauigkeiten verursacht, die die Verwirklichung der angestrebten Geometrie und Dimensionen der gebrannten Körper begrenzen. Wegen der Fragilität der Grünlinge sind die Techniken, die eingesetzt werden können, begrenzt, und in der Regel wird erhebliche Handarbeit erforderlich. Selbst mit den besten Vorsichtsmaßnahmen und größter Sorgfalt wird ein erheblicher Anteil der Kerne durch die Arbeitsvorgänge schließlich zerstört.
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Aber, besonders nachteilig, erreichen die Bemühungen des Standes der Technik selbst auf dem neuesten Stand wenig, um die Zykluszeit der Formwerkzeug-Entwicklung zu verbessern, oder um die Anzahl der notwendigen Iterationen zu reduzieren, die für das Herstellen der endgültigen Formwerkzeuge in der erforderlichen Genauigkeit der Form und Abmessungen benötigt wird. Der Stand der Technik liefert keine effektiven Techniken zum Überarbeiten der Form von Schale und Kernen, die außerhalb der Spezifikationen liegen, oder um die Formen für Design-Änderungen zu verändern, ohne den Formwerkzeug-Entwicklungsprozess erneut aufzunehmen.
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Wie schon angedeutet, werden Gießkerne herkömmlich nach dem CIM-Verfahren (Ceramic Injection Molding, Keramikspritzguss) gefertigt. Ein keramischer „Feedstock“, der mittels Beimischung von Wachs und weiteren Zusätzen plastifiziert ist, wird unter Druck in ein Spritzgusswerkzeug eingespritzt. Die vollständige Geometrie des Kerns wird durch das Spritzgusswerkzeug abgebildet. Nach dem Entformen wird der Kern entbindert und mit einer bestimmten Temperaturkurve (Brenntemperaturen typischerweise zwischen 1000°C und 1300°C) gebrannt.
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Eine Nachbearbeitung (Finishing) der Kerne zum Beispiel zum Entfernen von Graten oder für anderweitige Korrekturen nach Bedarf erfolgt bekanntlich auf verschiedene Weise:
- - Die Nachbearbeitung erfolgt typischerweise manuell mit Diamantschleifwerkzeugen.
- - Die CNC-gestützte Nachbearbeitung mit Diamantschleifwerkzeugen ist ebenso bekannt. Die Kerne werden hierbei durch mechanisches Klammern in eine Vorrichtung fixiert.
- - Auch eine, partielle, Realisierung von bestimmten geometrischen Details von Gießkernen durch CNC-Fräsen ist bekannt. Gießkerne werden hierbei nach dem CIM-Verfahren gefertigt, wobei bestimmte geometrische Details in Form von Bearbeitungsaufmaß eingeschlossen sind, um die nachträgliche Realisierung durch CNC-Fräsen zu ermöglichen.
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Dies hat folgende Nachteile: Bei der traditionellen Kernfertigung durch CIM erfolgt die Formgebung von Kernen in der Endkontur als Grünkörper. Ein nachfolgender Entbinderungs- und Brennvorgang ist notwendig, um die gewünschten Eigenschaften des Kernmaterials zu erzielen. Die Kerne erfahren hierbei Deformationen durch Schwindungseffekte, die durch Freisetzung von inneren Spannungen und möglicherweise Belastung unter dem Eigengewicht verursacht werden. Ein typischer Effekt, der hierbei zu dimensionellen Abweichungen und Ausschuss von Gießkernen führt, ist eine Torsion (englisch „warping“) der Geometrie.
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Außerdem erfordert die Kernfertigung durch CIM (Ceramic Injection Molding) den Einsatz von hochkomplexen Spritzgusswerkzeugen. Die hohe Komplexität dieser Werkzeuge entspricht den komplizierten Kühlkreisläufen (zum Beispiel mit Serpentinen, Turbulatoren, Austrittskanälen, ...) im Inneren von Hochdruck-Turbinenschaufeln. Die Fertigung dieser Werkzeuge ist verbunden mit hohen Kosten (nicht selten mehrere hunderttausend Euro) und langen Vorlaufzeiten (von üblicherweise mehreren Monaten), bis ein Werkzeug für eine neue Bauteilgeometrie verfügbar ist. Gießereiprodukte (rotierende und statische Hochdruck-Turbinenschaufeln) für den Bau zum Beispiel von Gasturbinen sind dadurch erst nach einer Zeit von typischerweise ein bis zwei Jahren verfügbar. Iterative Anpassungen der Bauteilgeometrie führen im Konstruktionsprozess oft zu einer erforderlichen Änderung am Werkzeug, die eine entsprechend lange Zeit benötigt. Eine Verkürzung der iterativen Geometrie-Anpassungen kann insbesondere dazu beitragen, die Entwicklungszyklen von Gasturbinen zu verkürzen, damit Hersteller von Gasturbinen schneller auf die wechselnden Anforderungen des Marktes reagieren können.
