Hohlraumstruktur

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Modellformkernrohlings gemäß Anspruch 1 , ein Verfahren zur Herstellung eines Modellformkerns gemäß Anspruch 8, ein Verfahren zur Herstellung einer Feingussform gemäß Anspruch 12 sowie ein Gießverfahren zur Herstellung eines Gussteils mit einer Hohlraumstruktur gemäß Anspruch 15.

Aus dem Stand der Technik sind Gießverfahren zur Herstellung von Bauteilen bekannt. Bei diesen wird eine Gussform mit einem Material gefüllt und nach dessen Verfestigung bzw.

Erstarren entfernt. Besondere Herausforderung ergeben sich bei der Ausbildung von

Hinterschneidungen am und Hohlraumstrukturen im Bauteil. Gießtechnisch komplexe Bauteile werden daher durch sogenanntes Feingießen hergestellt, bei dem verlorene Modelle und verlorene Gussformen genutzt werden, um das Bauteil

herzustellen. Nach Abschluss des Feingussverfahrens ist sowohl das Modell des Bauteils zerstört als auch die Gussform.

Das Modell kann beispielsweise aus Wachs hergestellt werden und der Erstellung einer Gussform aus einer Keramik dienen. Die Gussform wird insbesondere als verlorene Form in Gestalt einer einmal verwendbaren Keramikbeschichtung des Modells ausgebildet. Nach Entfernung des Wachses aus der Gussform verbleibt ein Hohlraum, der mit dem Material des herzustellenden Bauteils befüllbar ist. Nach dem Befüllen und Aushärten wird die Gussform zerstört und das Bauteil entnommen.

Um Hohlraumstrukturen im Bauteil ausbilden zu können, werden Kerne eingesetzt, um die das Wachsmodell gefertigt wird. Diese Kerne verbleiben nach dem Entfernen des Wachses aus der Keramikbeschichtung im Hohlraum der Keramikbeschichtung und bilden dann entsprechend auch einen Hohlraum im Bauteil aus. Die Entfernung des Kernes aus dem Bauteil erfolgt später durch mechanische oder chemische Verfahren.

Insbesondere zur Herstellung von Turbinenschaufeln wird in WO 2015/051916 A1 ein

Verfahren beschrieben, bei dem zunächst eine Herstellung eines Kerns gemäß einem 3D- Modell in einem ersten CNC-Verfahren erfolgt. Anschließend wird der Kern in einer

Bearbeitungshalterung positioniert, um im Anschluss mit einem Wachskörperrohling überzogen zu werden. Es handelt sich gewissermaßen um ein Verfahren zur Herstellung eines

Modellformkernrohlings.

Danach wird der Wachskörperrohling in einem zweiten CNC-Verfahren derart bearbeitet, dass um den Kern herum ein verlorenes Modell des Bauteils aus Wachs entsteht. Bis hierhin lässt sich das Verfahren als Verfahren zur Herstellung eines Modellformkerns bezeichnen. Der so hergestellte Modellformkern weist also einen verlorenen Kern und das verlorene Modell auf.

Nachteilhaft an den Verfahren zur Herstellung des Modellformkernrohlings und des

Modellformkerns ist, dass die Position des Kerns relativ zum verlorenen Modell nicht prozesssicher in hinreichender Präzision erreicht wird. Damit entsteht Ausschuss. Je später die von außen kaum feststellbare mangelhafte Positionierung des Kerns in dem verlorenen Modell erkannt wird, desto höher sind die Kosten des Ausschusses. In den verschiedenen Fertigungsstufen sind daher erhebliche Aufwände zu betreiben, um Fehlpositionierungen der Hohlraumstrukturen im finalen Bauteil zu verhindern.

Die im Verfahren von WO 2015/051916 A1 weiterführenden Schritte können die bis zur Herstellung des Modellformkerns entstandene Fehlpositionierung des Kerns nicht mehr ausgleichen. Gemäß dem Verfahren wird nämlich direkt im Anschluss eine keramische Form auf das verlorene Modell aufgebracht. Damit die keramische Form auch nach dem Entfernen des verlorenen Modells noch relativ zum Kern positioniert ist, wird die keramische Form vorher mit dem Bearbeitungshalter verbunden, an dem auch der Kern positioniert und festgelegt wurde. Das bis hierhin führende Verfahren ist also ein Verfahren zur Herstellung einer

Feingussform.

Nachteilhaft an dieser Feingussform ist, dass ein teurer Bearbeitungshalter notwendig ist, der späteren Brennprozessen und dem Metallgießen standhält. Außerdem kann eine

Fehlpositionierung des verlorenen Kerns in der keramischen Form vorliegen, welche entweder die Feingussform als solches oder das später gegossene Bauteil unbrauchbar macht.

Zum Verfahren gemäß WO 2015/051916 A1 gehört schließlich, die keramische Form mit dem innenliegenden Kern mit Metallschmelze zu füllen, während der verlorene Kern und die keramische Hülle weiterhin mit dem Bearbeitungshalter verbunden sind. Nach dem Erstarren des Metalls zu einem festen Bauteil werden die keramische Form und der Kern entfernt.

