Die Erfindung betrifft eine Formzusammensetzung umfassend zumindest eine Zuckerkomponente, eine Form für ein Formverfahren aus dieser Formzusammensetzung, sowie ein Verfahren zum Formen eines Werkstücks mit einer Form.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Formen, insbesondere verlorene Formen, werden beim Formen von Werkstücken in verschiedenen Formverfahren eingesetzt, beispielsweise in der Herstellung von metallischen, keramischen oder polymeren Werkstücken durch Press-, Spritzpress-, Guss-, Spritzguss, Pulverspritzguss- oder bei Faserverbund-Werkstücken durch Laminier-Verfahren. Dabei ist die Form typischerweise ein Negativ zumindest eines Teils der dreidimensionalen Ausgestaltung eines Werkstücks.

Der Begriff„Form“ wie hierin verwendet bezeichnet ein Modell, insbesondere eine verlorene Form, einen verlorener Formkern oder eine Stützstruktur.

Komplex geformte metallische, keramische oder polymere Werkstücke - z.B. mit Hohlräumen oder sog. Hinterschneidungen - lassen sich durch Pressverfahren oder Gussverfahren meist nicht mit entformbaren bzw. ausbaubaren Werkzeugen realisieren, weil innenliegende oder hinterschnittene Formteile aus mechanischen Gründen am Ende des Formprozesses nicht entfernt werden können. Um solche Werkstücke hersteilen zu können, werden in der Technik sogenannte verlorene Formen bzw. verlorene Formkerne verwendet, welche durch Auflösen in Wasser oder anderen Flüssigkeiten, durch Ausschmelzen oder durch thermische Zersetzung bzw. Verbrennen unter Bildung flüssiger, gasförmiger oder rieselfähiger, pulverförmiger Zersetzungsprodukte entfernt werden können. In anderen Fällen ist ein ausbaubares Werkzeug zwar technisch möglich aber im Vergleich zu einer verlorenen Form nicht wirtschaftlich.

1. Schmelzkern-Spritzguss (lost core injection molding)

Im Spritzgussverfahren werden vor allem Kunststoffe (Polymere) verarbeitet: Meist thermoplastische aber auch duroplastische oder elastomere Kunststoff-Pulver, Granulate oder Pasten werden in einem beheizten Zylinder mit Kolben oder rotierender Schnecke (Extruder) bis zur Plastifizierung auf 150 - 300 °C erhitzt, komprimiert und dann bei Drücken von 500 - 2000 bar in einen formgebenden, wassergekühlten, meist stählernen, zweiteiligen Hohlraum gespritzt. Nach dem Abkühlen und Aushärten oder Vulkanisieren kann das Werkstück durch Öffnen des Hohlraums entnommen werden. Um Werkstücke mit Hohlräumen oder Hinterschneidungen erzeugen zu können, kommen auch hier verlorene Formen bzw. Formkerne zum Einsatz: Diese Kerne werden einerseits aus niederschmelzenden Metalllegierungen (Schmelzlegierungen) wie z.B. Woodsches Metall oder Roses Metall durch Guss hergestellt, welche durch Ausschmelzen aus dem Spritzguss entfernt werden oder bestehen z.B. aus wasserlöslichen Polyacryl at-Polymeren, welche ihrerseits durch Spritzguss erzeugt wurden. Der Schmelzkern-Spritzguss kann auch zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Werkstücken herangezogen werden, siehe z.B. die EP 1 711 334 A2. Beim Ausschmelzen von Schmelzlegierungen muss darauf geachtet werden, dass der metallische Formkern bei der gewählten Spritzgusstemperatur lange genug stabil und bildsam ist und dass später das Kunststoff-Werkstück bei der notwendigen Ausschmelztemperatur nicht thermisch in Mitleidenschaft gezogen wird (Michaeli, W.; Greif, H.; Kretzschmar, G.; Ehrig, F., Technologie des Spritzgießens, 3. Aufl.; Hanser: München, 2009).

2. Pulverspritzguss (powder injection molding)

Eine Weiterentwicklung des weiter oben beschriebenen Spritzgussverfahrens für Kunststoffe ist der sog. Pulverspritzguss, welcher für sinterbare Pulver wie metallische Pulver (typischerweise gesinterte Eisen- und Nichteisenmetalle, Hartmetalle, Verbundwerkstoffe aus Metall) auch metal injection molding genannt, keramische Pulver (typischerweise Keramik (Cermets), Oxidkeramiken, Nitridkeramiken, Carbidkeramiken und Funktionskeramiken) auch ceramic injection mol ding genannt und spezielle polymere Pulver wie z.B. Teflon Anwendung findet. Dabei kommen Spritzgussmassen bestehend aus metallischen, keramischen oder polymeren Partikeln (oder Gemischen solcher Partikel), Hilfsstoffen wie z.B. Schmierstoffen und (organischen) Bindern zum Einsatz. Nach dem Spritzguss wird der sog. Grünling durch Auflösen des Binders in Wasser oder geeigneten Lösungsmitteln oder durch thermische Behandlung größtenteils entfernt. Der so entstandene, nahezu Binder-freie Bräunling wird abschließend in einem materialspezifischen, thermischen Prozess zum fertigen Werkstück gesintert. In einer Abwandlung dieses Verfahrens können spezielle Binder auch gezielt im Grünling verbleiben, um die Eigenschaften des Werkstückes zu modifizieren. Mittels Pulverspritzguss lassen sich auch Verbundwerkstoffe, z.B. Faserverbundwerkstoffe hersteilen. Analog zum zugrundeliegenden normalen Spritzguss - wie weiter oben beschrieben - können auch im Pulverspritzguss verlorene Formen bzw. Formkerne zum Einsatz kommen, um Werkstücke mit Hohlräumen und Hinterschneidungen produzieren zu können („Powder injection molding“; Volker Piotter et al., Wiley Encyclopedia of Composites, 2nd Edition (2012), 4, 2354-2367;„Recent Advances in CIM Technology“; B. S. Zlatkov et al., Science of Sintering, 40, 2008, 185-195). 3. Pressen

Sinterbare metallische, keramische oder polymere Pulver, z.B. wie in 2. Pulver Spritzguss beschrieben, können auch durch diskontinuierliche Pressverfahren zu Werkstücken verarbeitet werden, wobei auch Verbundwerkstoffe, z.B. Faserverbundwerkstoffe hergestellt werden können. Dazu werden analog Pressmassen bestehend aus keramischen, metallischen oder polymeren Partikeln, Hilfsstoffen wie z.B. Schmierstoffen und (organischen) Bindern erzeugt, welche in Pressformen (Pressmatritzen) aus verschleißfestem Stahl oder Hartmetallen eingebracht werden. Die Pressmassen können trocken (Trockenpressen) oder nass (Nasspressen), kalt (Kaltpressen), warm (Warmpressen) oder heiß (Drucksintem) verarbeitet werden. Durch Rütteln (Vibrationsverdichten) kann eine gleichmäßige Verteilung - besonders wichtig bei komplexen Formen - und erste Verdichtung der Pressmasse erzielt werden. Durch einen Pressstempel (uniaxiales Pressen) oder mehrere Pressstempel (koaxiales Pressen) wird bei Drücken von einigen 100 bar bis zu 10.000 bar aus der Pressmasse ein Grünling erzeugt. Im Gegensatz zu Flüssigkeiten breitet sich der Druck dabei nicht gleichmäßig in alle Richtungen aus und der laterale Materialfluss ist gering; die resultierende Verdichtung des Grünlings nimmt dabei durch innere Reibungskräfte und Reibung mit der Pressform mit zunehmendem Abstand von dem oder den Pressstempel(n) ab.

Um diesen Nachteil zu umgehen, kommt zunehmend auch das sog. isostatische Pressen zur Anwendung: Dabei wird die zu pressende Formmasse - meist trocken und pulverförmig - in eine verschließbare elastische Form (z.B. aus Polyurethan, Silikon oder Gummi) eingebracht und meist durch Rütteln (Vibrationsverdichten) vorverdichtet. Die Form wird nun in den mit Flüssigkeit (meist Wasser, Öl, oder Öl-Wasser-Mischungen), seltener Gas gefüllten sog. Rezipienten (ein druckfestes, verschließbares Gefäß) eingebracht, welcher verschlossen wird. Durch Erhöhung des Drucks im Rezipienten mittels Hydrauliksystem (Kompressoren bei Gas) auf einige 100 bis einige 1.000 bar wird dann die Form aufgrund der in der Flüssigkeit oder dem Gas gleichmäßigen Druckverteilung von allen Seiten isostatisch gepresst, sodass die Verdichtung nicht axial stattfindet, sondern von außen nach innen. Weiters legen die zu verdichtenden Partikel beim isostatischen Pressen einen wesentlich kürzeren Weg zurück, als bei axialen Pressmethoden. Dies hat zur Folge, dass der entstehende Grünling seine höchste Verdichtung und somit nach dem Sintern auch höchste Festigkeit an der Oberfläche hat, wo sie beim fertigen Werkstück auch gebraucht wird, wobei die Dichteverteilung und daraus resultierende Festigkeitsverteilung einen wesentlich geringeren Gradienten aufweist als bei axialen Pressverfahren. Das isostatische Pressen erfolgt meist kalt (kaltisostatisches Pressen), kann aber bei Verwendung von Gasen als Druckmedium wie z.B. Argon und elastischen Formen aus Metallcontainem (sog. Kapseln) auch heiß (heißisostatisches Pressen) ausgeführt werden, wobei im letzteren Fall auch bereits ein Drucksintern möglich ist. Nach dem isostatischen Pressvorgang wird der Überdruck des Druckmediums abgelassen und der Grünling aus der elastischen Form entnommen. Die weitere Behandlung zum gesinterten Endprodukt erfolgt analog zu 2. Pulverspritzguss, wobei auch hier Binder durch nachfolgende Prozessschritte entfernt werden oder gezielt im Grünling verbleiben können.

