DE202016007939U1

DE202016007939U1 - Wasserlöslicher Formkern

Info

Publication number: DE202016007939U1
Application number: DE202016007939.6U
Authority: DE
Original assignee: Innovative Fertigungstechnologie (ift) GmbH
Current assignee: Innovative Fertigungstechnologie (ift) GmbH
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2017-01-20
Anticipated expiration: 2026-12-23

Abstract

Wasserlöslicher Formkern zur Herstellung von Förderschnecken aus einem kaltaushärtenden Mineralguss, der aus einer Mischung einer Formmasse, die ein festes Granulat, wie Quarzsand und/oder Glaspartikel und/oder Metallpulver und/oder Mikroballons bestimmter Korngrößenverteilung und ein wasserlösliches Bindemittel, wie Polyvinylalkohol oder Poly-2-Ethyl-2-Oxazoline, und einer oder mehreren auf den mit dieser Formmassemischung hergestellten Formkern aufgebrachten Mantelschichten aus einem flüssigen nicht wasserlöslichen Kunststoff, wie ein Elastomer, ein Silikon, ein Epoxid oder einer porenverschließenden wasserfreien Schlichte aus Quarzsand und/oder Graphit oder einer wässrig-isopropanolischen Polyvinylalkohollösung oder einer Vakuumfolie, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse ein mit 3D Druckern verarbeitbares Filament aus Polyvinylalkohol ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen wasserlöslichen Formkern zur Herstellung von Förderschnecken aus einem kaltaushärtenden Mineralguss.
Aus dem Stand der Technik ist durch DE 10 2013 106 876 A1 ein Formkern zur Herstellung von faserverstärkten Strukturhohlbauteilen mit einem Stützkern, der durch ein festes Granulat und ein wasserlösliches Bindemittel zum Binden des Granulats gebildet ist bekannt. Kennzeichnend für den Stützkern ist, dass das wasserlösliche Bindemittel durch ein wasserlösliches Thermoplast, vorzugsweise Polyvinylalkohol gebildet ist und der Stützkern von einer Mantelschicht wenigstens teilweise umgeben ist, wodurch dieser vor Beschädigungen geschützt sein soll. Durch das Bindemittel Polyvinylalkohol kann die Trocknungszeit des Stützkerns wegen der niedrigen Verdunstungstemperatur von Alkohol deutlich reduziert werden. Das feste Granulat ist Sand mit einer mittleren Korngröße, wodurch der Stützkern auch mit einer Kernschießmaschine in eine Form eingeschossen werden kann. Zur Herstellung des Formkerns wird zunächst eine fließfähige Suspension aus den Granulatkörpern und dem Bindemittel gebildet. Diese wird dann in eine Gussform eingefüllt, um den Stützkern des Formkerns zu formen. Die Gussform weist eine Obergussform, eine Untergussform und einen Rahmen auf, wobei in einem zusammengebauten Zustand in der Obergussform und der Untergussform ein Hohlraum entsteht, dessen innere Abmessungen den äußeren Abmessungen des Stützkerns entspricht. Alle drei Gussformteile bestehen aus Aluminium oder Metall. Der Rahmen und die Obergussform haben eine Einfüllöffnung, um die Suspension in den Hohlraum einfüllen zu können. In der Gussform zwischen der Obergussform und der Untergussform sind zwei Formstifte angeordnet, die mit der Suspension vergossen werden. Durch die hohe Fließfähigkeit der Granulatkörper kann die Suspension mittels Druckluft in den Hohlraum eingefüllt werden. Alternativ kann die Suspension mittels eines Kolbens in den Hohlraum gedrückt werden. Der so gebildete Stützkern wird dann mittels eines Heißluftgebläses mit Heißluft, die auf etwa 40 bis 220 Grad Celsius aufgeheizt ist und durch einen Einströmkanal oder über die Einfüllöffnung mit einem Druck von 0,5 bis 20 bar in den Hohlraum einströmt, getrocknet. Nachdem der Stützkern vollständig ausgetrocknet ist, wird der Stützkern