Beschreibung

Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von insbesondere aus Titanaluminid bestehenden Bauteilen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich einerseits auf ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von insbesondere aus Titanaluminid bestehenden Bauteilen, in dem eine Schmelze des Materials, aus dem die Bauteile bestehen sollen, in die Bauteile negativ abbildenden Formschalen eingebracht werden und diese nach dem Erstarren der Schmelze entfernt werden. Typische Bauteile, die nach einem solchen Verfahren hergestellt werden, sind zum Beispiel Turbinenschaufeln oder Räder für Turbolader.

Im Prinzip wird dabei wie folgt vorgegangen. Eine möglichst große Anzahl von Formschalen wird zu einem Baum zusammengefasst, indem zunächst eine Positivform aus Wachs hergestellt wird, die sowohl die einzelnen Bauteile als auch die Zuführungskanäle abbildet. Die Negativform dient zur Erzeugung einer Multiformschale aus Keramik, die über einen zentralen Einlassstutzen verfügt und mit der eine der Anzahl von Einzelformschalen in der Multiformschale entsprechende Anzahl an Bauteilen in einem Guss erzeugt werden können. Zum Füllen dieser Multiformschale wird eine größere Menge Material erschmolzen und in die Multiformschale eingebracht.

Dieser Vorgang ist sehr zeitaufwändig und personalintensiv, da die Negativform in Handarbeit geschaffen werden muss . Des Weiteren wird eine große Menge an Keramik für die Herstellung der Multiformschale benötigt, da diese nicht nur die einzelnen Bauteile, sondern auch die Zuführung abbilden muss. Auch wird mehr Gussmaterial zum

Füllen der Multiformschale benötigt als für die Bauteile selbst gebraucht wird, da ein Teil des Gusstnaterials auch, die Zuführungen ausfüllt. Dieser Anteil ist verloren, was insbesondere bei teuren Materialien wie TiAl zu einer entsprechenden Verteuerung der Bauteile führt .

Des Weiteren ist eine solche Vorgehensweise nicht für alle Materialien geeignet, da bestimmte Materialien schon auf ihrem Weg durch die Kanäle zu den Einzelformschalen teilweise erstarren. Dies gilt insbesondere für sogenannte intermetallische Verbindungen, wie zum Beispiel Titanaluminid, wobei dieses Material aber gerade für die oben erwähnten Bauteile bevorzugt wird, da es sehr hitzebeständig, stabil und trotzdem besonders leicht ist.

Die Erfindung beruht daher auf der Aufgabe, ein Gießverfahren darzustellen, das vor allem zum Herstellen von Bauteilen aus intermetallischen Verbindungen geeignet ist und das darüber hinaus unabhängig von dem jeweils verwendeten Material eine kostengünstige Massenfertigung von Bauteilen ermöglicht.

Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung vor, dass die Formschalen einzeln einer Gießapparatur in einem vorgegebenen Arbeitstakt zugeführt werden und dass die Schmelzen in jeweils der Menge, die zum Füllen einer Formschale benötigt wird, aus einer einem Ingot entsprechenden Größe in demselben Arbeitstakt aktuell erzeugt werden.

Die Erfindung löst sich somit von dem Konzept des gleichzeitigen Gusses einer Vielzahl von Bauteilen und geht über zu einem Einzelstück-Linienkonzept, in dem die Formschalen taktweise ausgegossen werden, wobei die jeweils benötigte Schmelzenmenge aktuell bereit gestellt wird.

Bei diesem Konzept kann die Schmelze auf einem kurzen Weg in die Formschale gelangen, so dass Teilerstarrungen auf dem Weg zur Formschale gar nicht erst auftreten können. Die Ausschussraten werden dadurch erheblich verringert.

Da die Bauteile erfindungsgemäß im Takt hergestellt werden, lassen sich auch Qualitätskontrollen an den einzelnen Bauteilen taktweise erledigen und gegebenenfalls automatisieren, so dass der Prozess insgesamt besser handhabbar und kontrollierbar ist.

Da die Formschalen jeweils nur das Bauteil darstellen müssen, nicht aber die Zuführungskanäle zu der Formschale, ist der Verbrauch an Keramik bzw. des Gussmateri- als deutlich verringert, so dass auch hier eine Verringerung der Stückzahl-Kosten zu erwarten ist.

Die avisierte Taktzeit der Anlage soll ca. 1 Minute pro Bauteil oder weniger betragen. Dies wird erfindungsgemäß möglich, weil:

1. Die Bauteile einzeln gegossen und bearbeitet werden;

2. die jeweils benötigte Materialmenge dem Bauteilvolumen entspricht und somit kurze Schmelzzeiten realisiert werden;

3. eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens kompakt gebaut werden kann und somit die Schmelze auf kurzem Wege in die Formschale gelangt;

4. der Abguss und die Erstarrung rasch erfolgt, so dass es nur zu geringen Reaktionen des Gussmaterials (insbesondere TiAl) mit der Keramik der Formschale kommt ; und

5. die Kammern der Anlage kleine Volumina aufweisen und damit

6. bei einem Abguss unter Vakuum kleine Evakuierungszei- ten realisiert werden.