Analog zu den weiter oben beschrieben Verfahren, können auch beim uniaxialen, koaxialen oder isostatischen Pressen verlorene Formen bzw. Formkerne aus wasserlöslichen, ausschmelzbaren oder ausbrennbaren Substanzen zum Einsatz kommen, um Werkstücke mit Hohlräumen und Hinterschneidungen produzieren zu können. Je nach den Erfordernissen des Pressverfahrens (Druck, Temperatur), den verwendeten Sintermaterialien, der Form des Werkstückes usw. kommen auch hier Formkerne aus z.B. niederschmelzenden Metallen, Salzen, Wachsen, geschäumten oder kompakten Kunststoffen oder anderen disintegrierbaren Materialien zur Anwendung („Einführung in die Pulvermetallurgie; Verfahren und Produkte“; 6. Auflage, 2010; Broschüre der European Powder Metallurgy Association (EPMA), SY2 6LG Shrewsbury, United Kingdom; erhältlich bei Fachverband Pulvermetallurgie e.V., 58093 Hagen, Deutschland; www.pulvermetallurgie.com).

4. Feinguss (Investment Casting)

Beim Feingussverfahren werden verlorene Modelle des Werkstücks aus speziellen ausschmelzbaren oder wasserlöslichen Wachsen (z.B. auf Polyethylenglycol- oder Polyacrylat-Basis) oder ausbrennbaren thermoplastischen Kunststoffen (z.B. aus geschäumtem Polyurethan oder Polystyrol) z.B. in Spritzgusstechnik mit Aluminium- oder Stahlwerkzeugen erzeugt. Um Hohlräume oder Hinterschneidungen zu erzeugen, kann ein solches Modell zusätzlich mit wasserlöslichen, ausschmelzbaren oder ausbrennbaren verlorenen Kernen versehen werden. Das Modell wird dann in sog. Schlicker getaucht, eine keramische Masse zur Herstellung einer Formschale, bestehend aus einem feuerfesten, feinen Pulver und einem Bindemittel, z.B. Ethylsilikat. Das mit Schlicker benetzte Modell wird dann mit Sand berieselt und getrocknet. Das Tauchen und Besanden wird so oft wiederholt, bis die feuerfeste Formschale die benötigte Stabilität erreicht hat. Wasserlösliche Kerne werden nun im Wasserbad herausgelöst, ausschmelzbare Kerne durch thermische Behandlung z.B. mit Wasserdampf entfernt. Die Formschalen werden nun bei ca. 750 - 1200 °C gebrannt, wobei ausbrennbare Kerne oder Kemrückstände restlos entfernt werden. Danach erfolgt der eigentliche Metallguss (z.B. Stähle und Legierungen auf Eisen-, Aluminium-, Nickel-, Kobalt-, Titan-, Kupfer-, Magnesium- oder Zirkoniumbasis) in die keramische Formschale und das nachbearbeiten des erkalteten Werkstücks. Die so erhaltenen Gussstücke zeichnen sich durch Detailstärke, Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität aus. Der Feinguss bedient eher Nischenmärkte im Hochleistungssegment mit kleineren Stückzahlen („Feinguss: Herstellung, Eigenschaften, Anwendung“; Broschüre Bundesverband der Deutschen Gießerei-Industrie, 2015, www.kug.bdguss.de; Giessereilexikon. 19. Auflage, Stephan Hasse, 2007; Verlag Schiele und Schön, ISBN 978-3794907533).

5. Laminieren von Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen

Moderne Faser-Kunststoff- Verbundwerkstoffe bestehen aus einer Matrix (z.B. aus Duroplasten wie z.B. Kunstharzen, seltener aus Thermoplasten) und mehreren übereinander gelegten Schichten aus Faser-Geweben, Gelegen, Gestricken, Matten, Fliesen etc. mit unterschiedlichen Hauptfaserrichtungen. Es kommen dabei besonders reißfeste Fasern zum Einsatz wie z.B. Glasfasern, Carbonfasern (Kohlenstofffasern), Keramikfasem, Polyaramidfasern, Stahlfasern, Polyamidfasern, Polyesterfasern, Cellulosefasern usw. Bei der Hand-Laminiertechnik werden die Fasern auf einen Formkörper aufgelegt und mit der noch nicht ausgehärteten / verfestigten Matrix getränkt. Durch Anpressen mit einer Rolle wird die Schicht verdichtet, entlüftet und überschüssige Matrix entfernt. Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, bis die gewünschte Material stärke erreicht ist. Danach wird das Werkstück thermisch bei Normaldruck oder im Vakuum ausgehärtet, bis das Matrixmaterial ausgehärtet ist. Andere automatisierbare Laminierverfahren sind Resin Transfer Molding (RTM), Hochdruck-Resin Transfer Mol ding (HD-RTM) und Structural Reaction Injection Molding (SRIM).

Auch hier kommen bei komplexen Werkstück-Geometrien mit Hohlräumen und Hinter schnei düngen verlorene Formen zum Einsatz. Ein Beispiel dafür sind CFK- Mountainbike-Lenker, welche nach dem Verfahren des CAVUS-Projekts (siehe http://www.polyurethanes.basf.de/pu/solutions/de/content/gro up/innovation/concepts/Cavus und http://www.ktm-technologies.com/projekte/cavus) produziert werden: Hier werden verlorene Formen und Formkerne aus Sand-Binder-Gemischen eingesetzt, um die extrem leichten aber hochfesten, komplex geformten und innen hohlen Mountainbike-Lenker erzeugen zu können. Dabei wird der verlorene Formkern mit einem Carbonfaser- Strickschlauch überzogen und bei 200 bar in einem HD-RTM-Prozess in wenigen Minuten zum fertigen Werkstück verarbeitet. Der verlorene Kern wird dann in einem Wasserbad entfernt, wobei der wasserlösliche Binder aufgelöst wird. Je nach Verfahren (1.-5.) werden verlorene Formen im Stand der Technik also aus Metallen oder Legierungen mit niedrigen Schmelztemperaturen geformt, aus thermoplastischen Kunststoffen oder aus Wachsen. Diese Materialen haben per se oder in ihrer Verarbeitung eine Reihe von Nachteilen:

Niederschmelzende Legierungen wie z.B. Woodsches Metall, Roses Metall usw. sind zwar beschränkt wiederverwendbar, aber aufgrund der enthaltenen Schwermetalle wie Blei und Cadmium giftig. Die relativ hohe Dichte macht das Handling vor allem bei großen Formkern- Volumina wegen des hohen Gewichts schwierig. Moderne, schwermetallfreie Schmelzlegierungen z.B. auf Basis von Indium, Bismut und Zinn sind zwar nicht giftig, liegen aber im Preis deutlich höher in Größenordnungen.

Tabelle 1 : Eigenschaften von niederschmelzenden Metallen und Schmelzlegierungen

Quellen: http://www.matweb.com; Journal of Biomechanical Engineering, 2006, 128, 161; https://www.azom. com/properties. aspx?ArticleID=590;

Properties of Lead-Free Solders, NIST Database Release 4.0, 2002:

https://www.msed.nist.gov/solder/NIST_LeadfireeSolder_v4. pdf Tabelle 1 zeigt mechanische Eigenschaften solcher Schmelzlegierungen und einiger ihrer Legierungsbestandteile. Die reinen Metalle Blei, Zinn und Indium sind als Formkern- Materialien aufgrund ihrer Weichheit i. A. nicht geeignet, reines Indium ist viel zu teuer. Reines Bismut ist deutlich härter und daher für Formkerne geeignet, aber wie bereits erwähnt ebenfalls relativ teuer; es ist weiters relativ spröde und kann verhältnismäßig leicht brechen. Die aufgeführten Schmelzlegierungen zeigen schon relativ gute Härten, sind aber entweder giftig (Legierungsbestandteile Pb, Cd) oder sehr teuer (Legierungsbestandteile In). Bismut- Zinn Legierungen scheinen relativ gut geeignet zu sein (Härte, Zugfestigkeit, Toxizität), liegen aber auch im Preisbereich von 100 - 200 Euro/L. Neben Blei und Cadmium sind auch Indium und Bismut laut der GESTIS Datenbank des Instituts für Arbeitsschutz der Deutschen, Gesetzlichen Unfallversicherungen als „Gefährlicher Abfall nach Abfallverzeichnis- Verordnung (AVV)“ klassifiziert (http://gestis.itrust.de) und erzeugen somit Entsorgungskosten. Wie dem Fachmann bekannt ist, zeigen Schmelzen der genannten Metalllegierungen maximale Viskositäten von wenigen mPa s, was beim Ausschmelzen der verlorenen Formen bzw. Formkerne zusammen mit der hohen Dichte das Abrinnen auch aus Hohlräumen mit engen Querschnitten einfach gestaltet. Dennoch ist zu erwarten, dass metallische Rückstände nicht vermieden werden können, welche bei den erforderlichen mehr oder weniger hohen Temperaturen der verschiedenen Formgebungs- Verfahren in der Verarbeitung zu problematischen Metall- und Metalloxiddämpfen führen können (insbesondere bei Schwermetall-haltigen Legierungen) und auch das Endprodukt belasten.

Im Vergleich zu den vorgenannten Metallen sind verlorene Formen und Formkerne aus z.B. thermoplastischen Kunststoffen um Größenordnungen kostengünstiger, sodass im Gegensatz zu Metallen eine einmalige Verwendung ökonomisch sein kann. Die Dichte von geeigneten Kunstoffen liegt im Bereich von ca. 0,9 bis 1,2 g/cm ³ (siehe Tabelle 2) und somit wesentlich unter der von Metalllegierungen, was das Handling großer Formkerne erleichtert.