Nachteilhaft an diesem Arbeitsschritt ist, dass der Bearbeitungshalter den Gießtemperaturen des Metalls ausgesetzt ist. Hierbei kann sich der Bearbeitungshalter verformen, sodass die relative Positionierung zwischen der keramischen Form und dem Kern ändert. Außerdem muss der Bearbeitungshalter aus hochtemperaturfesten Materialien bestehen, was diesen teuer macht und erhöhten Aufwand bei der Aufnahme in Bearbeitungsmaschinen bedeutet.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Verfahrensschritte zu entwickeln, die zu einer

prozesssicheren, reproduzierbaren und vor allem genauen Positionierung eines verlorenen Kerns relativ zu einer keramischen Form einer Feingussform beitragen, wobei die

Verfahrensschritte möglichst wenig komplex sowie schnell und preiswert ausführbar sein sollen. Insbesondere soll hierdurch auch Ausschuss von der Kernherstellung bis zum fertigen Bauteil verhindert werden. Hauptmerkmale der Erfindung sind in Anspruch 1 sowie den Ansprüchen 8, 12 und 15 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7, 9 bis 11 und 16 sowie der Beschreibung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Modellformkernrohlings, der insbesondere zur Herstellung eines Gussteils mit einer Hohlraumstruktur geeignet ist, unter Verwendung eines 3D-Modells (dreidimensionalen Modells) digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils. In diesem Verfahren wird ein Positionieren eines Keramikrohlings an einem

Bearbeitungshalter vorgenommen und eine Fixierung zwischen dem Keramikrohling und dem Bearbeitungshalter hergestellt. Die Kubatur des Keramikrohlings ist vorzugsweise größer als ein hieraus herzustellendes Kernelement. Anschließend erfolgt ein Herstellen eines Kernelements, wobei ein verlorener Kern aus dem Keramikrohling basierend auf dem 3D-Modell in einem ersten CNC-Herstellungsverfahren gefertigt wird während die Fixierung fortbesteht, wobei der Bearbeitungshalter in einer CNC-Maschine zur Durchführung des ersten CNC- Herstellungsverfahrens festgelegt ist. Der verlorene Kern ist vorzugsweise ein Hohlraummodell der Hohlraumstruktur. Danach sieht das Verfahren ein Herstellen eines Modellrohlings durch Gießen von Modellwerkstoff um den verlorenen Kern herum und Erstarrenlassen des

Modellwerkstoffs vor, während die Fixierung fortbesteht. Dabei ist die Kubatur des

Modellrohlings vorzugsweise größer als ein hieraus herzustellendes verlorenes Modell, wobei das verlorene Modell vorzugsweise ein Positivmodell des Gussteils ist, wenn die Außenkontur des verlorenen Modells durch ein materialabtragendes Verfahren wie beispielsweise Drehen, Fräsen, Laserschneiden etc. hergestellt wird. Umgekehrt ist die Kubatur des Modellrohlings vorzugsweise kleiner als ein hieraus herzustellendes verlorenes Modell, wobei das verlorene Modell vorzugsweise ein Positivmodell des Gussteils ist, wenn die Außenkontur des verlorenen Modells durch ein Materialauftragsverfahren wie beispielsweise 3D-Druck auf dem

Modellrohling hergestellt wird.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass der verlorene Kern eine definierte Position relativ zum Bearbeitungshalter aufweist. Damit werden Positionierungsprobleme vermieden, die anderenfalls durch eine nachträgliche Fixierung eines bereits hergestellten Kernelements mit verlorenem Kern an einer Bearbeitungshalterung entstehen können. Bei jedem Einspannen eines Kernelements in einer Bearbeitungshalterung kann es nämlich zu Spannungsverformungen des Kernelementes kommen. Die alternative Herstellung einer Fixierung durch Kleben dauert lange und durch Aushärtungsspannungen im Klebstoff kann es ebenfalls zu Positionsabweichungen zwischen dem Kernelement und der Bearbeitungshalterung kommen. Bereits kleine Abweichungen im Bereich der Fixierung können zu größeren Positionsabweichungen abseits der Fixierung führen. All dies wird

erfindungsgemäß vermieden.

Als erstes CNC-Herstellungsverfahren können ein spanabhebendes Verfahren, insbesondere ein Fräsverfahren, und/oder ein generatives Fertigungsverfahren wie zum Beispiel 3D-Drucken, selektives Laserschmelzen oder -sintern zum Einsatz kommen. Das bevorzugte Verfahren ist das Fräsverfahren.

Als Alternative zu dem Verfahrensschritt„Herstellen eines Modellrohlings durch Gießen von Modellwerkstoff um den verlorenen Kern herum und Erstarrenlassen des Modellwerkstoffs vor, während die Fixierung fortbesteht“ kann auch ein 3D-Druckverfahren vorgesehen sein, bei dem ein Modellwerkstoff, z.B. Wachs, auf und/oder um den verlorenen Kern herum gedruckt wird, während die Fixierung fortbesteht. Solche 3D-Druckverfahren lassen besonders komplexe Geometrien zu. Mit solchen materialauftragenden Verfahren kann entweder der Modellrohling hergestellt werden, oder aber es wird unmittelbar die ganze oder zumindest Teile der

Außenkontur des verlorenen Modells hergestellt.

Gemäß einer optionalen Verfahrensergänzung kann vorgesehen sein, dass der

Bearbeitungshalter vor der Durchführung des ersten CNC-Herstellungsverfahrens und vor der Festlegung des Bearbeitungshalters in der durchführenden CNC-Maschine positioniert wird. Vorteilhaft hieran ist, dass die Bearbeitungshalter abseits der CNC-Maschine mit dem

Keramikrohling verbindbar sind. Damit sinken die Maschinenstillstandzeiten, insbesondere wenn mehrere Bearbeitungshalter eine einheitliche Geometrie aufweisen.

In einer speziellen Verfahrensvariante weist der Bearbeitungshalter ein Koppelstück zur Aufnahme in einem Nullpunktfixiersystem auf, wobei das Koppelstück bei der Durchführung des ersten CNC-Herstellungsverfahrens in einem Nullpunktfixiersystem der durchführenden CNC- Maschine aufgenommen ist. Hierdurch sind schnelle Wechsel von Bearbeitungshaltern in der CNC-Maschine bei gleichzeitig hoher Positionierungspräzision möglich. Ein

Nullpunktfixiersystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass bei der Herstellung der Fixierung keine exakte Positionierung erfolgen muss. Das Koppelstück muss nur grob positioniert werden und die Ausrichtung des Koppelstücks in dem Nullpunktfixiersystem vollzieht sich dann selbstständig beim Fixieren. Zu der korrekten Positionierung in einem Nullpunktfixiersystem tragen insbesondere definierte korrelierende Positionierungsflächen bei, insbesondere sowohl auf Seiten des Koppelstücks als auch auf Seiten des

Nullpunktfixiersystems.

