DE69633143T2

DE69633143T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer 3-D Sandform mit Kern durch Ausbildung von Sandschichten

Info

Publication number: DE69633143T2
Application number: DE69633143T
Authority: DE
Inventors: Hiromoto Toyota-shi Satoh; Yukio Toyota-shi Otsuka; Motoaki Toyota-shi Ozaki; Masuo Toyota-shi Shimizu; Yuji Toyota-shi Okada; Yoshizumi Toyota-shi Senda; Soya Toyota-shi Takagi; Masaru Toyota-shi Ogura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-11-09
Filing date: 1996-10-29
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2016-10-30
Also published as: KR100205677B1; EP0776713A3; EP0906801B1; EP0906801A2; DE69604043D1; DE69604043T2; US5718279A; CN1088415C; EP0776713A2; EP0776713B1; CN1157761A; EP0906801A3; KR970073797A; DE69633143D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer Sandform jeweils gemäß der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 10 als eine Dreidimensionale aus Sand geformte Form, indem Schritte zum Ausbilden dünner Schichten aus Sand, die mit einem durch Wärme härtbarem Harz beschichtet sind und Aushärten der Schichten in vorbestimmten Gestalten wiederholt werden.
Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Da ein Guß bzw. ein Gußstück durch Eingießen eines geschmolzenen Metalls in eine Gußform ausgebildet wird, beginnt die Herstellung des Gußes mit der Fabrikation einer umgekehrten Form der Gußform. Abhängig vom Material werden Gußformen hauptsächlich in Metallformen und Sandformen (Sandgußformen) unterteilt. Obwohl Metallformen Dauerhaftigkeit aufweisen, sind sie teuer und werden häufig benutzt, um eine große Menge des gleichen Produkts herzustellen (Massenproduktion). Andererseits werden Sandformen verwendet, um eine relativ kleine Menge von Produkten wie Prototypen und Produkte mit komplexer Gestalt oder Innengestalt, herzustellen. D.h., da Sandformen billig sind, ist es nicht erforderlich, einen Guß direkt von einer Sandform zu nehmen, da die Sandform nach dem Guß zerstört wird und das Produkt entnommen wird. Gußstücke mit einer komplexen Gestalt können daher hergestellt werden. Weiterhin kann ein Guß mit einer Innengestalt unter Verwendung einer Form zum Formen innerer Gestalten, genannt „Sandkern" hergestellt werden.
Um davor eine Sandform zu erzeugen, wurde zuerst eine Umkehrform bzw. Negativform hiervon (hauptsächlich aus Holz, Harzmaterial oder Metall hergestellt) durch NC-Bearbeitung (nummerische Steuerung) oder ähnlichem hergestellt, wonach Sand in die Form eingefüllt und verdichtet wurde, um eine Sandform auszubilden. Bei diesem herkömmlichen Sandformausbildungsverfahren muß jedoch die Formschräge beim Schritt der Gestaltung einer Umkehrform einer Sandform in Betracht gezogen werden. Da im einzelnen die Umkehrform einer Sandform in zwei Teile geteilt werden muß, muß eine Gestaltung der Teilung zum Bestimmen, wo die Trennfläche (Teilungsebene) positioniert werden soll und die Gestaltung der Formschräge basierend auf der Ausziehrichtung für jedes geteilte Stück muß ausgeführt werden. Deshalb ist viel Zeit erforderlich, diese Formen zu entwickeln und zu gestalten.
Es ist nicht wünschenswert, viel Zeit mit der Herstellung von Prototypen zu verbringen. Es wurde dann ein schnelles Prototypenverfahren zum Ausbilden eines Prototypen direkt aus 3-D CAD-Daten (Computergestützte Konstruktion) vorgeschlagen. Basierend auf der Idee, das ein 3-D-Objekt ein Laminat von 2-D Abschnittsformen mit einer dünnen Dicke von 0,2 mm ist, kann dieses schnelle Prototypenverfahren ein 3-D Objekt ausbilden, in dem diese Abschnittsformen ausgebildet und aufgeschichtet werden.
Beispielsweise US-A-4,247,508 offenbart ein allgemeines Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer Sandform. D.h., eine dünne Schicht wird aus Plastikpartikel ausgebildet, die thermisch geschmolzen werden, wobei ein Abschnitt der Schicht, der gebunden werden soll, wird mit einem Laserstrahl abgetastet, wobei der mit dem Laserstrahl belichtete Abschnitt geschmolzen und erstarrt wird, um eine 2-D Struktur auszubilden. Dieser Vorgang wird dann wiederholt, um ein 3-D Objekt auszubilden. Mit diesem Verfahren kann ein Prototyp direkt ausgebildet werden.
Dieser Stand der Technik lehrt weiterhin, daß eine Negativform direkt ausgebildet wird, wobei eine sandgeformte Form unter Verwendung von kunststoffbeschichtetem Sand erhalten wird. Bei diesem Stand der Technik wird weiterhin eine Beschreibung gegeben, die die Verwendung einer Maske während des Abtastens eines Laserstrahls vorschlägt.
Da die gestaltete Form mit diesem Verfahren direkt erhalten wird, ist nicht erforderlich, die vorstehend beschriebene Teilung, Formschräge und ähnliches zu berücksichtigen. Daher ist es relativ leicht, Sandformen mit unterschiedlichen Gestalten aus CAD-Daten über gestaltet Formen auszubilden.