entformt und der Gussform entnommen. Die Formstifte ragen zur Handhabung als Kernlager aus dem Stützkern heraus. Danach wird der Stützkern mit einer Mantelschicht versiegelt, wobei dieser vorzugsweise in ein Schmelzbad aus einem flüssigen nicht wasserlöslichen Kunststoff, wie ein Elastomer, ein Silikon oder ein Epoxid eingetaucht wird. Nach der Entnahme des Stützkerns bleibt die Mantelschicht mit einer Schichtdicke von 0,05 bis 2 mm auf dem Stützkern und kann aushärten. Es ist auch möglich, die Mantelschicht in einem Sprühverfahren auf den Stützkern aufzusprühen oder die Mantelschicht vor dem Einfüllen der Suspension an der inneren Oberfläche des Hohlraums der Gussform anzubringen. Ein faserverstärktes Strukturhohlbauteil wird dadurch hergestellt, dass zunächst der Formkern mittels einer Flechtanlage mit Verstärkungsfasern unter hoher Zugspannung umwickel wird. Der so konfektionierte Formkern wird in ein Injektionswerkzeug mit Einfüllöffnung und Heizelementen eingesetzt, um die Verstärkungsfasern mit einem wärmeaushärtbaren Kunststoff zu tränken bzw. zu imprägnieren und dadurch das faserverstärkte Strukturhohlbauteil mittels Druck zu formen und durch die Heizelemente auszuhärten. Nach dem Aushärten wird das so gebildete Strukturhohlbauteil entformt und die herausragenden Formstifte einfach aus dem Strukturhohlbauteil entfernt, wodurch eine Öffnung zum Ausschwemmen des Stützkerns im Inneren des Strukturhohlbauteils verbleibt. Dazu wird das geöffnete Strukturhohlbauteil in ein Ausschwemmungsbad mit Lösungsmittel eingetaucht. Das Lösungsmittel ist eine wässrige Lösung, die durch die Öffnung an den Stützkern gelangt und somit das Bindemittel auflöst und den gesamten Stützkern mit den Granulatkörpern aus dem Inneren des Strukturhohlbauteiles ausschwemmt. Die wasserunlösliche Mantelschicht verbleibt im Inneren oder kann mittels eines speziellen Lösungsmittels beseitigt werden.
Weiterhin ist in DE 10 2005 011 930 B3 ein Verfahren zur Herstellung eines versiegelten wasserlöslichen Formkerns mit einer vorbestimmten Soll-Außenkontur aus einer wasserlöslichen Formmasse dargestellt. Dieser Formkern soll die Herstellung qualitativ hochwertiger und hochfester Faserverbundwerkstoff-Bauteile (kurz FVW-Bauteile genannt) ermöglichen. Zur Herstellung des versiegelten wasserlöslichen Formkerns wird zunächst eine wasserlösliche, pastöse oder flüssige Formmasse in eine der Gestalt des herzustellenden Formkerns und in Bezug zu der Soll-Außenkontur untermaßige Negativform eingefüllt. Die Formmasse kann z. B. Poly-2-Ethyl-2-Oxazoline (PEOX) oder Polyvinylalkohol (PVA) als Bindemittel für Mikroballons oder ein anderes Füllmaterial sein. Dann wird die Negativform mit einem Deckel verschlossen und die Formmasse unter Druck und Wärmeeinwirkung zu einem untermaßigen Formkern ausgehärtet. Nach dem Aushärten der Formmasse kann der untermaßige Formkern aus der Negativform entfernt werden, so dass dieser mittels einer Vakuumfolie umhüllt bzw. verpackt werden kann. Die von der Vakuumfolie gebildete Umhüllung wird jetzt mit einer Evakuierugs- oder Absaugeinrichtung durch eine Evakuierungsöffnung evakuiert. Die Vakuumfolie liegt somit eng an die untermaßige Außenkontur des Formkerns an und wird abschließend durch Verschweißen mittels einer Schweißvorrichtung hermetisch verschlossen und der Formkern ist dadurch versiegelt. Der umhüllte Formkern definiert die Soll-Außenkontur. Ein hohles FVW-Bauteil wird hergestellt, wenn auf den versiegelten, wasserlöslichen Formkern ein Verstärkungsfasermaterial aufgebracht wird. Der so vorbereitete Bauteilrohling wird dann in ein Formwerkzeug eingelegt und das Formwerkzeug verschlossen. Die Innenkontur des Formwerkzeugs definiert die spätere Außenkontur des herzustellenden FVW-Bauteils und der versiegelte Formkern die spätere Innenkontur des herzustellenden FVW-Bauteils.