Unter Nullpunktfixiersystemen im Sinne dieses Dokumentes sind Nullpunktspannsysteme und andere Haltemechanismen (Haftung, Kleben, Unterdrück, etc.) zu verstehen.

Nullpunktspannsysteme fixieren mittels Klemmkräften. Nullpunktspannsysteme können auch mit anderen Haltemechanismen kombiniert sein, sodass Klemm- und weitere Haltekräfte zur Fixierung ausgenutzt werden.

Ergänzt sein kann das Verfahren dadurch, dass ein Herstellen eines Stabilisierungsrahmens aus dem Keramikrohling während des ersten CNC-Herstellungsverfahrens erfolgt und während die Fixierung fortbesteht, wobei der Stabilisierungsrahmen den verlorenen Kern stützt, dies insbesondere an wenigstens einem Stützpunkt, der beabstandet von dem Bearbeitungshalter angeordnet ist. Durch derartige Stabilisierungsrahmen lassen sich sehr feine verlorene Kerne bereitstellen, die weder bei ihrer eigenen Herstellung noch bei sich anschließenden

Fertigungsschritten verformt oder beschädigt werden. Der Stabilisierungsrahmen kann zumindest teilweise außerhalb des Modellrohlings liegen. In diesem Bereich stört er dann eine weitere Bearbeitung des Modellrohlings relativ wenig.

In einer besonderen Verfahrensvariante ist ein Entfernen von einem oder mehreren

Stützpunkten zwischen dem Stabilisierungsrahmen und dem verlorenen Kern nach der Herstellung des verlorenen Kerns und vor dem Herstellen des Modellrohlings vorgesehen, dies bevorzugt im ersten CNC-Herstellungsverfahren. Damit ist der verlorene Kern während der Bearbeitung im ersten CNC-Herstellungsverfahren stabil gehalten und es können besonders feine Konturen am verlorenen Kern ausgebildet werden. Die Stützpunkte sind bevorzugt Verbindungsstege, die vorzugsweise schmäler und/oder dünner sind als der angrenzende Bereich des verlorenen Kerns.

Optional wird der Stabilisierungsrahmen nach der Herstellung des verlorenen Kerns und vor dem Herstellen des Modellrohlings entfernt, vorzugsweise nach dem Entfernen von einem oder mehreren Stützpunkten, und des Weiteren bevorzugt im ersten CNC-Herstellungsverfahren. Dies eignet sich insbesondere für verlorene Kerne, die eine hinreichende Eigenstabilität aufweisen. In einer anderen Variante wird der Stabilisierungsrahmen nicht entfernt bevor das Herstellen des Modellrohlings erfolgt. Der Stabilisierungsrahmen kann dann den verlorenen Kern auch bei der Herstellung des Modellrohlings und optional auch der Herstellung des verlorenen Modells stützen. Dabei kann der Stabilisierungsrahmen zumindest teilweise in dem Modellrohling angeordnet sein. Allerdings sollte er außerhalb des verlorenen Modells liegen. Stützpunkte des Stabilisierungsrahmens können dann durch das verlorene Modell bis an den verlorenen Kern heranragen. Hierdurch werden auch labil ausgestaltete verlorene Kerne während der weiteren Verfahrensschritte stabilisiert, Formänderungen vermieden und Beschädigungen verhindert.

Als Modellwerkstoff eignet sich insbesondere ein Modellwachs. Der Modellwerkstoff sollte eine geringere Schmelztemperatur aufweisen als das Kernelement.

Gemäß einer speziellen Verfahrensausgestaltung wird beim Herstellen des Modellrohlings ein Angussmodell ausgebildet. Ein solches Angussmodell wird später bei der Herstellung einer keramischen Feingussform einen Anguss in der keramischen Feingussform ausbilden.

Gleichzeitig kann er als Auslass zur Entfernung des verlorenen Modells und/oder des verlorenen Kerns genutzt werden. Optional ist das Angussmodell kegelförmig. Dann resultiert ein trichterförmiger Anguss.

Die Abkürzung CNC steht in dieser Anmeldung für rechnergestützte numerische Steuerung bzw. Herstellschritte, die insbesondere computergestützt automatisiert ablaufen.

Die Oberflächen des Kernelements können nach dem ersten CNC-Herstellverfahren optional beschichtet werden. Hierdurch können die Oberflächen besonders glatt ausgebildet sein.

Zur Herstellung des Modellrohlings kann der verlorene Kern beispielsweise in einem

Modellformwerkzeug angeordnet und der Modellrohling um den verlorenen Kern dadurch gebildet werden, dass Modellwerkstoff wie Wachs, Thermoplast oder dergleichen in den Raum zwischen dem verlorenen Kern und den Innenwänden des Modellformwerkzeugs

eingefüllt/eingespritzt wird.

Der Keramikrohling kann zunächst durch Spritzgießen, Spritzpressen oder Gießen, einer geeigneten Flüssigkeit von keramischem Material in die gewünschte Rohlingsgestalt gebracht werden. Das Ausgangsmaterial kann eine oder mehrere keramische Pulver, ein Bindemittel und optional Zusätze umfassen, die in ein entsprechend geformtes Rohlingsformwerkzeug einbringbar sind. Nachdem das keramische Material zu einem„Grünling" ausgehärtet ist, lässt sich das Rohlingsformwerkzeug entfernen, z.B. öffnen, um den Grünling zu entnehmen.

Nachdem der Grünling aus dem Rohlingsformwerkzeug entnommen wurde, sollte er bei hoher Temperatur in einem oder mehreren Schritten gebrannt werden, um das flüchtige Bindemittel zu entfernen und den Keramikrohling zu sintern und zu härten. Hierdurch erreicht er eine Festigkeit und Formtreue, die zur Verwendung beim Gießen von metallischem Material wie beispielsweise einer titan-, nickel- oder kobaltbasierten Legierung hinreichend sind.