Da, wie erläutert, die jeweilige Schmelzenmenge aktuell bereitgestellt wird, sieht die Erfindung vorzugsweise vor, dass die Tiegel nur eine entsprechende Größe haben. Solche Tiegel, die aus wenig Tiegelmaterial bestehen, können schnell aufgeheizt werden, so dass auch hier keine unnötige Energieverschwendung auftritt. Vorzugsweise werden die Tiegel nur einmal verwendet, so dass gegebenenfalls auftretende Verschmutzungen nicht an die nächste Schmelze weitergegeben werden.

Gerade bei den intermetallischen Verbindungen kommt es darauf an, dass der Abgussvorgang relativ rasch erfolgt . Die Erfindung sieht daher vor, dass die Schmelze nicht in einem Strahl abgegossen wird, sondern in die Formschale gestürzt wird. Dazu wird die Formschale kopfüber auf den Rand des mit der Schmelze gefüllten Tiegels gesetzt, so dass Tiegel und Formschale einen gemeinsamen Hohlraum einschließen, und dass danach die Anordnung von Tiegel und Formschale um eine horizontale Achse um mehr als 90°, vorzugsweise um 180°, gedreht werden.

Wird die Drehbewegung rasch durchgeführt, so stürzt bzw. fällt das geschmolzene Material in die Formschale, wobei die Schmelze unter ihrem eigenen Gewicht und der aufgenommenen Fallenergie mit Wucht in die Formschale gelangt und auch kleinste Ausformungen in der Formschale sauber ausfüllt .

Da für das Stürzen nur eine verschwindend kurze Zeit benötigt wird, setzt eine Erstarrung erst dann ein, wenn sich das Material vollständig in der Formschale befindet.

Die Formschalen können als verlorene Formschalen ausgeführt werden, die taktweise der Gießapparatur leer zugeführt und gefüllt wieder entnommen werden. Solche Form-

schalen bestehen, wie zuvor schon erwähnt, vorzugsweise aus einer Keramik.

Es kann aber auch daran gedacht werden, die Formschalen als zweiteilige Permanentformen auszuführen. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn die Erstarrung relativ rasch, quasi im vorgegebenen Takt der Gießapparatur erfolgt. In diesem Fall braucht nach dem Erstarren die Permanentform lediglich geöffnet werden, so dass das erstarrte Bauteil herausfällt. Sollte die Erstarrung länger dauern als ein möglicher Arbeitstakt, können auch zwei oder drei Permanentformen abwechselnd in Gebrauch gestellt werden.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zum Durchführen des zuvor beschriebenen Verfahrens . Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Gusskammer besteht, in der taktweise ein Tiegel mit geschmolzenem Material und eine Formschale bereitgestellt werden, die weiterhin eine Gusseinrichtung besitzt, um Tiegel und Formschale derart miteinander zu verbinden, dass die Formschale gestürzt auf dem Tiegelrand aufsitzt, und die in der Lage ist, den Tiegel zusammen mit der Formschale um eine horizontale Achse um mehr als 90°, vorzugsweise um 180°, zu kippen.

In der Gusskammer werden somit mit Hilfe der Gusseinrichtung Tiegel und Formschale miteinander "verheiratet", sodann gestürzt, so dass die Schmelze in die Formschale gelangt, und anschließend wieder voneinander getrennt. Entscheidend ist, dass der Vorgang taktweise erfolgt, so dass eine Vielzahl von Bauteilen in einem immer gleichen Prozess erzeugt werden kann. Da der Prozess selbst sehr einfach ist und auf relativ einfache Weise funktioniert, sind Störungen im Ablauf nicht zu erwarten.

Damit das Gussmaterial nur für eine relativ kurze Zeit in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird, sieht die Erfindung vor, dass der Gusskammer eine Schmelzkammer unmittelbar vorgeschaltet wird, in die ein mit jeweils einem Ingot versehener Tiegel taktweise eingeführt und einer Schmelzenergie ausgesetzt wird, die den Ingot zum Schmelzen bringt. Sobald das Material in geschmolzener Form vorliegt, wird der Tiegel von der Schmelzkammer in die Gusskammer überführt und kann auf der zuvor beschriebenen Weise mit der Formschale verbunden werden. Zum Schmelzen des Ingots wird vorzugsweise eine Induktions- heizung vorgesehen, die in der Schmelzkammer vorgesehen ist und in der die Tiegel taktweise eintauchen.

Wie schon erwähnt, kann es sich bei den Formschalen um verlorene Formen handeln. In diesem Fall besitzt die Gusskammer eine Zuführeinrichtung, mittels der die Formschalen taktweise zugeführt werden. Alternativ hierzu können in der Gusskammer auch ein oder mehrere zweiteilige Permanentformschalen vorgesehen werden.