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In der
WO2015/051916A1 , wird ein Verfahren zum Feinguss hohler Bauteile beschrieben. In diesem Verfahren wird ein Gießkern aus einem Rohling aus keramischem Material subtraktiv durch CNC-Bearbeitung hergestellt. Das keramische Rohling-Material ist schon in gebranntem Zustand und muss nach der Erzeugung der Endkontur durch CNC-Bearbeitung nicht mehr gebrannt werden. Nachfolgend wird dieser Kern in Modellwachs eingebettet und die Wachsmodell-Außenkontur wiederum durch CNC-Bearbeitung hergestellt. Die deckungsgleiche Positionierung der Koordinatensysteme von Kern und Wachsmodell innerhalb von Toleranzen von +/- 0,05 mm oder besser wird durch den besonderen mechanischen Aufbau der CNC-Bearbeitungs¬vorrichtung gewährleistet.
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Die Vorteile dieser Technologie bestanden unter anderem darin, dass zur Fertigung von Feinguss-geeigneten Wachsmodellen mit keramischen Kernen keine hochkomplexen und hochpräzisen Spritzgusswerkzeuge mehr erforderlich waren, welche die Bauteil-Geometrie direkt abbilden und dadurch schon die damit verbundenen Kosten und Vorlaufzeiten entfallen konnten. Der CIM-gefertigte Kernrohling durfte größer konturiert sein, weil komplexere Geometrien im späteren CNC-Schritt präzise hergestellt werden konnten. Weiterhin wurden durch die direkte CNC-Bearbeitung des Kerns in die Endkontur bereits dimensionelle Verzerrungen und Ausschuss vermieden, wie sie bei der zuvor (und auch heute noch) üblichen Fertigung des Kerns mittels CIM auftreten. Der Rohling gemäß dieser verbesserten Technologie des Standes der Technik wurde allerdings, wie gesagt, auch wie üblich mittels CIM hergestellt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Feingussformen mit Formkernen, sowie die Formkerne, mit verbesserter Reproduzierbarkeit, Maßhaltigkeit, Genauigkeit und Geschwindigkeit der Herstellung zu liefern.
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Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Kern mit den Merkmalen des Anspruch 2 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Fertigung von Gießkernen insbesondere mit komplexen Geometrien zur Anwendung im Feinguss von hohlen Metallteilen. Gießkerne werden eingesetzt, um die Geometrie der Hohlräume im Bauteil-Inneren abzubilden wie etwa Kühlkreisläufe mit komplexen Geometrien.
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Die werkzeuglose Fertigung der Gießkerne gemäß der Erfindung erfordert keine Spritzguss-Werkzeuge. Die Formgebung erfolgt durch CNC-Fräsen aus insbesondere nicht Endform-nahen Rohlingen aus geeignetem keramischem Material. Die Rohlinge werden zum Beispiel durch Schlickergießen von wässrigen Keramiksuspensionen und anschließendem Brennen der keramischen Formkörper gefertigt. Das in der traditionellen Gießereitechnik übliche CIM-Verfahren (Ceramic Injection Molding, Keramikspritzguss) zur Fertigung von Kernen wird nicht eingesetzt.
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Das vorgestellte Verfahren bietet gegenüber dem traditionellen Verfahren wesentliche Vorteile in Bezug auf die Vorlaufzeit, mit der zum Beispiel erste Gießkerne mit geänderten Geometrien gefertigt werden können, sowie in Bezug auf die maßlichen Toleranzen der gefertigten Gießkerne.
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Erfindungsgemäß also ist ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kerns zum Vorbereiten der - sowie der keramische Kern für die - Herstellung eines Gussteils mit Hohlraumstrukturen, die zu formen der keramische Kern eingerichtet ist, unter Verwendung eines 3D-Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- a) Druckloses oder druckarmes Gießen eines keramischen Kernrohlings, und zwar mit Übermaß bezogen auf den Kern gemäß den Geometriekoordinaten;
- b) Positionieren des Kernrohlings in einer Bearbeitungshalterung.
- c) CNC-Bearbeitung des Kerns gemäß dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Bearbeitungsverfahren.