Optional kann als einleitender Verfahrensschritt ein Anpassen des 3D-Modells der digitalen Geometriekoordinaten des Gussteils erfolgen, um eine Korrektur von Fertigungsbedingten Formabweichungen durch beispielsweise Schwindungen oder Materialspannungen zu berücksichtigen.

Zur Erfindung gehört auch ein Modellformkernrohling, der durch ein Verfahren zur Herstellung eines Modellformkernrohlings, wie es vor- und nachstehend beschrieben ist, hergestellt ist. Die Vorteile des Verfahrens wohnen auch dem Modellformkernrohling inne. Insbesondere ist dieser hochpräzise sowie prozesssicher und preiswert herstellbar.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Modellformkerns, bei dem das Verfahren zur Herstellung eines Modellformkernrohlings, wie es vor- und nachstehend beschrieben ist, durch geführt wird, und das ein Herstellen einer Außenkontur eines verlorenen Modells aus und/oder auf dem Modellrohling basierend auf dem 3D-Modell in einem zweiten CNC-Herstellungsverfahren umfasst, während die Fixierung fortbesteht, wobei der

Bearbeitungshalter in einer CNC-Maschine zur Durchführung des zweiten CNC- Herstellungsverfahrens festgelegt ist.

Vorteilhaft hieran ist, dass der verlorene Kern eine definierte Position am Bearbeitungshalter einnimmt und in der Folge auch das verlorene Modell korrekt relativ zum Bearbeitungshalter und damit auch zu dem verlorenen Kern positioniert ausgebildet wird.

Hierzu wird verfahrensgemäß vorzugsweise ein Positionieren des Bearbeitungshalters vor der Durchführung des zweiten CNC-Herstellungsverfahrens und vor der Festlegung des

Bearbeitungshalters in der durchführenden CNC-Maschine vorgenommen. Bearbeitungshalter mit definierter Geometrie lassen sich besonders einfach, schnell und präzise in der oder den durchführenden CNC-Maschinen positionieren. Während der Durchführung von Verfahrensschritten, für die eine CNC-Maschine nicht benötigt wird, kann diese CNC-Maschine freigegeben und anderweitig genutzt werden.

In einer besonders bevorzugten Verfahrensausgestaltung weist der Bearbeitungshalter ein Koppelstück zur Aufnahme in einem Nullpunktfixiersystem auf, wobei das Koppelstück bei der Durchführung des zweiten CNC-Herstellungsverfahrens in einem Nullpunktfixiersystem der durchführenden CNC-Maschine aufgenommen ist. Damit gelingt eine besonders präzise und schnelle Aufnahme des Bearbeitungshalters in der CNC-Maschine.

Bei dem ersten CNC-Herstellungsverfahren handelt es sich vorzugsweise um ein abtragendes Verfahren, weiter bevorzugt um ein spanabhebendes Verfahren, und besonders bevorzugt um ein Fräsverfahren.

Bei dem zweiten CNC-Herstellungsverfahren handelt es sich vorzugsweise entweder um ein abtragendes Verfahren, weiter bevorzugt um ein spanabhebendes Verfahren, und besonders bevorzugt um ein Fräsverfahren, oder ein auftragendes Verfahren wie 3D-Druck. Das zweite CNC-Herstellungsverfahren kann auch abtragende und auftragende Verfahren kombinieren. Hierdurch lassen sich unterschiedliche Bereiche des verlorenen Modells besonders effizient hersteilen.

Der optionale Stabilisierungsrahmen kann zumindest teilweise außerhalb des verlorenen Modells liegen. Er hat dann zumindest teilweise keinen konturgebenden Einfluss auf das später zu erzeugende Bauteil, welches insbesondere auf dem Positivkorpus des verlorenen Modells beruhen wird.

Zum Erfindungsgegenstand gehört auch ein Modellformkern, der nach dem Verfahren zur Herstellung eines Modellformkerns, wie es vor- und nachstehend beschrieben ist, hergestellt ist. Die Vorteile des Verfahrens wohnen auch dem Modellformkern inne. Insbesondere ist dieser hochpräzise sowie prozesssicher und preiswert herstellbar.

Fernerhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Feingussform, bei dem das Verfahren zur Herstellung eines Modellformkerns, wie es vor- und nachstehend beschrieben ist, durchgeführt wird. Bei diesem Verfahren erfolgt ein Aufträgen einer keramischen Form auf die Außenkontur des verlorenen Modells und ein Ausbilden einer positionierenden Verbindung der keramischen Form mit wenigstens einer Anbindungsstelle am Kernelement. Schließlich wird das verlorene Modell aus der keramischen Form entfernt.

Vorteilhaft hieran ist, dass das Kernelement und die verlorene Form mittels der positionierenden Verbindung eine hohe relative Positionstreue zueinander aufweisen. Dabei sollte der

Bearbeitungshalter keine direkte Verbindung zur keramischen Form aufweisen. Hierdurch kann er nämlich entfernt werden. Dabei sollte die positionierende Verbindung derart ausgebildet sein, dass die Entfernung des Bearbeitungshalters keinen Einfluss auf die relative Positionierung zwischen der keramischen Form und dem verlorenen Kern hat. Hierdurch kann ein preiswerter Bearbeitungshalter eingesetzt werden, der weder Einbrenn- bzw. Sintertemperaturen noch Gießtemperaturen bei der Bauteilerstellung aushalten können muss. Außerdem können wiederverwendbare Bearbeitungshalter genutzt werden, insbesondere auch solche, die zumindest in Teilen oder auch vollständig aus Werkzeugstahl bestehen.