Um Verunreinigungen der Schmelze zu verhindern, kann die Gusskammer als Vakuumkammer ausgelegt sein, die in diesem Fall mit entsprechenden Schleusen versehen ist.

Um Erstarrungen des Materials vor dem Stürzen zu vermeiden, kann die Gusseinrichtung mit einer Heizeinrichtung versehen sein, mit der Tiegel und/oder Formschale bis zum Guss beheizt werden.

Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Anlage, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann;

Fig. 2 die Verbindung des Tiegels mit einer Formschale in einem Halter.

Zunächst wird auf die Figur 1 Bezug genommen.

Das Zentrum der Anlage wird von einer Gusskammer 1 gebildet, die gegebenenfalls über einen Vakuumanschluss 2 verfügt, so dass der äbguss unter Vakuum erfolgt. In einer Richtung wird diese Gusskammer 1 taktweise von Formschalen 3 durchlaufen, die auf der einen Seite der Gusskammer 1 über eine Schleuse 4 zugeführt und auf der anderen Seite über eine weitere Schleuse 5 ausgeschleust werden. Quer dazu werden Tiegel 6 durch die Gusskammer 1 hindurch geführt, wobei die mit einem Ingot gefüllten Tiegel 6 über eine dritte Schleuse 7, die gleichzeitig als Schmelzkammer dient, der Gusskammer 1 zugeführt und über eine vierte Schleuse 9 der Gusskammer 1 entleert entnommen werden. Auch die erste Schleuse 4 für Formschalen kann als Heizkammer ausgeführt werden, um die Formschalen vorzuwärmen.

Das Einschmelzen des Materials in der Schmelzkammer 7 erfolgt vorzugsweise mittels einer Induktionsheizung, die hier nicht näher dargestellt ist, die aber zum Stand der Technik gehört und dem Fachmann allgemein bekannt ist. Formschalen 3 und Tiegel 6 werden auf Förderstrecken transportiert, die jeweils taktweise arbeiten.

In der Gusskammer 1 werden jeweils ein Tiegel 6 und eine Formschale 3 in der in Figur 2 gezeigten Weise zusammen gebracht. Dazu sind hier nicht näher gezeigte Roboter bzw. Handhabungsgeräte vorhanden, die die Formschale 3 gestürzt auf einem Tiegel 6 aufsetzen, so dass sich ein gemeinsamer Hohlraum 10 bildet. In dem Tiegel 6 befindet sich die Schmelze 11, die gerade ausreicht, die Form-

schale 3 zu füllen. Die Formschale 3 ist dabei gerade so groß, um das Bauteil abzubilden. Ein Zuführungskanal 12 wird so kurz wie möglich gehalten.

An der Formschale 3 befindet sich lediglich ein Absatz 13 mit einer Stufe 14, der gerade über den Rand des Tiegels 6 greift. Falls notwendig, können Klammern vorgesehen werden, um Tiegel 6 und Formschale 3 fest zusammenzuhalten. Geeignet hierfür ist zum Beispiel ein Rahmen 15, der in der Figur 2 schematisch angedeutet ist und der über Nasen 16, 17 verfügt, die einerseits am Kopf der Formschale 3 bzw. am Boden des Tiegels 6 abgestützt sind.

Der Rahmen 15 ist gegebenenfalls mit Heizspiralen 18 versehen, die sowohl um den Tiegel 6 als auch um die Formschale 3 herum angeordnet sind und die Anordnung auf einer geeigneten Gusstemperatur halten sollen.

Zum Befüllen der Formschale 3 wird der Rahmen 15 um eine horizontale Achse 20 gedreht, die zum Beispiel durch die Verbindung zwischen Formschale 3 und Tiegel 6 verläuft . Nach einer raschen Drehung um 180° befindet sich die Formschale 3 unterhalb des Tiegels 6, so dass die Schmelze 11 in die Formschale 3 hineinstürzt.

Danach trennt die Handhabungsvorrichtung den geleerten Tiegel 6 und die gefüllte Formschale 3 und transportiert diese durch die zweite bzw. vierte Schleuse 5, 8 aus der Gusskammer 1 heraus, so dass im nächsten Takt eine neue Formschale 3 und ein neuer Tiegel 6 in die Gusskammer 1 zum Ausgießen der Formschale eingebracht werden können.

Alternativ zu der Verwendung einer verlorenen Formschale kann auch eine Permanentformschale verwandt werden, die vorzugsweise zweiteilig ist. In diesem Fall befindet sich am Boden der Gusskammer 1 eine mit einer Schleuse verse-

hene öffnung, durch die das erstarrte Bauteil nach dem öffnen der Formschale 3 hindurchfallen kann.

Bezugszeichenliste

Gusskammer

Vakuumverscϊiluss

Formschale

Zuführungsschleuse

Schleuse

Tiegel

Schmelzkammer

Schleuse

Schleuse

Hohlraum

Schmelze

Zuführungskana1

Absatz

Stufe

Rahmen

Nase

Heizspirale

Achse