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Vorzugsweise sind das Verfahren und der Kern, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) mittels Schlickergießen, Druckschlickergießen, kaltisostatischem Pressen, heißisostatischem Pressen, uniaxialem Pressen, Heißgießen, Niederdruck-Spritzgießen, Gelcasting, oder Extrudieren erfolgt, und/oder dass in Schritt a) das erste CNC-Herstellungsverfahren CNC-Fräsen ist oder ein generatives Fertigungsverfahren wie zum Beispiel 3D-Drucken, selektives Laserschmelzen oder -sintern.
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Vorzugsweise umfasst das weitere Verfahren die folgenden Schritte:
- d) Beibehalten der Positionierung oder erneutes Positionieren des Kerns in einer Bearbeitungshalterung;
- e) Gießen von Modellwerkstoff um den Kern herum in ein Volumen größer als die Gussteilkubatur, welche gemäß dem 3D-Modell räumlich festgelegt ist durch die Position des Kerns in der Bearbeitungshalterung), und erstarren Lassen des Modellwerkstoffs;
- f) CNC-Herstellung einer Außenkontur eines verlorenen Modells des Gussteils aus dem erstarrten Modellwerkstoff um den Kern herum gemäß dem 3D-Modell in einem zweiten CNC-Herstellungsverfahren;
- g) Auftragen einer keramischen Form auf die Außenkontur des verlorenen Modells und Ausbilden einer positionierenden Verbindung der keramischen Form mit der Bearbeitungshalterung;
- h) Entfernen des verlorenen Modells aus der keramischen Form um den Kern in der Bearbeitungshalterung;
- i) Gießen von Metall in die keramische Form um den Kern in der Bearbeitungshalterung;
- j) Erstarren des geschmolzenen Metalls zu dem festen Gussteil und
- k) Entfernen der keramischen Form und des Kerns von dem Gussteil.
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Die Realisierung der Gießkern-Geometrie und/oder -Endkontur kann erfindungsgemäß also vollständig und ausschließlich durch CNC-Bearbeitung erfolgen. Die Fertigung des Rohlings erfolgt vorzugsweise durch Schlickergießen von wässrigen Keramiksuspensionen mit anschließendem Trocknen und Brennen:
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Ein keramischer Kernwerkstoff, der für die Verwendung im SX-(Single Crystal, Einkristall), DS- (Directional Solidification, Gerichtete Erstarrung) oder Equiaxed Vakuumfeinguss geeignet ist, wird aus bekannten Rohstoffen hergestellt. Die Eigenschaften mechanische Festigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, thermomechanisches Verhalten von Raumtemperatur bis über 1550°C, zum Beispiel Dilatometrie und Kriechfestigkeit, Porosität, Löslichkeit in konzentrierter Lauge lassen sich so in geeigneter Weise einstellen, die Anteile und Partikelgrößen-Verteilungen der einzelnen mineralischen Komponenten in geeigneter Weise anpassen. Insbesondere kann durch die mineralogische Zusammensetzung in Verbindung mit der Brennkurve die Bildung von Cristobalit in Folge von Kristallisation der Hauptkomponente Fused Silica auf ein niedriges Niveau begrenzt werden.
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Die Geometrie der Rohlinge braucht nicht Endkontur-nah zu sein. Vorzugsweise hat der Rohling ein Bearbeitungsaufmaß insbesondere auf allen Geometrie-relevanten Stellen der Endkontur von 1 mm oder größer.
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Vorteilhaft lässt sich die Geometrie der Rohlinge optimieren für bestmöglich gleichmäßige und wiederholbare Keramikeigenschaften.
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Der Feedstock zur Formgebung der Rohlinge kann eine Wasserbasierte Keramiksuspension („Schlicker“) sein (möglich sind aber auch andere Lösungsmittel). Diese wird aus den einzelnen Rohstoffkomponenten des keramischen Kernwerkstoffs gemischt, nämlich mehreren üblicherweise pulverförmigen keramischen Rohstoffen, insbesondere Fused Silica als Hauptkomponente, sowie weiteren Oxiden und organischen Zusatzstoffen.
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Die Formgebung der Rohlinge erfolgt nicht wie in der traditionellen Gießkern-Fertigung durch CIM, sondern durch druckloses oder druckarmes Gießen in Gipsformen. Eine weitere Möglichkeit, nämlich druckarmer Gußtechnik, ist erfindungsgemäß also Druckschlickergießen zum Beispiel in Formen aus einem porösen Kunststoff mit einer Druckschlickergussmaschine. Weitere mögliche Verfahren sind zum Beispiel CIP (Kaltisostatisches Pressen), Heißgießen, Niederdruck-Spritzguss, Gelcasting oder Trockenpressen.