Tabelle 2: Eigenschaften (Richtwerte) von ausgewählten Kunststoffen

Quellen: https://www.kern.de/de/richtwerttabelle

Zugfestigkeiten von Kunststoffen liegen tendenziell höher als die von Metalllegierungen, das E-Modul zeigt mit um zwei Zehnerpotenzen geringeren Werten eine deutlich bessere Elastizität an, was bei anisotropen Druckverhältnissen während des Abformens eines Formteils in den vorbeschriebenen Verfahren einerseits zu höherer mechanischer Stabilität des verlorenen Formkerns führt (weniger leichtes Abreißen von Strukturen durch Scherkräfte), andererseits aber zu größeren Abweichungen von der Sollgeometrie des Werkstücks führen kann. Im Gegensatz zu metallischen verlorenen Formkernen ist das bloße Aufschmelzen und Abrinnen zur Entfernung desselben aus dem Werkstück nicht möglich, da die naturgemäß hohen Viskositäten von Kunststoffschmelzen (hohe Molekulargewichte) mit ca. 100 bis einigen 1000 Pa· s um 5 - 6 Zehnerpotenzen über denen von vorbeschriebenen Metallen liegen (Kunststoff-Taschenbuch; Oberbach, Saechtling, 28. Auflage, Hanser München 2001, ISBN 978-3-446-21605-1). Um daher Formkerne aus Kunststoff restlos entfernen zu können müssen diese a.) entweder in einem Lösungsmittel auflösbar sein oder b.) bei hohen Temperaturen vollständig in gasförmige Bestandteile zersetzt (Schutzgas, z.B. beim Sintern von Kohlenstoff-haltigen Keramiken oder Carbiden notwendig; gelingt oft nicht, da Verkohlung stattfindet) oder verbrannt (Luft) werden. Damit das Auflösen von wasserlöslichen Kunststoffen oder anderen Kunststoffen in organischen Lösungsmitteln wirtschaftlich sein kann, muss dieses rasch genug vonstattengehen und die Entsorgungskosten oder Wiederaufbereitungskosten der entstandenen Lösung müssen sich in akzeptablen Grenzen halten. Da auch die Lösungen von Kunststoff-Polymeren hohe Viskositäten besitzen, ist der Auflösevorgang erwartungsgemäß relativ langsam, insbesondere dann, wenn dieser nicht mehr durch mechanisch erzeugte turbulente Strömung oder thermisch erzeugte turbulente Konvektion beschleunigt werden kann. Dies gilt auch wenn das Material beim Auflösen und Auslösen aus dem Hohlraum mehrere Richtungswechsel vollziehen muss. Bei Hohlraum- oder Hinterschneidungs- Strukturen des herzustellenden Werkzeuges, welche z.B. tief innenliegend sind, also eine große Distanz zur Oberfläche oder sehr geringe Querschnitte haben, wird der Auflösevorgang immer mehr diffusionskontrolliert und daher immer langsamer.

Das thermische Zersetzen oder Verbrennen von Kunststoff-Formkernen gelingt nur dann, wenn das Werkstück die dafür notwendige Temperatur, Dauer und Atmosphäre (oxidativ, inert, reduktiv) verträgt. Beim Zersetzungsvorgang selbst entstehen naturgemäß große Mengen an heißen Gasen, welche aus den Hohlräumen oder Hinterschneidungen des Werkstücks frei entweichen können müssen, da ansonsten der entstehende Druck zur Beschädigung oder Zerstörung des Werkstücks führen kann. Durch die hohe Viskosität der vor der thermischen Zersetzung entstehenden Polymerschmelze kann es in engen und/oder verwinkelten oder komplexen, miteinander kommunizierenden Hohlraum- oder Hinterschneidungs-Strukturen des herzustellenden Werkzeuges dann zu Problemen kommen, wenn der Austritt der Gase durch blockierende, noch schmelzflüssige Bereiche erschwert oder verhindert wird.

Prinzipiell besteht bei der thermischen Entfernung der verlorenen Kunststoff-Formkerne die Notwendigkeit der Nachbehandlung der entstehenden Zersetzungsgase, welche meist giftige Komponenten enthalten (z.B. NOx bei Polyurethanen, polyzyklische Aromaten, Monomere, etc.).

Formkerne aus wasserlöslichen Wachsen (z.B. auf Polyethylenglykol basierend) oder wasserunlöslichen Wachsen (z.B. Paraffine) sind aufgrund ihrer Weichheit nur sehr beschränkt bei niedrigen Drücken anwendbar, z.B. im Feinguss.

Es stellt sich also die Aufgabe eine Zusammensetzung bereitzustellen, die die vorbeschriebenen Nachteile überwindet und in verschiedenen Verfahren als verlorene Form eingesetzt werden kann. Das bedeutet, dass aus der Zusammensetzung eine Form hergestellt werden kann, die sowohl gute mechanische Stabilität mit gleichzeitig bester Entfernbarkeit aufweist.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Formzusammensetzung umfassend

- zumindest eine Zuckerkomponente in einem Gewichtsanteil von mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 50 %, besonders bevorzugt mindestens 80 %, bezogen auf das Gewicht der Formzusammensetzung und

- zumindest einen Zuschlagstoff. Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Form für ein Formverfahren, wobei die Form ein kompaktes dreidimensionales Gefüge aus der erfindungsgemäßen Formzusammensetzung ist. Das bedeutet, dass eine erfindungsgemäße Formzusammensetzung als solches (ohne weitere Zusätze) zur Herstellung einer Form eingesetzt werden kann.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Formen eines Werkstücks, umfassend die Schritte

- Bereitstellen zumindest einer Form,

- Kontaktieren der Form mit einem zu formenden Werkstoff,

- Härten des zu formenden Werkstoffs, um das Werkstück zu erlangen,

- Entfernen der Form vom Werkstück,

dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Form eine erfindungsgemäße Form ist, also ein kompaktes dreidimensionales Gefüge aus einer erfindungsgemäßen Formzusammensetzung ist.

Die erfindungsgemäße Formzusammensetzung umfasst als wesentlichen Bestandteil, bevorzugt mengenmäßig als Hauptbestandteil, eine Zuckerkomponente.

Unter der Zuckerkomponente wird ein Mono-, Di- oder Oligosaccharid (Zucker/Saccharide) bzw. ein von einem solchen Saccharid abgeleiteter Zuckeralkohol, ein Hydrat eines Zuckers oder eines Zuckeralkohols oder ein Gemisch davon verstanden. Zucker und Zuckeralkohole sind lange bekannte, äußerst preisgünstige, ungiftige und gut verfügbare Substanzen, welche breite Anwendung im Bereich der Lebensmittelerzeugung als Süßstoffe oder in der Produktion pharmazeutischer Präparate als z.B. tablettierbare Matrizen oder als andere Hilfsstoffe finden („Pharmazeutische Hilfsstoffe“; Schmidt, Lang, 2013, Govi-Verlag Pharmazeutischer Verlag GmbH, Eschborn, ISBN 978-3-7741-1298-8).

Es wurde nun gefunden, dass eine Zusammensetzung umfassend eine Zuckerkomponente als kompaktes dreidimensionales Gefüge bereitgestellt werden kann und als Solches als Form für verschiedene Formverfahren, beispielsweise im erfindungsgemäßen Verfahren zum Formen eines Werkstücks, geeignet ist. Formen aus der erfindungsgemäß Formzusammensetzung haben sich auf Grund der glasartigen Oberfläche, niedrigen Porosität, hohe Festigkeit, geringe Dichte und guten Bildbarkeit als geeignet für die Übertragung einer dreidimensionalen Kontur beim Kontaktieren der Form mit einem zu formenden Werkstoff erwiesen, beispielsweise in der Herstellung von keramischen Werkstücken. Die Formen können insbesondere für die Abbildung von innenliegenden Bereichen, wie Hinterschneidungen und Hohlräumen genutzt werden, da sie durch die Zuckerkomponente leicht ausgeschmolzen, ausgebrannt oder mit hydrophilen Lösungsmitteln wie Wasser lösbar sind. Bevorzugt wird die Form also als verlorene Form eingesetzt. Die Zuckerkomponenten sind außerdem sehr kostengünstig, gut verfügbar, ungiftig und leicht entsorgbar (Gewerbemüll, Kläranlage).

Das Gefüge der Form wird erreicht, wenn die Formzusammensetzung als eine (erkaltete) Schmelze oder ein Komprimat bereitgestellt wird. Die Formzusammensetzung kann in Form gebracht werden, in dem die Zuckerkomponente geschmolzen wird, mit dem Zuschlagstoff gemischt wird (oder anders herum) und die Formzusammensetzung gegossen werden, z.B. durch Guss in entsprechende Silikonformen, um nach Auskühlen mechanisch stabile Formen zu erhalten. Weitere Verfahren die denkbar sind beinhalten den Spritzguss, den 3D-Druck oder auch das direkte Pressen ohne vorheriges Aufschmelzen. Diese Verfahren sind in der Lebensmittelerzeugung (z.B. Hartkaramellen) oder der pharmazeutischen Industrie bekannt.

Die erfmdungsgemäße Formzusammensetzung und die erfindungsgemäß Form umfassen weiters zumindest einen Zuschlagstoff.