Anschließend wird ein flüssiges Harz unter Druck in den zwischen der Formwerkzeug-Innenkontur und der Außenkontur der auf dem Formkern befindlichen Vakuumfolie gebildeten Hohlraum gespritzt und das Verstärkungsmaterial auf diese Weise mit Harz imprägniert. Jetzt kann das Harz unter Druck und Wärmeeinwirkung ausgehärtet werden, wodurch ein festes, form- und maßhaltiges FVW-Bauteil mit einer genau definierten Wandstärke und einer glatten Innenkontur entsteht. Das FVW-Bauteil wird aus dem Formwerkzeug entfernt. Der wasserlösliche Formkern wird aus dem FVW-Bauteil mittels Wasser, einer hauptsächlich Wasser enthaltenden Flüssigkeit oder einem anderen geeigneten flüssigen Medium ausgespült. Hierzu muss die den Formkern versiegelnde Vakuumfolie beispielsweise aufgestochen werden. Nach dem Entfernen des Formkerns kann die Vakuumfolie ebenfalls entfernt werden oder verbleibt innerhalb des FVW-Bauteils.
Bekannt ist ebenfalls durch DE 195 34 836 C2 ein wasserlöslicher Formkern zum Spritzgießen von Kunststoffteilen mit Hinterschneidungen und/oder Hohlräumen. Dieser wasserlösliche Formkern besteht aus mindestens 95 Ma% Quarzsand und/oder Glaspartikeln und/oder Metallpulver und mindestens 1 Ma% einer wässrigen Binderlösung auf der Basis von Polyvinylalkohol mit einem Polyvinylalkoholanteil von 25 bis 35 Ma%. Vorteilhaft soll sein, wenn Quarzsand, Glas- und Metallpulverpartikel eine Teilchengröße von 0,1 bis 0,3 mm und eine enge Korngrößenverteilung sowie eine gleichmäßige runde Form aufweisen. Zur Herstellung des wasserlöslichen Formkerns ist zunächst eine lagerfähige Binderlösung auf der Basis von Polyvinylalkohol mit einem Polyvinylalkoholanteil von 35 Ma% in einem beheizbaren Rührwerk durch Vorlegen von Wasser und Zugabe von Polyvinylalkohol unter Rühren bei gleichzeitiger Erwärmung bis auf eine Temperatur von 80 Grad Celsius bis zur vollständigen Lösung des Polyvinylalkohol fertigzustellen. Diese Binderlösung wird dann mit Quarzsand und/oder Glaspartikel und/oder Metallpulver in einem Mischer im Mengenverhältnis Feststoff/Binderlösung von 95:5 bis 99:1 gemischt, wobei der Feststoff vorgelegt wird. Der ausgehärtete Formkern kann nachträglich noch mit einer porenverschließenden wasserfreien Schlichte aus Quarzsand und/oder Graphit mit einer Korngröße von kleiner als 0,07 mm und einem Feststoffanteil von mindestens 60 Ma% beschichtet werden, beispielsweise durch Tauchen in eine Magnesiumsilikatschlichte auf Isopropanolbasis. Der ausgehärtete Formkern wird weiterhin nach einer 24 bis 48 stündigen Lagerung noch mit einer wässrig-isopropanolischen Polyvinylalkohollösung mit einem Polyvinylalkoholanteil von 18 Ma% beschichtet und getrocknet. Die Biegefestigkeit des Formkerns beträgt beschichtet oder unbeschichtet bis zu !0 MPa. Dadurch wird ein Kernbruch während des Spritzgießens verhindert. Der hergestellte und mit zwei unterschiedlichen Schichten versehende Formkern wird einer Kernschießmaschine zugeführt und das Kunststoffteil wird bei einem Druck von 3,5 bis 6,5 bar und einer Kernkastentemperatur von 150 bis 180 Grad Celsius gefertigt. Nach dem Entformen des Kunststoffteils zerfällt der Formkern z. B. in einem Wasserbad innerhalb weniger Minuten vollständig. Die Auflösezeit beträgt für den unbeschichteten Kern ca. 3 bis 5 min und für den beschichteten Kern ca. 7 bis 10 min.