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Anschließend vorzugsweise also werden die keramischen Formkörper mit einer definierten Temperaturkurve getrocknet und gebrannt. Brenntemperaturen betragen typischerweise zwischen 1000°C und 1300°C. Die keramischen Formkörper erhalten dadurch ihre Eigenschaften von Dichte, Porosität und mechanischer Festigkeit in der erforderlichen Weise. Wasser sowie alle organischen Zusatzstoffe werden dabei entfernt. Die auf diese Weise erhaltenen Formkörper weisen gegenüber dem Stand der Technik ein deutlich besseres, homogenes Gefüge auf und sind arm oder sogar frei von inneren Spannungen. Diese Lunker- und Hohlraumfreiheit sowie der günstige Eigenspannungszustand sind ideale Voraussetzungen für die erfolgreiche CNC-Bearbeitung.
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Die Eigenschaften von Dichte, Porosität und mechanischer Festigkeit der gebrannten Rohlinge können durch entsprechende Zusatzstoffe in geeigneter Konzentration in der Keramiksuspension (Feedstock, Schlicker) gezielt modifiziert werden. Dies erlaubt es, das Vormaterial anzupassen, um die Verarbeitung durch CNC-Bearbeitung und im nachfolgenden Feinguss-Prozess zu ermöglichen und zu optimieren.
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Auch lokal lassen sich die Eigenschaften von Dichte, Porosität und mechanischer Festigkeit der gebrannten Rohlinge gezielt einstellen. Dies erlaubt es, das Vormaterial auch lokal anzupassen, um die Verarbeitung durch CNC-Bearbeitung und im nachfolgenden Feinguss-Prozess bereichsweise überhaupt zu ermöglichen und zu optimieren. Zur lokalen Anpassung der Eigenschaften der gebrannten Rohlinge kann unter anderem eine Behandlung mit organischen oder anorganischen Substanzen erfolgen, welche in die Porenzwischenräume des keramischen Materials eindringen oder eine Oberflächenschicht bilden. Diese Substanzen modifizieren die mechanischen, thermomechanischen und chemischen Eigenschaften der Keramik in geeigneter Weise. Zur lokalen Anpassung der Eigenschaften der Keramikrohlinge können aber auch zum Beispiel Keramikfasern, Glasfasern, Kunstfasern, Naturfasern, Keramikfasergewebe, Glasfasergewebe, Kunstfasergewebe, Keramikstäbe, Glasstäbe oder Quarzstäbe in den Formkörper eingebettet werden. Mittels Beimischung zum Beispiel von Fasern ist übrigens auch eine Anpassung der Eigenschaften der Keramik nicht nur lokal, sondern insgesamt, „global“ über den gesamten Formkörper verteilt, möglich, etwa indem man in die gesamte Keramiksuspension zum Beispiel Glasfasern gleichmäßig einmischt, bevor diese zum Schlickergießen verwendet wird.
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Auch können zur lokalen Anpassung der Eigenschaften der Keramikrohlinge Eigenschafts-Gradienten eingestellt werden, die den keramischen Formkörper in einer definierten Orientierung durchlaufen, die für die CNC-Bearbeitung günstig ist.
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Betreffend die CNC-Bearbeitung in Schritt b) ergeben sich folgende Möglichkeiten und Vorteile:
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Die Fixierung des Rohlings zur CNC-Bearbeitung erfolgt vorzugsweise durch eine Vorrichtung. Die Vorrichtung kann den Rohling an mehreren Stellen oder von mehreren Seiten oder von einer Seite fixieren und gewährt dadurch ausreichende mechanische Stabilität auch an filigranen Bereichen der Kerngeometrie.
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Alternativ erfolgt die Fixierung des Rohlings zur CNC-Bearbeitung nicht mechanisch durch eine lösbare Verbindung kraft-, form- und/oder reibschlüssig, sondern stoffschlüssig durch Anbinden mittels einer geeigneten Verbindungsmasse mit der Vorrichtung.