Der Zuschlagstoff hat den überraschenden Effekt, dass die Form aus der Formzusammensetzung eine noch höhere mechanische Festigkeit aufweist. Insbesondere die Bruchbildung und Bruchfortsetzung in einem Gefüge aus der Zuckerkomponente konnte durch die Zugabe einer verhältnismäßig geringen Menge eines Zuschlagstoffes reduziert werden, ohne dass Bildbarkeit oder andere vorteilhafte Eigenschaften gegenüber einer Form nur aus einer Zuckerkomponente verschlechtert wurden.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der Begriff Zuckerkomponente ist erfindungsgemäß so zu verstehen, dass er ein Mono-, Di- oder Oligosaccharid (synonym auch Zucker oder Saccharid), ein von einem solchen Saccharid abgeleiteter Zuckeralkohol, ein Hydrat eines solchen Saccharids oder eines Zuckeralkohols oder ein Gemisch davon beschreibt. Diese Verbindungen können als Subgruppe der Kohlenhydrate zusammengefasst werden, die in ihrer generischen Bezeichnung sowohl Saccharide als auch die durch Reduktion der Carbonylgruppe abgeleiteten Zuckeralkohole (Alditole) einschließen (IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nie, J. Jirat, B. Kosata; Updates compiled by A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8. „carbohydrates“; doi: 10.1351/goldbook.C00820). Mit der Vorsilbe oligo werden Verbindungen bezeichnet, die zwischen Dimeren und höheren Polymeren liegen. Typischerweise haben oligomere Strukturen mit 3 bis 10 Wiederholungseinheiten (IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nie, J. Jirat, B. Kosata; Updates compiled by A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8.,„oligo“ doi: 10.1351/goldbook.O04282) und auch hier soll der Begriff Oligosaccharid Kohlenhydrate aus 3 bis 10 Saccharideinheiten umfassen. Die Zuckerkomponente kann also 1-10 Saccharideinheiten haben.

Die Zucker bzw. Zuckeralkohole lassen sich als Verbindung der allgemeinen Formel I

C(n*a) H(n*a*2) +2b-2c 0(n*a)-c (I), worin

n gleich 1 bis 10, bevorzugt 1 oder 2 ist,

a gleich 4, 5 oder 6 ist,

b gleich 0 oder 1 ist, und

c gleich n-1 oder n ist,

beschreiben.

In Monosacchariden oder von Monosacchariden abgeleiteten Zuckeralkohol ist n gleich 1, während in Disacchariden oder von Disacchariden abgeleiteten Zuckeralkoholen n gleich 2 ist. In Oligosaccharide je nach Zahl der Wiederholungseinheiten n gleich 3-10.

Für die jeweiligen Wiederholungseinheiten sind als Varianten vier C-Atomen (Tetrose), mit fünf C-Atomen (Pentose) und mit sechs C-Atomen (Hexose) eingeschlossen, daher kann a gleich 4, 5 oder 6 sein, bevorzugt 4 oder 6, noch mehr bevorzugt 6. Während der Begriff Zuckerkomponente auch hinsichtlich der C-Atomzahl der einzelnen Wiederholungseinheiten gemischte Di- und Oligosaccharide einschließt, ist Formel I nur auf die Zuckerkomponenten anzuwenden, in denen die Wiederholungseinheiten die gleiche Zahl C-Atome aufweisen.

In Di- und Oligossachariden ist/sind durch die Kondensation formal ein oder mehrere Wassermolekül(e) abgespaltet. Für jede Kondensation sind zwei H und ein O weniger in der Summenformel, was in Formel I reflektiert wird, weil in Di- und Oligossachariden n größer 1 ist und sich damit durch c gleich n-1 ein Wert für c größer gleich 1 ergibt. Es folgt der formale Abzug eines FFO-Moleküls pro Kondensation in Formel I. Cy clodextrine sind eine Gruppe der Oligosaccharide mit 6-8 Glucoseeinheiten, die a-1,4- glycosidisch verknüpft sind und einen Ring bilden. Durch die Ringbildung wird ein weiteres Wassermolekül abgespalten. Bei zyklischen Oligosacchariden ist daher c gleich n. a- Cyclodextrin mit 6 Glucoseeinheiten hat die Summenformel C36H60O30, entspricht also Formel I mit n gleich 6, a gleich 6, b gleich 0 und c gleich n gleich 6.

Zuckeralkohole sind von dem jeweiligen Zucker durch Reduktion abgeleitet, was sich formal durch zwei zusätzliche Wasserstoffatome in der Summenformel ausdrückt. Für Zuckeralkohole ist in der Formel I daher b gleich 1, während bei den Zuckern, also Ketosen oder Aldosen, b gleich 0 ist.

Außerdem kann eine Zuckerkomponente ein Hydrat eines Saccharids oder eines Zuckeralkohols bzw. einer Verbindung der allgemeinen Formel I sein. Zucker wie beispielsweise Glucose treten als wasserfreie Formen (Anhydrate) oder als Hydrate auf. Der Begriff“Hydrat” kann dabei sowohl eine Variante bezeichnen, die Kristall wasser enthält, als auch ein organisches Hydrat, bei dem Wasser durch eine Additionsreaktion gebunden ist, wie dies beispielsweise bei Aldosen Vorkommen kann. Bevorzugt sind die wasserfreien Formen der Zuckerkomponenten oder Verbindungen der Formel F

Ebenfalls kann die zumindest eine Zuckerkomponente ein Gemisch aus zumindest zwei Sacchariden oder Zuckeralkoholen sein bzw. Verbindungen der allgemeinen Formel I oder ihren Hydraten.

Isomalt ist eine hydrierte Isomaltulose (Palatinose ^® ), die aus etwa gleichen Teilen 6-O-a-D- Glucopyranosyl-D-glucit (GPS, Isomaltit) und 1-O-a-d-Glucopyranosyl-D-mannitol (GPM) besteht. Es handelt sich hier also um ein bevorzugtes Gemisch aus zwei Zuckeralkoholen, die jeweils von einem Disaccharid abgeleitet sind.

Gemische sind insbesondere dann bevorzugt, wenn das Gemisch im Vergleich zu den einzelnen Zuckerkomponenten einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist, d.h. sogenannte eutektische Gemische.

Ein Mono-, Di-, Oligosaccharid (Saccharid), oder ein von einem solchen Saccharid abgeleiteter Zuckeralkohol bzw. eine Verbindung der allgemeinen Formel I kann typischerweise auf Grund der asymmetrisch-substituierten Kohlenstoffatome in verschiedenen Stereoisomeren (Enantiomeren) vorliegen. Von der allgemeinen Bezeichnung bzw. Formel sind alle denkbaren Enantiomere umfasst, aber die natürlich vorkommenden Enantiomere sind jeweils bevorzugt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest eine Zuckerkomponente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Saccharose, D-Fructose, D-Glucose, D-Trehalose, Cyclodextrine, Erythritol, Isomalt, Lactitol, Maltitol, Mannitol, Xylitol und Gemische aus diesen.

Die zumindest eine Zuckerkomponente hat typischerweise einen Zersetzungstemperaturbereich und/oder einen Schmelzpunkt. Der Begriff Zersetzungstemperaturbereich beschreibt einen Temperaturbereich, bei dem die Zuckerkomponente unter chemischer Zersetzung, wie beispielsweise (starkem) Karamellisieren erweicht. Beim Karamellisieren treten verschiedene Reaktionen auch zwischen den einzelnen Molekülen der Zuckerkomponente auf, wie auch Kondensationen und Polymerisation und Abspaltung kleinerer Moleküle, so dass die ursprüngliche Zuckerkomponente zersetzt wird. Das Endprodukt der thermischen Zersetzung einer Zuckerkomponente ist unter oxidativen Bedingungen CO2 und Wasser, unter reduktiven Bedingungen Kohlenstoff. Praktisch wird oft nicht zwischen Zersetzungstemperaturbereich und Schmelzpunkt unterscheiden und beide Wert in der Literatur oft mit mp, für Englisch melting point, angegeben. Hierin soll als Schmelzpunkt der Temperaturbereich definiert sein, bei dem die Zuckerkomponente ohne Zersetzung vom festen in den flüssigen bzw. gelförmigen Aggregatszustand übergeht. Der Schmelzpunkt, wie hierin benutzt, schließt sowohl den Übergang von einem kristallinen festen Zustand zu einer Flüssigkeit als auch den Übergang von einem glasförmigen festen Zustand zu einer Flüssigkeit (auch als Glasübergangstemperatur bekannt) ein. Am Schmelzpunkt tritt also eine Veränderung der Viskosität der Zuckerkomponente auf. Typischerweise sinkt die Viskosität um zumindest eine Zehnerpotenz, wenn die Zuckerkomponente von einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts erwärmt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die zumindest eine Zuckerkomponente einen Schmelzpunkt und einen Zersetzungstemperaturbereich auf, wobei der Schmelzpunkt unterhalb des Zersetzungstemperaturbereichs liegt.

Viele Zucker in ihrer wasserfreien Form zersetzen sich bereits unterhalb ihres Schmelzpunktes stark und karamellisieren dabei. Saccharose hat einen echten Schmelzpunkt von 185-186 °C, wobei die Zersetzung ab ca. 160 °C eintritt. Auch D-Fructose (mp 106 °C) oder D-Glucose (mp 146 °C) können nicht durch Schmelzen verarbeitet werden und sind daher als Zuckerkomponente nicht bevorzugt. Durch eutektische Mischungen miteinander können die Schmelzpunkte soweit gesenkt werden, dass dieses Problem gelöst werden kann, z.B. Saccharose (30%w) - Glucose (mp 137 °C), Saccharose (30%w) - Fructose (mp 97 °C), Glucose (27%w) - Fructose (mp 93.2 °C) (siehe J. Appl. Chem., 1967, Vol. 17, 125).

D-Trehalose (mp 214 - 216 °C) kann z.B. geschmolzen werden, ohne zu karamellisieren und zersetzt sich erst bei 284 °C; auch die meisten wasserfreien Zuckeralkohole wie z.B. Erythritol (mp 122 °C), Isomalt (mp 145-150 °C), Lactitol (mp 144-146 °C), Maltitol (mp 148-151 °C), Mannitol (mp 165-168 °C, Td 300 °C) oder Xylitol (mp 93-94,5 °C) zeigen weit über ihren Schmelzpunkt hinaus keine thermische Zersetzung und können daher erfmdungsgemäß verarbeitet werden („Pharmazeutische Hilfsstoffe“; Schmidt, Lang, 2013, Govi-Verlag Pharmazeutischer Verlag GmbH, Eschborn, ISBN 978-3-7741-1298-8).

Zu den besonders bevorzugten Zuckerkomponenten gehören daher D-Trehalose, Isomalt, Erythritol, Lactitol, Mannitol und eutektische Gemische aus Saccharose und D-Glucose.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Formzusammensetzung nicht hygroskopisch oder ist erst ab einer relativen Feuchtigkeit der Umgebungsluft von 80 % hygroskopisch.