Hierzu kann das Verfahren optional durch einen Schritt ergänzt sein, bei dem ein Aufheben der Fixierung zwischen dem Bearbeitungshalter und dem Kernelement und ein Trennen des Kernelements vom Bearbeitungshalter vor oder nach dem Entfernen des verlorenen Modells aus der keramischen Form erfolgen, d.h. insbesondere nach dem Aufträgen der keramischen Form oder nach dem Entfernen des verlorenen Modell aus der keramischen Form, und besonders bevorzugt vor der Durchführung eines Gießprozesses zur Herstellung des Gussteils in der Feingussform.

Das Aufträgen der keramischen Form auf die Außenkontur des verlorenen Modells kann beispielsweise durch wiederholtes Eintauchen in einen Keramikschlicker erfolgen, wobei nach jedem Eintauchen überschüssiger Schlicker abfließt, ein Besanden mit Keramikstuck und ein Lufttrocknen erfolgt. Auf diese Weise lassen sich mehrere keramische Schichten aufbauen, die auf der Außenkontur die keramische Form in der Art einer Formschale bilden. Die resultierende Anordnung kann anschließend einem Dampfautoklav zugeführt werden, um das verlorene Modell zu entfernen, so dass als Feingussform die keramische Form mit dem darin

angeordneten verlorenen Kern verbleibt.

Ergänzt sein kann das Verfahren um den optionalen Schritt eines Brennens der Anordnung umfassend das Kernelement und die keramische Form vor oder nach dem Trennen des Kernelements vom Bearbeitungshalter. Hierdurch wird flüchtiges Bindemittel entfernt und die Anordnung gesintert und gehärtet. Hierdurch erreicht die so entstandene Feingussform eine Festigkeit und Formtreue, die zur Verwendung beim Gießen von metallischem Material wie beispielsweise einer titan-, nickel- oder kobaltbasierten Legierung hinreichend sind.

In einer Verfahrensvariante wird bei dem Herstellen der Außenkontur des verlorenen Modells aus dem Modellrohling auch ein Angussmodell ausgebildet, insbesondere aus dem

Modellrohling. Dieser Schritt kann das vollständige Herausarbeiten des Angussmodells aus dem Modellrohling umfassen oder sofern vorgesehen, die Nachbearbeitung eines bereits am Modellrohling ausgebildeten gröberen Angussmodells. Ein solches Angussmodell wird später bei der Herstellung einer keramischen Feingussform einen Anguss in der keramischen

Feingussform ausbilden. Gleichzeitig kann der Anguss als Auslass zur Entfernung des verlorenen Modells und/oder des verlorenen Kerns genutzt werden. Optional ist das

Angussmodell kegelförmig. Dann resultiert ein trichterförmiger Anguss.

Zum Erfindungsgegenstand gehört auch eine Feingussform, die nach dem Verfahren zur Herstellung einer Feingussform, wie es vor- und nachstehend beschrieben ist, hergestellt ist.

Die Vorteile des Verfahrens wohnen auch der Feingussform inne. Insbesondere ist diese hochpräzise sowie prozesssicher und preiswert herstellbar, wobei insbesondere der verlorene Kern korrekt in der keramischen Form positioniert und gehalten ist. An die Feingussform lassen sich im Anschluss Angussstrukturen sowie Entlüftungsstrukturen für das Gießverfahren anbringen. Alternativ können auch schon am verlorenen Modell separate Angussstrukturen sowie Entlüftungsstrukturen für das spätere Gießverfahren angebracht werden, sodass diese im Anschluss mit der Feingussform verbunden bzw. Teil hiervon sind.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Gießverfahren zur Herstellung eines Gussteils mit einer Hohlraumstruktur, bei dem ein Verfahrens zur Herstellung einer Feingussform, wie es vor- und nachstehend beschrieben ist, durchgeführt wird, und bei dem ein Gießen von Metallschmelze in die keramische Form um den verlorenen Kern, ein Erstarren der Metallschmelze zu einem festen Bauteil, und ein Entfernen der keramischen Form und des verlorenen Kerns von dem festen Bauteil erfolgen. Basierend auf dem Verfahren weist das feste Bauteil

Hohlraumstrukturen auf, die sehr genau im festen Bauteil positioniert sind, sodass

beispielsweise keine Schwachstellen vorliegen, die das feste Bauteil unbrauchbar machen könnten. Der verlorene Kern wird insbesondere aus der Hohlraumstruktur des Bauteils entfernt. Die Entfernung des verlorenen Kerns erfolgt vorzugsweise durch wasserbasiertes oder chemisches Auswaschen oder andere Techniken aus dem festen Bauteil. Sofern das Kernelement noch einen optionalen Stabilisierungsrahmen aufweist, so wird auch dieser vom festen Bauteil entfernt.

Das Gießverfahren umfasst vorzugsweise den optionalen Schritt des Aufhebens der Fixierung zwischen dem Bearbeitungshalter und dem Kernelement und ein Trennen des Kernelements vom Bearbeitungshalter spätestens vor dem Gießen der Metallschmelze in die keramische Form. Hierdurch kann ein preiswerter Bearbeitungshalter eingesetzt werden, der zumindest nicht den Gießtemperaturen der Metallschmelze standhalten muss.

Das Gießverfahren ist besonders geeignet, wenn die Metallschmelze eine Titan-, Nickel- oder Kobalt-Basis-Legierung ist. Bei derart teuren Bauteilen, lassen sich hohe Kosten durch die verfahrensgemäße Reduktion von Ausschuss und Bauteilschäden erzielen.

Optional wird die Feingussform vor dem Gießen der Metallschmelze vorgewärmt. Dies kann die Kristallbildung positiv beeinflussen und Risse der Feingussform durch thermische Spannungen durch plötzlichen Temperaturwechsel vermeiden.