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Vor oder nach teilweiser Durchführung der Bearbeitungsschritte zum vollständigen Kern kann die Fixierung des Rohlings zur CNC-Bearbeitung temporär durch eine wieder entfernbare Einbettmasse ergänzt werden, die sich der Kontur anpasst, oder durch temporäre Stützen. Zum Anbinden des Rohlings an die CNC-Vorrichtung kann eine hierzu spezialisierte Masse verwendet werden, die sich gleichzeitig fest sowohl mit dem keramischen Kern-Material als auch mit dem Metall (typischerweise z.B. Stahl oder Aluminium) der Vorrichtung verbindet. Zudem sollte die Masse nicht von den bei der CNC-Bearbeitung möglicherweise eingesetzten Betriebsmedien (z.B. Druckluft, Öle, Wasser, Korrosionsschutzmittel) angegriffen werden. Es eignet sich zum Beispiel „Nigrin 72111 Performance Füll-Spachtel“.
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Die Bearbeitung erfolgt durch CNC-Fräsen, also insbesondere mittels eines Fräswerkzeugs mit definierter Schneidengeometrie und/oder durch CNC-Schleifen, also insbesondere mittels eines Schleifwerkzeugs mit abrasivem Belag.
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Die CNC-Werkzeuge sind vorzugsweise, entsprechend der Bearbeitung des abrasiven Kernwerkstoffs mit möglichst minimiertem Werkzeugverschleiß, solche mit Schneiden aus Polykristallinem Diamant (PKD) oder Kubischem Bornitrid (CBN). Denn mögliche Abweichungen von den Dimensionstoleranzen der Endkontur als Folge von verschleißbedingten Veränderungen der Schneidengeometrie können dadurch vermieden oder gering gehalten werden.
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Die Gießereitechnische Verwendung einer erfindungsgemäß hergestellten Form umfasst zum Beispiel Einkristall-, DS- und Equiaxed-Vakuum¬feinguss nur zum Beispiel von Turbinenbauteilen aus Nickelbasis-Legierungen.
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Eine wesentliche vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Formgebung erst am fertig gebrannten Kernmaterial. So kann eine sehr hohe Maßhaltigkeit der fertigen Kerne innerhalb von Toleranzen im Bereich < +/- 0,1 mm der Endkontur erzielt werden. Die oben beschriebenen Nachteile bei der traditionellen Kernfertigung mittels CIM in Bezug auf die Maßhaltigkeit und die Ausbeute werden dadurch beseitigt. Die vollständig CNC-basierte Realisierung der Kern-Endkontur ermöglicht es zudem, auf der Grundlage einer neu erhaltenen Geometrie mit sehr kurzer Vorlaufzeit erste Kerne zu fertigen, die ohne Einschränkungen zur Produktion von kommerziell verwertbaren Bauteilen durch Feinguss geeignet sind. Geringfügige Änderungen einer bestehenden Bauteilgeometrie können nun durch bloße Änderung an CAM- und CNC- Programmen und ohne Änderung von Vorrichtungen oder Rohling-Geometrie umgesetzt werden. Die Reaktionszeiten für solche geringfügigen Änderungen sind daher sehr kurz. Das Kernprodukt verfügt, zudem besonders vorteilhaft, über eine deutlich verbesserte Materialhomogenität und/oder zusätzlich lokal eingestellte spezielle Materialeigenschaften. Die mögliche Art der Fixierung des Keramikrohlings in der CNC-Vorrichtung ermöglicht ferner eine deutlich verbesserte Qualität und Ausbeute der erfindungsgemäß gefertigten Kerne.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Abbildungen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung weiter beschrieben. Darin zeigen 1 bis 7 schematische Ansichten aufeinander folgender Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Gussteils, das Hohlraumstrukturen aufweist.
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Unter Verwendung eines 3D-Modells mit digitalen Geometriekoordinaten (nicht dargestellt) eines Gussbauteils 2 (7) wird gemäß 1 in einem anfänglichen Verfahrensschritt ein Kern 4 gemäß dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Herstellungsverfahren hergestellt, nämlich durch CNC-Fräsen (nicht dargestellt) aus einem keramischen Kernrohling 5, der zuvor mit Übermaß bezogen auf den Kern 4 gemäß den Geometriekoordinaten durch druckloses Gießen, nämlich mittels Schlickergießen gegossen worden war. Der in 1 gezeigte Kernrohling 5 ist in seiner Gestalt mit einem Übermaß nah an der Endkontur 4 dimensioniert. Erfindungsgemäß ist auch und sogar insbesondere ein Kernrohling (nicht dargestellt mit größerem und/oder ungleichmäßigem Übermaß und/oder mindestens bereichsweise in Gestalt eines geometrischen Grundkörpers (oder auch mehrerer, auch verschiedener) wie zum Beispiel eines Quaders, Zylinders, Keils, Kegels und/oder Abschnitten davon).