Die hygroskopischen Eigenschaften der Formzusammensetzung, also ihre Eigenschaft Wasser aus der Umgebung aufzunehmen, wird hauptsächlich durch die Zuckerkomponente bestimmt, kann aber ggf. durch einen Zuschlagstoff beeinflusst werden. Manche Zucker oder Zuckeralkohole sind stark hygroskopisch, d.h. sie nehmen bereits bei einer geringen relativen Feuchtigkeit der Umgebungsluft (rF). Diese Eigenschaft ist meist in der Literatur beschrieben bzw. kann der Fachmann diese mit gängigen Methoden bestimmen.

Für die erfmdungsgemäße Anwendung sind hygroskopische Zuckerkomponente oft weniger geeignet, da mit unkontrollierter Aufnahme von Wasser die Glasübergangstemperatur sinkt (siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Gordon-Taylor-Gleichung; „Critical water activity of disaccharide/maltodextrin blends“; Sillick, Gregson, Carbohydrate Polymers 79 (2010) 1028- 1033) und bei Unterschreitung unter Raumtemperatur der Zucker oder der Zuckeralkohol von einem Glas in einen plastisch verformbaren und gummiartigen Zustand übergeht. Dadurch sind die Eigenschaften eines kompakten dreidimensionalen Gefüges aus einer Formzusammensetzung enthaltend solche Zuckerkomponenten für manche Anwendungen weniger gut geeignet. Wenn die Form eine verhältnismäßig große Oberfläche hat, relativ kurz oder gar nicht feuchter Luft exponiert ist und/oder die Anwendung eine Toleranz erlaubt, können gegebenenfalls auch Formzusammensetzung mit hygroskopischen Eigenschaften geeignet sein.

Als Beispiele für stark hygroskopische Zucker oder Zuckeralkohole können D-Fructose, D- Sorbitol und D-Lactose und in weniger starkem Ausmaß auch D-Glucose genannt werden. Schwach hygroskopisch und daher bevorzugt sind z.B. die bereits erwähnten Zucker und Zuckeralkohole Saccharose (ab 85% rF), D-Trehalose (ab 92 % rf), Maltitol (ab 80% rf) und Xylitol (ab 80% rF). Die Zuckeralkohole Erythritol, Lactitol, und Mannitol sind nicht hygroskopisch. Gemische (z.B. eutektische Mischungen) von hygroskopischen Zuckern und/oder Zuckeralkoholen mit nicht hygroskopischen Zuckern und/oder Zuckeralkoholen sind nicht per se hygroskopisch und können daher bevorzugt sein.

Tabelle 3: Eigenschaften für verschiedene Zuckerkomponente

* Schmelzpunkt oder Zersetzungsbereich.

¹ Molecules 2008, 73(8), 1773-1816.

² G. Kumaresan, R. Velraj and S. Iniyan, 2011. Thermal Analysis of D-mannitol for Use as Phase Change Material for Latent Heat Storage. Journal of Applied Sciences , 11 : 3044-3048. ³ https://cameochemicals.noaa.gov/chemical/20064Xabgerufen im Dezember 2018).

⁴ Römpp Online 4.0, https://roempp.thieme.de (abgerufen im Dezember 2018).

⁵ B. J. Donnelly, J. C. Fruin, and B. L. Scallet. 1973 Reactions of Oligosaccharides. III. Hygroscopic Properties. Cereal Chem 50:512 - 519.

⁶ Peter C. Schmidt, Siegfried Lang, Pharmazeutische Hilfsstoffe 2013: Smp 223 °C (reine wasserfreie alpha-Lactose), Smp 252,2 °C (reine wasserfreie beta-Lactose), Smp 232,0 °C

(typisches Handelsprodukt). In einer weiteren Ausführungsform ist bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Formzusammensetzung weiters Wasser umfasst, bevorzugt Wasser in einem Gewichtsanteil von höchsten 10 % bezogen auf das Gewicht der Formzusammensetzung.

Insbesondere bei der Herstellung der Form aus einer erkalteten Schmelze zeigte die Zugabe von geringen Mengen Wasser zur Formzusammensetzung bereits eine deutliche Verbesserung der elastischen Eigenschaften, d.h. gegenüber den Formen aus den korrespondierenden Formzusammensetzung ohne Wasser zeigten die Formen aus wasserhaltiger Formzusammensetzung eine bessere Resistenz gegenüber Schlag oder Bruch nach Anritzen (s. Beispiel 2).

Ein weiterer Bestandteil der erfindungsgemäßen Formzusammensetzung ist der Zuschlagstoff. Bevorzugt ist der Zuschlagstoff in einem Gewichtsanteil von höchstens 20 %, bevorzugt höchstens 10 %, bezogen auf das Gewicht der Formzusammensetzung umfasst.

Für die erfindungsgemäße Formzusammensetzung ergeben sich für die Gewichtsanteile der drei beschriebenen Bestandteile unter anderem folgende Zusammensetzungen:

Zuckerkomponente: circa 70 % bis circa 99 %, bevorzugt circa 85 % bis circa 99%

Zuschlagstoff: circa 1 % bis circa 20 %, bevorzugt circa 1 % bis circa 10%

Wasser: 0 % bis circa 10 %, bevorzugt circa 0% bis circa 5%

Ein Gewichtsanteil beginnend ab einem Wert von 0 % schließt ein, dass diese Komponente in der Zusammensetzung nicht umfasst ist (0 %) oder umfasst ist (> 0 %). Die Gewichtsanteile in % sind jeweils als Gewichtsanteil an der Gesamtmasse der Formzusammensetzung angegeben (m/m).

Ein Zuschlagstoff kann pulver-, faser- oder andersförmig sein, wobei der Zuschlagstoff bevorzugt bei Raumtemperatur fest und stückig vorliegt, also beispielsweise als Faser oder Pulver, bereitgestellt werden kann. Bevorzugt wird der Zuschlagstoff mit einer Faserlänge oder Korngröße < 5 mm, beispielsweise als Faser von 0,2 mm bis 3 mm Länge, eingesetzt. In solchen Größen kann der Zuschlagstoff in der Formzusammensetzung gut, d.h. gleichförmig, verteilt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Zuschlagstoff pulverförmig oder faserförmig.

Der Zuschlagstoff hat bereits in geringen Mengen einen beachtlichen Effekt auf die mechanischen Eigenschaften von Formen aus der erfindungsgemäßen Formzusammensetzung (siehe Beispiele 1 C und 1 D). Der Zuschlagstoff unterbindet unter anderem die für glasartige Körper typische Anfälligkeit zu brechen bzw. auf schlagartige Beanspruchung zu zerspringen. Der genaue Mechanismus, wie dieser Effekt erreicht wird, bleibt unklar. Da im Gefüge durch die Zuckerkomponente sowohl kristalline als auch amorphe Bereiche zu erwarten sind, können die mechanischen Eigenschaften allein durch einen Einfluss auf die Verteilung bzw. die Grenzen dieser Bereiche variieren.

Die Erfinder haben verschiedene Materialien und Formen für den Zuschlagstoff geprüft und die Vorteile zeigen sich für eine breite Auswahl an Materialien und Formen (Beispiel 1 C - D).

Im Allgemeinen wird von den Erfindern erwartet, dass sich insbesondere solche Materialien gut als Zuschlagstoff eigenen, die als Feststoff vorliegen, gute mechanische Eigenschaften aufweisen (hohe Druck- und/oder Zugfestigkeit) und mit der Zuckerkomponente Wechselwirkungen wie elektrostatische Wechselwirkungen (z.B. Ion-Dipol Wechselwirkungen) und/oder Wasserstoffbrückenbindungen, aber auch schwache Wechselwirkungen wie Van-der-Waals-Wechselwirkungen und hydrophobe Wechselwirkungen eingehen.

Es ist bevorzugt, dass der Zuschlagstoff nicht in der Zuckerkomponente löslich ist bzw. während der Herstellung der Form nicht gelöst wird. Die Formzusammensetzung ist also bevorzugt eine heterogene Mischung, wobei der Zuschlagstoff so gewählt ist, dass er sich in der Zuckerkomponente bzw. der Schmelze der Zuckerkomponente gleichförmig verteilen lässt.

Geeignet sind dabei als Zuschlagstoff sowohl lipophile Materialien wie Kohle oder Polyethylen als auch hydrophile Materialien wie Cellulose. Als wenig geeignet haben sich hingegen Materialien erwiesen, die sowohl hydrophob als auch lipophob sind, wie perfluorierte Polymere (z.B. Polytetrafluorethylen und Polyvinylidenfluorid). Für solche Materialien sind keine bis kaum Wechselwirkungen mit einer Zuckerkomponente zu erwarten. Als relevantes Kriterium kann beispielsweise der Benetzungswinkel zwischen dem Material des Zuschlagstoffs und der verflüssigten Zuckerkomponente gesehen werden, welcher bevorzugt kleiner 160 °, mehr bevorzugt kleiner 120 ° ist.

Bevorzugt ist auch, dass der Zuschlagstoff eine gute thermische Stabilität aufweist. In einer Ausführungsform weist der Zuschlagstoff einen Schmelzpunkt oder thermischen Zersetzungspunkt auf, der höher ist, als der der Zuckerkomponente, was bedeutet, dass der Zuschlagstoff auch während des Herstellens einer Form mittels Schmelzen fest ist und sich thermisch nicht zersetzt.

Geeignete Materialien für den Zuschlagstoff können solche sein, die dem Fachmann beispielsweise als Füllstoff und/oder Verstärkungsstoff im Zusammenhang mit Kunststoffen (z.B. in DIN EN ISO 1043-2:2012-03 Kunststoffe Teil 2: Füllstoffe und Verstärkungsstoffe beschrieben) bzw. als Fasermaterial in Faserverbundstoffen (z.B. in https://de.wikipedia.org/wiki/Faserverbundwerkstoff beschrieben) wie Faser-Kunststoff- Verbund (z.B. in https://de.wikipedia.org/wiki/Faser-Kunststoff-Verbund beschreiben) bekannt sind.