Die Metallschmelze erstarrt vorzugsweise polykristallin, und besonders bevorzugt einkristallin. Damit wird eine hohe Bauteilfestigkeit erzielt.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Keramikkernrohling an einem Bearbeitungshalter;

Fig. 2 ein Kernelement mit einem verlorenen Kern und einem Stabilisierungsrahmen an einem Bearbeitungshalter;

Fig. 3 einen verlorenen Kern an einem Bearbeitungshalter;

Fig. 4 einen verlorenen Kern an einem Bearbeitungshalter, wobei der verlorene Kern in einem zweiteiligen Modellformwerkzeug zur Herstellung eines Modellrohlings angeordnet ist; Fig. 5 einen verlorenen Kern an einem Bearbeitungshalter, wobei der verlorene Kern in einem Modellrohling angeordnet ist;

Fig. 6 einen verlorenen Kern an einem Bearbeitungshalter, wobei der verlorene Kern in einem verlorenen Modell angeordnet ist; Fig. 7 ein verlorenes Modell und einen verlorenen Kern, die von einer keramischen Form einer Feingussform eingehüllt sind; und

Fig. 8 ein Gussteil mit einem festen Bauteil und einer Hohlraumstruktur.

Die Fig. 1 bis 7 zeigen eine mögliche chronologische Folge von Verfahrensergebnissen nach der Durchführung verschiedener Verfahrensschritte. Technische Merkmale, die Bezugszeichen aufweisen, zu welchen bereits in einer vorhergehenden Figur Ausführungen gemacht sind, werden zum Teil nicht erneut beschrieben. Es gelten vielmehr die vorhergehenden

Beschreibungsteile entsprechend.

Zunächst erkennt man in Fig. 1 einen Keramikkernrohling 10 der über eine zweiseitige

Fixierung 51 an einem Bearbeitungshalter 50 festgelegt ist. Die Fixierung 51 kann

beispielsweise durch Kleben oder Klemmen ausgebildet sein. Vorliegend liegen sich die zwei Seiten der Fixierung 51 gegenüber und der Keramikkernrohling 10 ist zwischen den zwei Seiten angeordnet. Dabei weist der Bearbeitungshalter 50 ein Koppelstück 52 und eine

Bearbeitungsbrücke 53 auf. Die Bearbeitungsbrücke 53 erstreckt sich zwischen den zwei Seiten der Fixierung 51 und ist mit dem Koppelstück 52 verbunden oder einteilig hiermit ausgebildet. Das Koppelstück 52 ist zur Aufnahme in einem Nullpunktfixiersystem von CNC- Bearbeitungsmaschinen ausgelegt.

Die Kubatur des Keramikkernrohlings 10 ist so vorgewählt bzw. vorgefertigt, dass ein aus dem Keramikkernrohling 10 durch Materialentfernung bzw. -abtragung herzustellendes Kernelement 11 mit einem verlorenen Kern 12 innerhalb dieser Kubatur liegt.

Damit ist also verfahrensgemäß zunächst ein Positionieren des Keramikrohlings 10 an dem Bearbeitungshalter 50 und ein Herstellen der Fixierung 51 zwischen dem Keramikrohling 10 und dem Bearbeitungshalter 50 notwendig, um zum Verfahrensergebnis nach Fig. 1 zu gelangen.

In Fig. 2 ist ein mögliches Folgeergebnis der Ausgangssituation nach Fig. 1 nach oder bei dem Herstellen des Kernelements 11 dargestellt, wobei der verlorene Kern 12 aus dem

Keramikrohling 10 (siehe Fig. 1 ) gemäß einem 3D-Modell in einem ersten CNC- Herstellungsverfahren, beispielsweise einem CNC-Fräsverfahren, gefertigt wird, während die Fixierung 51 fortbesteht. Gleichzeitig wird ein (temporärer) Stabilisierungsrahmen 15 aus dem Keramikrohling 10 (siehe Fig. 1 ) im ersten CNC-Herstellungsverfahrens hergestellt während die Fixierung 51 fortbesteht. Der (temporäre) Stabilisierungsrahmen 15 stützt den verlorenen Kern 12 über Stützpunkte 16 ab. Die Stützpunkte 16 sind jeweils beabstandet von der Fixierung 51 angeordnet. Bei den Stützpunkten 16 handelt es sich um Verbindungsstege oder -zapfen, die jeweils schmäler sind als der angrenzende Bereich des verlorenen Kerns 12.

Der Bearbeitungshalter 50 ist bei der Durchführung des ersten CNC-Herstellungsverfahrens mit dem Koppelstück 52 in einer CNC-Maschine zu dessen Durchführung festgelegt.

Nach Abschluss des ersten CNC-Herstellungsverfahrens verbleibt gemäß Fig. 3 der verlorene Kern 12 des Kernelements 1 1 , der sich zwischen den zwei Seiten der Fixierung 51 erstreckt. Erkennbar wurde der Stabilisierungsrahmen 15 nach der Herstellung des verlorenen Kerns 12 entfernt, dies insbesondere nach dem Entfernen von den Stützpunkten 16.

Im Bereich der Fixierung 51 wurde der Keramikkernrohling 10 (siehe Fig. 1 ) nicht bearbeitet, um die Fixierung 51 nicht zu schwächen und den Bearbeitungshalter 50 nicht zu beschädigen. Dieser unbearbeitete Bereich des Keramikkernrohlings 10 (siehe Fig. 1 ) kann auch als

Fixierbereich bezeichnet werden. Bereits in diesem Stadium weist das Kernelement 1 1 auch zwei Anbindungsstellen 13 auf, an die später eine keramische Form 81 (siehe Fig. 7) anschließen wird.

Gemäß Fig. 4 wird die Anordnung nach Fig. 3 derart weiterverwendet, dass der verlorene Kern 12 weiterhin über die Fixierung 51 an dem Bearbeitungshalter 50 festgelegt und in einem Modellformwerkzeug 30 zur Herstellung eines Modellrohlings 20 (siehe Fig. 5) angeordnet ist. Das Modellformwerkzeug 30 weist eine erste und eine zweite Formhälfte 31 , 32 auf und stützt sich über Positionierungsflächen 33 am Bearbeitungshalter 50 ab, dies insbesondere an dem Koppelstück 52 und an der Bearbeitungsbrücke 53. Im Bereich der Anbindungsstellen 13 ragt das Kernelement 11 durch Öffnungen aus dem Modellformwerkzeug 30 heraus. Auf diese Weise ist ein Werkzeughohlraum 35 um den verlorenen Kern 1 1 ausgebildet. In diesen

Werkzeughohlraum 35 mündet von oben ein Modellanguss 34, der von dem

Modellformwerkzeug 30 ausgebildet wird.