Der durch DE 10 2013 106 876 A1 bekannte Formkern, insbesondere wasserlösliche Sützkern, der in DE 10 2005 011 930 B3 dargestellte wasserlösliche Formkern und der durch DE 195 34 836 C2 bekannte wasserlösliche Formkern sind nur mit einem hohen Material-, Energie- und Zeitaufwand in guter Qualität herstellbar. Nachteilig ist auch die erforderliche Bereitstellung zusätzlicher Werkzeuge und Geräte für die komplizierte Fertigung.
Das Problem der Erfindung besteht deshalb darin, einen wasserlöslichen Formkern zur Herstellung von Förderschnecken aus einem kaltaushärtenden Mineralguss vorzuschlagen, der einfach und kostengünstig in guter Qualität herzustellen ist. Die Lösung des Problems besteht in einem wasserlöslichen Formkern mit dem kennzeichnenden Merkmal des Schutzanspruchs. Die wesentlichen Vorteile des neuen Formkerns bestehen darin, dass dieser mit einer Toleranz von +/–0,054 mm und einer Oberflächenqualität Ra-63 ohne Nacharbeit in kurzer Zeit im 3D Druck herstellbar ist. Weitere Arbeitsschritte sind nicht erforderlich, so dass der Formkern jetzt in eine Gießform eingesetzt werden kann. Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Formkern einer mehrgängigen Förderschnecke für Transportgüter in Förderanlagen im Halbschnitt in einer perspektivischen Ansicht.
Die Fertigung des Formkerns erfolgt mit einem handelsüblichen 3D Drucker mit Polyvenylalkohol-Filamenten in bekannter Weise. Zunächst wird das 3D CAD Förderschnecken-Modell im Computer in einer Zeit von bis zu 10 min programmiert, in ein vom Drucker verarbeitbares Modellierungsprogramm umgewandelt und direkt vom Computer an den Drucker gesendet. Die Druckzeit des Formkerns, Länge 290 mm und Durchmesser 80 mm, beträgt ca. 10 Stunden. Durch die Verwendung eines Industrie 3D Druckers kann die Druckzeit noch reduziert werden. Zur Herstellung der Förderschnecke sind zunächst die Formwände der Gießform und der positioniert eingelegte Formkern auf einem Rütteltisch zu montieren. Die Formwände können aus Holz oder Stahlblech bestehen. Die bereits zuvor speziell zubereitete Mineralgusswerkstoffmischung aus Quarzsand, Quarzmehl und Epoxidharz als Bindemittel wird in die Gießform kalt gegossen. Die Gießform wird danach kurze Zeit gerüttelt, wodurch eine luftblasenfreie Oberfläche entsteht. Nach einer Aushärtezeit von ca. 8 Stunden wird die so hergestellte Förderschnecke mit Formkern entformt, in dem die Formwände demontiert werden. Die entformte Förderschnecke mit Kern wird abschließend in ein Wasserbad gelegt und nach 55 min kann der Formkern aus Polyvinylalkohol mit einem Druckwasserstrahl ausgewaschen werden. Falls erforderlich wird vorhandener Gießgrat entfernt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013106876 A1 [0002, 0006]
DE 102005011930 B3 [0003, 0006]
DE 19534836 C2 [0005, 0006]

Claims

Wasserlöslicher Formkern zur Herstellung von Förderschnecken aus einem kaltaushärtenden Mineralguss, der aus einer Mischung einer Formmasse, die ein festes Granulat, wie Quarzsand und/oder Glaspartikel und/oder Metallpulver und/oder Mikroballons bestimmter Korngrößenverteilung und ein wasserlösliches Bindemittel, wie Polyvinylalkohol oder Poly-2-Ethyl-2-Oxazoline, und einer oder mehreren auf den mit dieser Formmassemischung hergestellten Formkern aufgebrachten Mantelschichten aus einem flüssigen nicht wasserlöslichen Kunststoff, wie ein Elastomer, ein Silikon, ein Epoxid oder einer porenverschließenden wasserfreien Schlichte aus Quarzsand und/oder Graphit oder einer wässrig-isopropanolischen Polyvinylalkohollösung oder einer Vakuumfolie, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse ein mit 3D Druckern verarbeitbares Filament aus Polyvinylalkohol ist.