Bekannte Füllstoffe und Verstärkungsstoffe sind beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aramid, Bor, Kohlenstoff (kristallin, teilkristallin oder amorph, z.B. Kohlefaser, Graphit, Ruße, Aktivkohle, Graphen), Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxid, Ton, Glas, Calciumcarbonat, Cellulose, Metalle, Mineral, organische Naturstoffe wie Baumwolle, Sisal, Hanf, Flachs etc., Glimmer, Silikat, synthetische organische Stoffe (z.B. Polyethylen, Polyimide), Duroplaste, Talk, Holz, Kreide, Sand, Kieselgur, Zinkoxid, Titandioxid, Zirkondioxid, Quarz, Stärke.

Bekannte faserförmige Zuschlagstoffe sind beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus anorganische Verstärkungsfasern (wie z.B. Basaltfasem, Borfasern, Glasfasern, Keramikfasem, Quarzfasern, Kieselsäurefasern), metallische Verstärkungsfasern (z.B. Stahl- Fasern), organische Verstärkungsfasern (z.B. Aramidfasern, Kohlenstofffasem, PBO-Fasem, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern Polymethylmethacrylat-Fasern), und Naturfasern (z.B. Flachs-Fasern, Hanf-Fasern, Holzfasern, Sisalfasern, Baumwollfasern sowie Produkte aus diesen Fasern, welche durch chemische und/oder physikalische Behandlung modifiziert worden sind).

Bevorzugt wird in der erfindungsgemäßen Formzusammensetzung nur ein Zuschlagstoff eingesetzt, d. h. ein Material in einer Form (z.B. Pulver oder Faser). Es ist allerdings nicht ausgeschlossen, dass die Formzusammensetzung mehrere Zuschlagstoffe umfasst, also beispielsweise Zuschlagstoffe aus verschieden Materialien und/oder in verschiedenen Formen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Zuschlagstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cellulose, Kohle (Carbon), Glas, Aramid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Polyethylen, bevorzugt Cellulose und Kohle, noch bevorzugter Glas-, Cellulose- und Kohlefasern.

Die erfmdungsgemäße Form, die sich für die Anwendung in einem Formverfahren eignet, ist ein kompaktes dreidimensionales Gefüge aus der erfindungsgemäßen Formzusammensetzung. Der Begriff kompaktes dreidimensionales Gefüge soll zum Ausdruck bringen, dass die Form einen formstabilen Körper einer spezifischen Gestalt/Geometrie bildet. Dieser Körper ist bevorzugt gleichförmig, einheitlich aus der Formzusammensetzung gebildet.

In der erfindungsgemäßen Form kann durch den heterogenen Charakter der Formzusammensetzung auch makroskopisch oder unter dem Lichtmikroskop erkennbar sein. In einer Ausführungsform handelt es sich um ein heterogenes (zweiphasiges) Gefüge, in dem der Zuschlagstoff als disperse Phase verteilt in der Zuckerkomponente (als kontinuierliche Phase oder Matrix) vorliegt.

Für die erfmdungsgemäße Form, die ein Gefüge aus der erfindungsgemäß Formzusammensetzung ist, sind Gewichtsanteile zu erwarten, die denen der Formzusammensetzung entsprechen. Dabei können naturgemäß Schwankungen zwischen Zusammensetzung und Form auftreten. Beispielsweise kann der Wasseranteil bei der Herstellung der Form durch Verdunsten von Wasser gegenüber der Formzusammensetzung sinken und somit in der Form niedriger sein.

Um ein Gefüge zu erhalten, werden die Bestandteile der Formzusammensetzung bereitgestellt, gemischt und in einen dreidimensionalen Körper geformt. Der letzte Schritt dieses Verfahrens zur Herstellung der Form kann zumindest durch zwei verschiedenen Arten erzielt werden.

Bevorzugt wird die Formzusammensetzung als Schmelze in eine weitere dreidimensionale Gussform eingebracht, die ein Negativ des dreidimensionalen Körpers darstellt, den die erfmdungsgemäße Form annehmen soll, und abgekühlt. Die Schmelze wird erreicht, in dem die Formzusammensetzung erhitzt wird auf eine Temperatur im Bereich des Schmelzpunkts, bevorzugt über dem Schmelzpunkt, der Zuckerkomponente. Die verflüssigte Formzusammensetzung kann dann durch Guss geformt werden. Zum Formen der Schmelze eignen sich als Gussform beispielsweise Silikonformen, die auf Grund ihrer Elastizität auch von komplexen dreidimensionalen Gefügen wieder entfernt werden können, sobald diese erkaltet und damit fest sind. Das Gefüge ist in diesem Fall eine erkaltete Schmelze. Erkaltete Schmelzen einer Zuckerkomponente werden auch als Zuckerglas bezeichnet. Solche Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Gefügen aus erkalteten Schmelzen sind beispielsweise aus der Lebensmittelherstellung (z.B. bei Hartkaramellen oder Zuckerdekor) bekannt und wie hier gezeigt nicht nur für Zuckerkomponente, sondern auch für Formzusammensetzung anwendbar, die weiters einen Zuschlagstoff enthalten.

Weitere Abwandlungen, in denen ein aus einer Schmelze bestehendes Gefüge mittels Spritzguss oder 3 -Druck aus der Formzusammensetzung hergestellt wird, sind für den Fachmann denkbar.

Alternativ kann die Formzusammensetzung auch mittels Pressen in ein dreidimensionales Gefüge gebracht werden. Aus der pharmazeutischen Industrie ist zum Beispiel bekannt, dass Zuckerkomponenten mittels Druck in kompakte dreidimensionale Gefüge geformt werden können. Das Gefüge ist diesem Fall ein Komprimat. Für den Zusammenhalt im Komprimat bzw. dem Pressling kommen Kohäsions-, Adhäsionskräfte, Feststoffbrücken oder formschlüssige Bindungen in Betracht (Bauer K. H., Frömming K.-H., Führer C. Pharmazeutische Technologie, 5. Auflage, 1997, Gustav Fischer Verlag, Seite 332„Bindung in Tabletten“). Die Herstellung der Form mittels Pressen wird vor allem bei Formen bevorzugt werden, die eine verhältnismäßig einfache dreidimensionale Form aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist für die erfindungsgemäße Form und auch die im Verfahren zum Formen eines Werkstücks, das Gefüge eine Schmelze oder ein Komprimat der Formzusammensetzung ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Formen eines Werkstücks, umfassend die Schritte

- Bereitstellen zumindest einer erfindungsgemäßen Form,

- Kontaktieren der Form mit einem zu formenden Werkstoff,

- Härten des zu formenden Werkstoffs, um das Werkstück zu erlangen,

- Entfernen der Form vom Werkstück.

In einer Ausführungsform kann das Verfahren zum Formen eines Werkstücks im Rahmen

1. eines Schmelzkern-Spritzgussverfahrens,

2. eines Pulverspritzgussverfahrens,

3. eines Pressverfahrens,

4. einer Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffs mittels Laminierem oder

5. einer Herstellung einer keramischen Formschale für den Feinguss

eingesetzt werden. Die weiter oben bereits beschriebenen Arten von Formverfahren (1.-5.) sind prinzipiell bekannt. Die erfindungsgemäße Form, die ein kompaktes dreidimensionales Gefüge aus der erfindungsgemäßen Formzusammensetzung ist, kann in diesen Verfahren die bekannten Formen, insbesondere die bekannten verlorenen Formen, ersetzten. Ausführungsformen bezüglich der Werkstücke, der zu formenden Werkstoffen, Härte schritten bzw. möglicher Nachbehandlungen ergeben sich somit teilweise aus dem Stand der Technik.

Der zu formende Werkstoff wird für das Kontaktieren mit der Form bzw. gegebenenfalls mehreren Formen bevorzugt in fließ-, rieselfähigem oder zumindest plastisch verformbaren Zustand bereitgestellt, damit beim Kontaktieren der Form ein Formschluss zwischen Werkstoff und Form erreicht wird und die dreidimensionale Ausgestaltung der Form beim Härten des Werkstoffs übertragen wird.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der Härtungsschritt als der Schritt gesehen, in dem die erfindungsgemäße Form ihre Kontur dauerhaft auf den zu formenden Werkstoff überträgt. In bevorzugten Ausführungsformen, wie beispielsweise beim Pressen und auch beim Pulverspritzguss, können auch zusätzliche Schritte zum weiteren Bearbeiten des initial erhaltenen Werkstücks (Grünling) vorgesehen sein, die ebenfalls als Härtungsschritte bezeichnet werden (können), aber vom erfindungsgemäßen Härtungsschritt zu unterscheiden sind.

Das Härten des Werkstoffs kann je nach Art des Formverfahren auf verschiedene Weisen erfolgen. Bevorzugt erfolgt das Härten mechanisch oder mechanisch-thermisch.

In dieser Ausführungsform erfolgt das Härten bevorzugt durch Ausüben von Druck auf eine Anordnung aus Form(en) und zu formenden Werkstoff, die beim Kontaktieren der Form mit dem Werkstoff entsteht, wie dies beispielsweise im Rahmen eines Pressverfahrens, insbesondere eines isostatischen Pressverfahrens. Beim Härten durch Druck kommen die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften der Formzusammensetzung besonders zum Tragen.