Die nach Fig. 4 gezeigte Ausgangssituation ist dazu geeignet, nunmehr eine Herstellung eines Modellrohlings 20 (siehe Fig. 5) dadurch durchzuführen, dass ein Gießen von Modellwerkstoff durch den Modellanguss 34 in den Werkzeughohlraum 35 erfolgt, insbesondere also um den im Werkzeughohlraum 35 liegenden verlorenen Kern 12 herum. Bei dem Modellwerkstoff kann es sich beispielsweise um ein Modellwachs handeln. Der Modellwerkstoff sollte eine geringere Schmelztemperatur aufweisen als das Kernelement 11. Man lässt den Modellwerkstoff anschließend erstarren. Dabei besteht die Fixierung 51 immer noch fort. Entsprechend ist der verlorene Kern 12 in einer definierten Position relativ zum Modellrohling 20 positioniert.

Die Kubaturen des Modellrohlings 20 und des Werkzeughohlraums 35 sind jeweils größer als ein hieraus herzustellendes verlorenes Modell 21 (siehe Fig. 6).

Nach Entfernung des Modellformwerkzeugs 30 gemäß dem Verfahrenszustand nach Fig. 4 verbleibt die Anordnung gemäß Fig. 5. In Fig. 5 erkennt man, wie das Kernelement 11 mit dem verlorenen Kern 12 weiterhin über die Fixierung 51 an dem Bearbeitungshalter 50 festgelegt ist. Nunmehr ist der verlorene Kern 12 jedoch zusätzlich in dem Modellrohling 20 aus dem

Modellwerkstoff angeordnet. Daraus ergibt sich ein Modellformkernrohling 1. Entsprechend dem Modellanguss 34 des Modellformwerkzeugs 30 verbleibt auch noch ein herstellungsbedingter Angusspunkt 24 am Modellrohling 20.

Mit Hilfe einer entsprechenden Aussparung des Werkzeughohlraums 35 ist durch den

Modellrohling 20 erkennbar auch ein kegelförmiges Angussmodell 23 ausgebildet.

Um von dem Zustand nach Fig. 5 zu demjenigen nach Fig. 6 zu gelangen, ist ein Herstellen einer Außenkontur 22 des verlorenen Modells 21 aus dem Modellrohling 20 notwendig, das gemäß dem 3D-Modell in einem zweiten CNC-Herstellungsverfahren durchgeführt wird, während die Fixierung 51 weiterhin fortbesteht. Hierzu kann der Bearbeitungshalter 50 mit dem Koppelstück 52 erneut in einer CNC-Maschine zur Durchführung des zweiten CNC- Herstellungsverfahrens festgelegt werden, nachdem er positioniert wurde. Dies gelingt besonders einfach durch den Einsatz von einem Nullpunktfixiersystem. Verfahrensgemäß nimmt der verlorene Kern 12 also immer noch eine definierte Position am Bearbeitungshalter 50 ein und in der Folge ist auch das verlorene Modell 21 korrekt relativ zum Bearbeitungshalter 50 und damit auch zu dem verlorenen Kern 12 positioniert. Der verlorene Kern 12 bildet zusammen mit dem verlorenen Modell 21 einen Modellformkern 2 aus.

Das zweite CNC-Herstellungsverfahren ist ein abtragendes Verfahren, wobei vorzugsweise ein spanabhebendes Verfahren, und besonders bevorzugt ein Fräsverfahren eingesetzt werden.

Sollte der Modellrohling 20 alternativ ganz oder teilweise eine kleinere Kubatur aufweisen als das spätere verlorene Modell 21 , so ist die Außenkontur 22 des verlorenen Modells 21 in diesen Bereichen durch ein materialauftragendes Verfahren herzustellen, beispielsweise in einem (CNC) 3D-Druckverfahren.

Nunmehr kann der Modellformkern 2, nämlich das verlorene Modell 21 und der darin angeordnete verlorene Kern 12, vom Bearbeitungshalter 50 getrennt werden, denn das Ziel, den verlorenen Kern 12 exakt im verlorenen Modell 21 anzuordnen ist erreicht und wird in den nächsten Schritten nicht negativ beeinflusst. Die Fixierung 51 wird wie man in Fig. 7 erkennen kann insbesondere dadurch aufgehoben, dass der verlorene Kern 12 vom Fixierbereich abgetrennt wird. Der Fixierbereich kann dabei am Bearbeitungshalter 50 Zurückbleiben. Hiervon lässt sich der Fixierbereich bei Bedarf später entfernen.

Fig. 7 zeigt außerdem, wie das verlorene Modell 21 und der verlorene Kern 12, von einer keramischen Form 81 einer Feingussform 80 eingehüllt sind. Nur noch die Enden des verlorenen Kerns 12 schauen aus der keramischen Form 81 heraus. Hierzu wurde die keramische Form 81 verfahrensgemäß auf die Außenkontur 22 des verlorenen Modells 21 aufgetragen. Das Aufträgen der keramischen Form 81 auf die Außenkontur 22 des verlorenen Modells 21 kann beispielsweise durch wiederholtes Eintauchen in einen Keramikschlicker erfolgen, wobei nach jedem Eintauchen überschüssiger Schlicker abfließt, ein Besanden mit Keramikstuck und ein Lufttrocknen erfolgt. So lassen sich mehrere keramische Schichten aufbauen, die auf der Außenkontur 22 die keramische Form 81 in der Art einer Formschale bilden. Verfahrensgemäß ist dabei vorgesehen, dass eine positionierende Verbindung 82 der keramischen Form 81 mit den beiden Anbindungsstelle 13 am Kernelement 1 1 hergestellt wird, sodass der verlorene Kern 12 fest mit der keramischen Form 81 verbunden ist. Hierzu ragt der verlorene Kern 12 mit den Anbindungsstellen 13 aus dem verlorenen Modell 21 heraus. An diesen Überständen kann der Modellformkern 2 bei der Herstellung der keramischen Form 81 gehalten werden, wobei die Anbindungsstellen 13 freigehalten werden sollten.