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Gemäß 2 wird in einem nächsten Verfahrensschritt der Kern 4 in einer Bearbeitungshalterung 6 positioniert. Um den Kern herum wird ein Volumen 8 angeordnet und ebenfalls in der Bearbeitungshalterung 6 positioniert und befestigt.
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Gemäß 3 wird in einem nächsten Verfahrensschritt Modellwachs 10 um den Kern 4 herum in das Volumen 8 gegossen. Das Volumen 8 ist größer als die Gussteilkubatur 12, und so wird das Modellwachs 10 allseits bis über die Gussteilkubatur 12 hinaus um den Kern 4 herum in das Volumen 8 gegossen. Die räumliche Position der Gussteilkubatur 12 ist gemäß dem 3D-Modell (nicht dargestellt) des Gussbauteils 2 (7) festgelegt durch die Position des Kerns 4 in der Bearbeitungshalterung 6.
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Gemäß 4 wird in einem nächsten Verfahrensschritt der Modellwerkstoff 10 nun um den Kern 4 herum erstarren gelassen und das Volumen 8 entfernt.
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Gemäß 5 wird in einem nächsten Verfahrensschritt die Außenkontur eines temporären (verlorenen) Modells 14 des Gussteils 2 (7) um den Kern 4 herum hergestellt, und zwar aus dem erstarrten Modellwerkstoff 10 gemäß dem 3D-Modell (nicht dargestellt) in einem zweiten CNC-Herstellungsverfahren, nämlich wiederum durch CNC-Fräsen (nicht dargestellt).
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Nach diesem Schritt wird das Wachsmodell 14, mit dem Kern 4 darin, aus der Bearbeitungshalterung 6 entnommen, zum Beispiel durch Lösen einer Klebeverbindung oder Durchtrennen keramischen Kernmaterials am Übergang zur Halterung. Die Bearbeitungshalterung 6 ist in den weiteren Schritten nicht mehr gegenwärtig. Stattdessen wird das Wachsmodell 14 mit Kern 4 auf eine sogenannte „Wachs-Traube“ (nicht dargestellt) montiert, die das Angusssystem abbildet und das Modell 14, 4 mechanisch fixiert. Die Anbindung des Kerns an die keramische Schale wird mittels sogenannter „Kernschlösser“ oder „Kernmarken“ hergestellt. Das sind Bereiche, in denen der Kern 4 aus dem Wachsmodell heraustritt und sich beim Beschichten mit Keramik 16 fest mit der Keramikschale 16 verbindet. Die Positionierung zwischen Wachsmodell 14 und Kern 4 braucht also nicht mehr durch die Bearbeitungshalterung 6 vermittelt zu werden, sondern die direkte Verbindung einer oder mehrerer Kernmarken.
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Gemäß 6 wird in einem nächsten Verfahrensschritt also eine keramische Form 16 auf die Außenkontur des verlorenen Modells 14 aufgetragen und dabei eine positionierende Verbindung 18 der keramischen Form 16 über eine Kernmarke 18 mit dem Kern 6 ausgebildet, so dass die keramische Form 16 bezüglich des Kerns 4 maßgenau gemäß dem 3D-Modell (nicht dargestellt) des Gussbauteils 2 (7) durch die Kernmarke 18 positioniert ist. In einem nächsten Verfahrensschritt wird das verlorene Modell 14 aus der keramischen Form 16 um den Kern 4 herum (die beide weiter von der positionierenden Verbindung 18 gehalten und zueinander positioniert werden) entfernt. Eine Hohlform 20 entsteht zwischen der Oberfläche des keramischen Kerns 4 und der Innenfläche 14 der keramischen Form 16. In einem nächsten Verfahrensschritt wird dort hinein geschmolzenes Metall (nicht dargestellt) gegossen. In einem nächsten Verfahrensschritt wird dieses abkühlen gelassen.
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Das geschmolzene Metall (nicht dargestellt) erstarrt zu dem festen Gussteil 2, das gemäß 7 in einem nächsten Verfahrensschritt sichtbar wird (durch Entfernen der keramischen Form 16 und des keramischen Kerns 4 von dem Gussteil 2) und so als Bauteil mit einer (dem Kern 4 genau entsprechenden) Hohlraumstruktur 22 mit großer Maßgenauigkeit zur Verfügung steht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5295530 [0004]
- US 5545003 [0004]
- US 7438527 [0019]
- WO 2015/051916 A1 [0035]