Bei Formverfahren wie Schmelzkern-Spritzgussverfahren, Pulverspritzgussverfahren oder Verfahren zur Herstellung von Faser-Kunststoff- Verbundwerkstoffen mittels Laminieren wird der zu formende Werkstoff (Polymermasse, Feedstock oder schichtweise aufgetragenes Matrixmaterial) oft mit einer erhöhten Temperatur bereitgestellt, damit dieser im plastischen Zustand mit der Form kontaktiert wird. Das Härten erfolgt dann auch durch abkühlen (d.h. mechanisch-thermisch). Beim thermischen Härten wird der Fachmann beachten, dass bevorzugt solche erfindungsgemäßen Formen einzusetzen sind, bei denen die Zuckerkomponente einen Zersetzungstemperaturbereich und/oder einen Schmelzpunkt aufweist, der nicht wesentlich niedriger ist als die während des Kontaktieren mit dem Werkstoff eingesetzten Temperaturen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gefüge der Form beim Entfernen der Form zerstört.

In dieser Ausführungsform handelt sich bei der zumindest einen erfindungsgemäßen Form, die ein kompaktes dreidimensionales Gefüge aus einer erfindungsgemäßen Formzusammensetzung ist, also um eine sogenannte verlorene Form. Sie verliert zumindest ihre dreidimensionale Ausgestaltung, Form, oder Geometrie), also das Gefüge, nachdem diese auf den Werkstoff übertragen wurden. Optional werden auch die Bestandteile der Formzusammensetzung beim Zerstören zersetzt. Die zumindest eine Form des Verfahrens kann auf Grund der Zuckerkomponente, die einen wesentlichen bzw. den Hauptbestandteil der Formzusammensetzung darstellt, durch verschiedene Verfahrensschritte entfernt werden.

Die Form kann bevorzugt entfernt werden durch

Lösen der Formzusammensetzung mit einem hydrophilen Lösungsmittel, bevorzugt Wasser,

Schmelzen der Zuckerkomponente durch Erhitzen und ggf. Abgießen der Formzusammensetzung,

Zersetzen der Zuckerkomponente durch Erhitzen und ggf. Ausschütteln der

Formzusammensetzung (vergasen),

oder einer Kombination dieser Maßnahmen.

In allen Fällen wird das Gefüge der Form zerstört und die Formzusammensetzung kann mit dem Zuschlagstoff entfernt werden. Bevorzugt sind Lösen und Schmelzen, bei denen die Form im flüssigen Zustand entfernt wird. Das Lösen ist bevorzugt mit Werkstücken die thermisch empfindlich sind, da hier keine erhöhten Temperaturen angewendet werden müssen. Anderseits kann die Entfernung der Form durch Schmelzen von Vorteil sein, wenn die weitere Verarbeitung des Werkstücks ohnehin eine thermische Behandlung vorsieht. So ist bei keramischen und metallischen Werkstücken nach dem initialen Härten, also dem Herstellen eines Grünlings, oft ein weiterer thermischer Härtungsschritt vorgesehen (Sintern), der im erfindungsgemäßen Verfahren mit dem Entfernen der Form vom Werkstücks einhergehen kann. Das Zersetzen der Zuckerkomponente erfordert im Vergleich zum Schmelzen meist eine höhere Temperatur und ist daher weniger bevorzugt, kann aber gut angewendet werden, um mögliche Reste zu entfernen, die mittels Schmelzen noch nicht vollständig entfernt wurden. Beim Zersetzen wird die Formzusammensetzung zumindest teilweise im gasförmigen Zustand entfernt, d.h. hiermit ist auch eine Entfernung aus besonders schwer zugänglichen Hohlräumen möglich.

In den erfindungsgemäßen Verfahren wird die zumindest eine erfindungsgemäße Form bevorzugt als innenliegend Form eingesetzt. Eine innenliegende Form wird auch als Formkern oder Stützstruktur bezeichnet und bildet die innere Produktgeometrie eines zu formenden Werkstücks.

In dieser Ausführungsform kann zusätzlich eine äußere Form eingesetzt werden, die bevorzugt aus einem anderen Material besteht als die erfindungsgemäße Form. Die äußere Form kann auch mehrteilig ausgebildet sein, zum Beispiel eine geteilte Dauerform. In der Ausführung des Verfahrens, in der eine weitere Form eingesetzt wird, wird beim Kontaktieren der Formen mit dem Werkstoff eine Anordnung gebildet, bei der ein Großteil, bevorzugt mehr als 80%, der gesamten Außenfläche der Form im Kontakt mit dem zu formenden Werkstoff ist. Die erfindungsgemäße Form wird beim Kontaktieren mit dem Werkstoff also zumindest zum Teil vom Werkstoff eingeschlossen. Sie bildet ein Modell eines Hohlraums im zu formenden Werkstück, während eine zusätzliche äußere Form ein negatives Außenmodell des zu formenden Werkstücks darstellt.

Im Folgenden werden Experimente gezeigt, die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen veranschaulichen und/oder für das Verständnis der Erfindung hilfreich sind. Es versteht sich, das die Ausführungsvarianten beispielhaft sind.

Die Figuren zeigen Etappen eines Verfahren zum Formen eines Werkstücks, im Detail zeigt

Fig. 1 zwei Formen, nämlich eine innenliegende Form und eine äußere Form in Seitenansicht, Fig. 2 im Querschnitt das Kontaktieren der Formen mit einem zu formenden Werkstoff vor dem Härten (A), nach dem Härten (B) und Entfernen der äußeren Form, sowie nach dem Nachhärten (C) und dem vollständigen Entfernen der Form vom Werkstück (D), und Fig. 3 das geformte Werkstück in Seitenansicht.

Beispiel 1 - Herstellung und Charakterisierung von Formen

A. Herstellung von Formen (Testbarren)

Es wurden zwei unterschiedliche Arten von Zuckern für die Testmessungen verwendet. Zum einen kommerziell erhältliches Isomalt („Isomalt ST-M“, Beneo GmbH) und zum anderen wurde eine Mischung aus Saccharose („Wiener Feinkristallzucker“, Agrana Zucker GmbH) und Glucose („Dextropur“, Dextro Energy GmbH & Co. KG) verwendet.

Isomalt ST-M enthält ca. 2,5 %wt Wasser und wurde bei 155 °C über Nacht in geschlossenen Aluminiumgebinden aufgeschmolzen, um den Wassergehalt während des Schmelzprozesses konstant zu halten. Die Saccharose/Glucose Mischung wurde mit Wasser in einem Verhältnis von 62 %wt Saccharose, 14 %wt Glucose und 24 %wt Wasser angemischt (bekannt als „Zuckerkochen“). Das Zuckergemisch wurde bis zu einer Temperatur von 150 °C in einem Becherglas (1000 ml, niedere Form) auf einem beheizbaren Labormagnetrührer unter starkem Rühren erhitzt (wobei erhebliche Mengen an Wasser verdampfen) und dann die erhaltene Schmelze sofort weiterverarbeitet. Die so erhaltene Schmelze enthält typischerweise 2 - 3 %wt Wasser.

Auf Basis dieser beiden Zucker-Schmelzen („Isomalt ST-M“ und Saccharose/Glucose) wurden nun in Folge Testbarren der Dimensionen 4,7cm x 2,5 cm x 1,0 cm (haptische Versuche) und 7,0 cm x 3,8 cm x 3,5 cm (Messung von Festigkeiten und V-Modul) erzeugt, wobei handelsübliche Siliconformen als Negativform verwendet wurden.

B. Charakterisierung von Formen ohne Zuschlagstoff

Es wurde festgestellt, dass insbesondere Isomalt ST-M nach dem Gießen und Ab kühlen sehr spröde war, sodass die Testkörper zwar offensichtlich sehr hohe Festigkeit aufwiesen (brechen von Hand nicht möglich) aber nach Anritzen oder punktueller Verletzung der Oberfläche mit einem scharfen Gegenstand konnte der Testkörper sehr leicht gebrochen werden; weiters zersprang der Testkörper nach kurzem, schnellen Schlag mit einem harten Gegenstand (z.B. mit einem Schraubenzieher) wie Glas in zahlreiche Stücke. Es wurde dabei auch beobachtet, dass Testkörper aus Isomalt ST-M bezüglich dieser beschriebenen Eigenschaften sehr starke Streuungen aufwiesen, was auf thermische Spannungen hinweisen könnte.

Daher wurde nun versucht, diese Spannungen durch Tempern zu entfernen. Dafür wurden die produzierten Testkörper einmal unter Umgebungsbedingungen (Raumtemperatur) abgekühlt, einmal auf 40 °C (24 h) gehalten und einmal im Kühlschrank (4 °C, 24 h) ausgehärtet, um die Unterschiede deutlich zu machen. Die Härte der unterschiedlich produzierten Testkörper wurde haptisch evaluiert (brechen von Hand, anritzen der Oberfläche und brechen von Hand, schneller Schlag). Tempern der Testkörper hatte aber offensichtlich keinen positiven Einfluss auf Härte und Sprödheit sowie der Streuung dieser Eigenschaften der untersuchten Testkörper. In einer weiteren Versuchsserie wurde Isomalt ST-M in einem geschlossenen Gefäß aufgeschmolzen und mit Wasser vermengt um Wassergehalte von 5 %wt bzw. 10 %wt zu erhalten. Des Weiteren wurde Isomalt ST-M in einem offenen Gefäß aufgeschmolzen um einen Wassergehalt von 0 %wt zu erhalten. Mit den unterschiedlichen Isomalt ST-M Typen (0, 2.5, 5, 10 %wt Wasser) wurden Testkörper produziert, die anschließend wiederum haptisch auf ihre Härte beurteilt wurden. Die Testkörper mit den höheren Wassergehalten (5 %wt bzw. 10 %wt) waren signifikant weicher als Standard Isomalt ST-M, offensichtlich nicht mehr spröde, aber leider auch nicht mehr ausreichend fest, denn sie konnten per Hand relativ leicht verformt oder gebrochen werden. Die Testkörper ohne Wasser waren extrem anfällig gegen Schläge bzw. mechanische Belastung, was auf eine erhöhte Sprödheit schließen lässt.

In einer weiteren, analogen Testserie mit Saccharose/Glucose Mischung, wurde der gleiche Effekt bzw. Trend wie bei Isomalt ST-M beobachtet.