Optional kann vor dem Aufbringen der keramischen Form 81 ein Anbringen von Anguss- und/oder Entlüftungsstrukturteilen an dem verlorenen Modell 21 erfolgen. Diese werden dann vorzugsweise beim Aufbringen der keramischen Form 81 mit dieser verbunden.

Erkennbar wurde mit Hilfe des Angussmodells 23 auch ein Anguss 83 ausgebildet, der Teil der keramischen Form 81 ist. Jetzt kann das verlorene Modell 21 aus der keramischen Form 81 entfernt werden, beispielsweise durch Ausschmelzen, wobei der geschmolzene Modellwerkstoff durch den Anguss 83 ablaufen kann. Hierzu kann die Anordnung nach Fig. 7 beispielsweise einem

Dampfautoklav zugeführt werden, um das verlorene Modell 21 zu entfernen. Es verbleibt als Feingussform 80 die keramische Form 81 mit dem darin angeordneten verlorenen Kern 12.

Soweit die Feingussform 80 noch nicht hinreichend stabil für die anschließenden

Verfahrensschritte ist, kann diese zunächst gebrannt werden.

Sobald die Feingussform 80 fertiggestellt ist, kann der Gießprozess vorbereitet und

durchgeführt werden. Die Vorbereitung umfasst meist einen Arbeitsortwechsel und das

Positionieren in einer Gießvorrichtung. Optional wird die Feingussform 80 vor dem Gießen vorgewärmt. Verfahrensgemäß schließt sich dann ein Gießen von Metallschmelze durch den Anguss 83 in die keramische Form 81 sowie um den verlorenen Kern 12 an. Die

Metallschmelze kann beispielsweise eine Titan-, Nickel- oder Kobalt-Basis-Legierung sein.

Nach dem Erstarren der Metallschmelze zu einem festen Bauteil 102 (siehe Fig. 8) können die keramische Form 81 und der verlorene Kern 12 von dem festen Bauteil 102 entfernt werden, insbesondere zerstörend. Die keramische Form wird typischerweise aufgebrochen und/oder aufgefräst. Der verlorene Kern 12 lässt sich beispielsweise durch chemische Reaktionen, zum Beispiel wassergelöst oder anderweitig gelöst, auflösen und läuft dann aus den verbleibenden Hohlraumstrukturen 101 im festen Bauteil 102 heraus.

Übrig bleibt ein Gussteil 100 wie es in Fig. 8 gezeigt wird, das ein festes Bauteil 101 sowie eine Hohlraumstruktur 102 in dem festen Bauteil 101 aufweist. Verfahrensgemäß ist das verlorene Modell 21 also ein Positivmodell des Gussteils 100 und der verlorene Kern 12 ein Modell der Hohlraumstruktur 101.

Die in den Herstellverfahren zu erzeugenden Geometrien, insbesondere des verlorenen Kerns 12 und des verlorenen Modells 21 , basieren auf den Geometriedaten des späteren Gussteils 100. Durch Verwendung eines 3D-Modells digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils 100 lassen sich die zu erzeugenden Geometrien bestimmen. Soweit notwendig, werden die zu erzeugenden Geometrien gegenüber den digitalen Geometriekoordinaten des Gussteils 100 angepasst. Hierdurch lassen sich Schrumpf, Bauteilspannungen und ähnliches berücksichtigen, um final ein physisches Gussteil 100 zu erhalten, dessen Form dem 3D-Modell digitaler Geometriekoordinaten des Gussteils 100 entspricht. Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. In einer abweichenden Variante ist es beispielsweise möglich, einen Stabilisierungsrahmen 15 mit Stützpunkten 16 über den Verfahrensstand nach Fig. 2 beizubehalten. Der

Stabilisierungsrahmen 15 kann dann den verlorenen Kern 12 auch bei der Herstellung des Modellrohlings 20 und optional auch bei der Herstellung des verlorenen Modells 21 stützen. Dabei kann der Stabilisierungsrahmen 15 zumindest teilweise in dem Modellrohling 20 angeordnet sein. Er kann aber auch zumindest teilweise außerhalb des Modellrohlings 20 liegen. Allerdings sollte der Stabilisierungsrahmen 15 außerhalb des verlorenen Modells 21 angeordnet sein. Stützpunkte 16 des Stabilisierungsrahmens 15 können dann durch das verlorene Modell 21 bis an den verlorenen Kern 12 heranragen. Hierdurch werden auch labil ausgestaltete verlorenen Kerne 12 während der weiteren Verfahrensschritte stabilisiert.

Die Alternative, einen vollständig oder partiell kleineren Modellrohling 20 durch ein

materialauftragendes Verfahren wie 3D-Druck zu der Außenkontur 22 des verlorenen Modells 21 zu ergänzen, wurde bereits erwähnt. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden

Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Bezu gszei chen l iste Modellformkernrohling 32 zweite Formhälfte

Modellformkern 33 Positionierungsfläche

34 Modellanguss

Keramikrohling 35 Werkzeughohlraum Kernelement

verlorener Kern 50 Bearbeitungshalter Anbindungsstelle 51 Fixierung

Stabilisierungsrahmen 52 Koppelstück

Stützpunkt 53 Bearbeitungsbrücke Modellrohling 80 Feingussform

verlorenes Modell 81 keramische Form

Außenkontur 82 positionierende Verbindung Angussmodell 83 Anguss

Angusspunkt

100 Gussteil

Modellformwerkzeug 101 Hohlraumstruktur erste Formhälfte 102 festes Bauteil