Des Weiteren konnte beim Arbeiten und Lagern von Testkörpem aus Isomalt ST-M versus Saccharose/Glucose Mischungen bezüglich der Hygroskopizität deutliche Unterschiede festgestellt werden: Während erstere in der Praxis vernachlässigbare Tendenz zur Wasseraufnahme zeigten, wurde an Saccharose/Glucose-Testkörpern nach Kontakt mit der offenen Atmosphäre binnen kurzer Zeit eine klebrige Konsistenz beobachtet, welche innerhalb von Stunden zu einer fortschreitenden Plastifizierung der Oberfläche der Testkörper führte, sodass diese unbrauchbar wurden. In der Praxis müssten Formen aus Saccharose/Glucose insbesondere bei erhöhter Luftfeuchtigkeit daher sofort verarbeitet oder zur Lagerung luftdicht verpackt werden.

C. Haptische Beschreibung von Formen aus Formzusammensetzung mit Zuschlagstoff

In einer Versuchsserie wurden die verschiedenen Zuschlagstoffe (Tabelle 4) mit Isomalt ST- M und Saccharose-Glucose (wie weiter oben beschrieben) als Matrix (Zuckerkomponente) untersucht.

Tabelle 4: Untersuchte Zuschlagstoffe

¹ Bestellt über Sigma-Aldrich, Inc.

Zur Herstellung der Formzusammensetzung wurde eine entsprechende Menge Isomalt ST-M wie weiter oben beschrieben aufgeschmolzen, mit der entsprechenden Menge Zuschlagstoff versehen und in einem Becherglas mit einem Glasstab sorgfältig gleichförmig verteilt. Die Menge des Zuschlagstoffes wurde mit max. 10 %wt. begrenzt, einige Zuschlagstoffe konnten jedoch nur in geringerer Menge noch gleichmäßig in der Zuckermatrix verteilt werden.

Um ein vorzeitiges Aushärten des Materials zu verhindern, wurde die hergestellte Mischung zügig in entsprechende Silikonformen gegossen und kleine Testbarren hergestellt (4,7 cm x 2,5 cm x 1 cm). Die mechanischen Eigenschaften der Prüfbarren wurden analog zum weiter oben beschriebenen Verfahren haptisch evaluiert (brechen von Hand, anritzen der Oberfläche und brechen von Hand, schneller Schlag) und verglichen mit den Eigenschaften der korrespondierenden Form aus der Zuckerkomponente alleine (Tabelle 5). Tabelle 5. Ergebnisse der haptisch-mechanischen Prüfung von Zuckerbarren mit diversen Zuschlagstoffen.

D. Mechanische Beschreibung von Formen aus Formzusammensetzung mit Zuschlagstoff

Von einigen Kandidaten, die im Vergleich zur nicht additiviertem Zuckermatrix in den haptischen Versuchen besser abgeschnitten haben, wurden größere Prüfbarren (7,0 cm x 3,8 cm x 3,5 cm) hergestellt. Von diesen wurde jeweils beschrieben Druck-, Biegefestigkeit und V-Modul gemessen. Für die Bestimmung der Druckfestigkeiten wurde ein Prüfsystem der Firma Form&Test Prüfsysteme verwendet (www.formtest.de). Model: DigiMaxx C-20, max. Kolbenweg 15 mm, max. Kraft 600 kN und Vorschubdruck 1 MPa/s laut DIN EN 993-5 (1998). Für die Messungen wurden Testbarren mit folgenden Abmessungen gegossen: 7 cm x 3,8 cm x 3,5 cm. Zur Bestimmung der Biegefestigkeit bzw. des V-Moduls wurde eine Biegefestigkeitsmaschine der Firma Messphysik (www.messphysik.com, Model Midi 5) mit einer Messzelle bis 500 kN eingesetzt. Hier wurde mit einem Vorschubdruck von 0,15 MPa/s gearbeitet (laut DIN EN 993-6, 1995). Der V-Modul (auch Verformbarkeitsmodul) steht im Zusammenhang mit dem E-Modul und ist wie der E-Modul die erste Ableitung der Spannung nach der Dehnung bzw. Deformation. Das V-Modul wird dabei ermittelt, in dem eine Regressionsgerade im Bereich der Kurve bei e _ßr /2 erstellt wird, wobei 8 _ßr die Deformation ist, die beim Bruch auftritt.

Die Ergebnisse der entsprechenden Messungen sind in der folgenden Tabelle 6 dargestellt:

Tabelle 6. Ergebnisse für Druck- bzw. Biegefestigkeit und V-Modul (± Standardabweichung absolut und relativ) für verschiedene Formzusammensetzungen (gemessen als Barren)

4-fach Bestimmungen, Isomalt ST-M 10-fach Bestimmung Es wurde beobachtet, dass gegenüber der reinen Zuckerkomponente - aber auch gegenüber einer Formzusammensetzung aus Zuckerkomponente und Wasser - die Druckfestigkeit für alle untersuchten Zuschlagstoff bzw. Zuckerkomponenten erhöht wird. Damit eignen sich die erfindungsgemäß Formzusammensetzung besser für Verfahren, in denen eine hohe Druckfestigkeit gefordert ist.

Die Biegefestigkeit zeigt für Formen aus Isomalt eine sehr hohe Streuung, was auf mechanische Spannungen innerhalb der Form hindeutet. Durch die Zuschlagstoffe wird bei der Biegefestigkeit zwar nicht für alle Materialien ein quantitativer Effekt erreicht, allerdings wurde festgestellt, dass die Streuung zwischen verschiedenen Messungen reduziert wurde. Die bessere Reproduzierbarkeit der Biegefestigkeit stellt eine Optimierung der mechanischen Eigenschaften der Formen im Vergleich zu denen ohne Zuschlagstoff dar. Für einige Formzusammensetzung (mit Cellulose und pulverisierten Kohlefasern) werden Biegefestigkeiten erreicht, die von der Größenordnung her vergleichbar sind mit den Zugfestigkeiten von metallischen Schmelzlegierungen (vergleiche Tabelle 1).

Auf den V-Modul zeigt die Zugabe eines Zuschlagstoffs je nach Zuckerkomponente unterschiedliche Effekte. Für Isomalt sinkt der V-Modul tendenziell, d.h. dass die Elastizität erhöht wird, insbesondere wird hier aber auch eine Reduktion der Streuung erreicht. Für Saccharose/Glucose hat der Zuschlagstoff (10 wt% Cellulose), einen gegenteiligen Effekt. In beiden Fällen aber ist der erreichte V-Modul mit Zuschlagstoff in der Größenordnung des E- Moduls, der für Kunststoffe angegeben wird, die als verlorene Formen eingesetzt werden (vergleiche Tabelle 2).

Beispiel 2 - Verfahren zum Formen eines keramischen Werkstücks

Technische Keramik wird oft mittels isostatischen Pressen hergestellt (siehe auch Punkt 3. oben).

Die erfindungsgemäß Form wurde in einem solchen Verfahren als innenliegende Form innerhalb des keramischen Presslings eingesetzt, was hier unter Bezug auf die Figuren genauer beschrieben werden soll.

Zunächst (Figur 1) wurde eine erfindungsgemäße Form 1 wie in Beispiel 1 beschreiben aus einer Formzusammensetzung mit Isomalt STM als Zuckerkomponente und Carbonfaser (gemahlene Kohlefaser) als Zuschlagstoff mittels Schmelzen und Guß in eine Siliconform hergestellt. Die Formzusammensetzung wurde kontrolliert auf 160°C gebracht (5 Stunden) mit einem einfachen Labormischer durchgerührt und in eine neue Siliconform abgegossen (20 x 15x 120mm). Nach dem Abkühlen der Schmelze entstehen hochfester und steifer Abguss, d.h. die barrenförmige Form 1. Außerdem wurde eine äußere Gummiform 2 bereitgestellt, in der die erfindungsgemäß Form mittig angeordnet wird.

Im zweiten Schritt (Figur 2 A) wurde ein keramisches Granulat 3 als zu formender Werkstoff in die äußere Form eingefüllt, so dass sich eine Anordnung gemäß Fig. 2B ergab. Die äußere Form wird bis zum Rand aufgefüllt Das keramische Granulat basierte auf Alumina-Graphit mit einem Harzbinder.

Die Gummiform wird mit einer gegenseitigen Gummiform abgeschlossen und in einer wasserdichten Folie eingepackt. Danach wurde die Anordnung mittels Wasserdruck von 360 Bar gepresst.

Die Gummiform 2 konnte auf Grund ihrer Flexibilität einfach entfernt werden. Die keramische Masse 3 umschließt die Form 1 nach dem Pressvorgang ohne sichtbare Deformation der Form (Figur 2 B)

Um die Form 2 zu entfernen, wird die Anordnung in einem Härteofen auf 240°C erhitzt, dabei fließt die Formzusammensetzung 4 unter Verlust der Form 2 aus dem zu formenden Werkstück 3 unvollständig heraus. Die Rückstände können im Wasser aufgelöst werden oder erst nach dem nachfolgenden Brand.

Nach dem Härten folgt der Brand wo das Produkt auf 1000°C unter reduzierenden Bedingung erhitzt wird. Dabei verdampfen zum größten Teil alle Rückstände und nur geringe Mengen an Asche verbleiben im Produkt 5 (Figur 2 D). Diese können leicht mittels Wasserstrahl entfernt werden.

Das finale Produkt 5 (siehe auch Figur 3) kann durch diese Technologie unterschiedlich komplexe innere Geometrie bekommen. Die geringfügige Schrumpfung des entstandenen Hohlraums ist bedingt durch die Schrumpfung von eingesetzten keramischen Masse und nicht durch die Deformation von ausschmelzbaren Werkzeugs. Deshalb kann die Schrumpfung bei der Planung der finalen Geometrie berücksichtig werden um präzise Geometrie zu erzielen.