Jedoch ist der vorstehende Stand der Technik im wesentlichen vorgesehen, um eine Prototypen auszubilden, wobei Massenherstellung nicht berücksichtigt wird. Im einzelnen benötigt dieser Stand der Technik viel Zeit, damit ein Laserstrahl einen ganzen Abschnitt abtastet, der bei der Herstellung einer einzelnen 2-D Struktur gebunden werden muß. Daher ist es nicht realistisch, eine große Anzahl von Sandformen für die Massenfertigung unter Anwendung dieses Stands der Technik herzustellen.
Wenn eine Sandform durch ein schnelles Prototypenverfahren ausgebildet wird, hat die Sandform keine nutzlosen Abschnitte und unnötigen Wandstärken mehr, wobei ein Formgrad bei einem ausgebildeten Guß eliminiert werden kann, da es nicht notwendig ist, die Teilung und die Formschräge zum Zeitpunkt der Sandformausbildung zu berücksichtigen. Daher wird die Meinung vertreten, daß die Wirtschaftlichkeit der Nachbearbeitung eines Gußes bzw. Gußstücks erhöht werden kann, wobei eine effiziente Massenherstellung eines Gußes unter Verwendung einer Sandform bewerkstelligt werden kann, wenn die Sandform wirtschaftlich ausgebildet werden kann.
Wenn gemäß dem vorstehenden Stand der Technik ein Laserstrahl ausgesandt wird, um ummantelten Sand auszuhärten, liegt das Problem vor, daß die ausgehärtete Sandschicht sich verzieht. D.h., da ein Sandschicht zum Ausbilden einer Abschnittsform im allgemeinen eine extrem kleine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm hat, ist die ausgehärtet Abschnittsform in den meisten Fällen derart verzogen, daß ein Umfangsabschnitt hiervon nach oben angehoben wird, beruhend auf der Kompression von zwischen den Sandkörner befindlichem Harz.
Wenn sich ein derartiger Verzug ereignet, kann die nächste Sandschicht nicht laminiert werden oder die Abschnittsform dernächsten Schicht kann versetzt oder verbunden sein. Daher ergibt sich ein anderes Problem, das sich die Formgenauigkeit einer Sandform verschlechtert.
Weiterhin ist beim vorstehenden Stand der Technik bei der Herstellung einer Maske ein isolierter Inselabschnitt entsprechend einem Sandkern für die Maske erforderlich. In diesem Fall ist eine Abstützung erforderlich, um den Inselabschnitt in der Maske zu halten. Diese Abstützung kann aus der Berechnung einer 2-D Abschnittsform durch in Scheiben schneiden einer Abschnittsform eines Gußes nicht erhalten werden und muß getrennt gestaltet bzw. konstruiert werden. Ein Konstruktör muß dann die Existenz eines Inselabschnitts beurteilen und konstruiert eine Abstützung für den Inselabschnitt beim Stand der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum laminierten Ausbilden einer Sandform zur Verfügung zu stellen, die für die Massenproduktion geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Sandform durch Laminieren bereitgestellt, die das Auftreten von Verzug während der Ausbildung einer Abschnittsform verhindern kann.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein diffuser Laserstrahl auf eine dünne Sandschicht über eine, einen schattenausbildende Maske gestrahlt. Daher kann harzbeschichteter Sand auf einmal gebunden werden, wobei die Bearbeitungszeit einer Schicht stark verringert werden kann. Demzufolge kann eine Sandform für die Massenproduktion wirtschaftlich hergestellt werden. Da weiterhin ein diffuser Laserstrahl über eine abschirmende Maske ausgestrahlt wird, kann ein Laserstrahl auf den unter der abschirmenden Maske befindlichen Sand mit relativ einheitlicher Energiedichte ausgestrahlt werden. Daher kann die Querschnittsform und die ebene Form des gebundenen, geformten Artikels scharf ausgebildet werden. D.h., wenn ein feinkonvergierender Laserstrahl verwendet wird, wird ein belichteter Abschnitt wie eine Nut geformt und dessen Querschnittsform und ebene Form wird unklar; dies kann dadurch verhindert werden, in dem ein diffuser Laserstrahl verwendet wird.
Wenn ein Kern ausgebildet wird, wird eine isolierte Insel bei der abschirmenden Maske benötigt, wobei Abstützungen zum Stützen dieser Insel notwendig sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein kleines Loch für die Abstützungen in der ausgebildeten Sandform hergestellt, in dem die Positionen der Abstützungen in jeder Schicht verändert werden. Dieses Loch kann sehr klein ausgebildet werden, so daß ein geschmolzenes Metall nicht eintreten kann. Da dieses Loch als ein Gasentlüftungsloch zum Zeitpunkt des Gußes fungiert, kann die Ausbildung eines Kernes und die Ausbildung eines Gasentlüftungsloches gleichzeitig bewerkstelligt werden.
Der Sand wird durch eine Wärmequelle oberhalb einer wärmeisolierenden Maske erhitzt. Diese Wärmequelle kann als ein Heizgerät oder ähnliches sehr einfach ausgebildet sein. Das Heizgerät ist billig und erhitzt einheitlich mit Leichtigkeit einen großen Bereich. Daher kann eine relativ große Sandform wirtschaftlich ausgebildet werden.
Mit den in einer Maskenform vorliegenden Inselabschnitten wird die Maske bevorzugterweise durch automatisches Anordnen von Abstützungen aus parallelen Linien an vorbestimmten Intervallen in einem Raum, die den Inselabschnitt umgeben, hergestellt. Bei der vorliegenden Erfindung werden die Abstützungen als parallele Linien an vorbestimmten Intervallen angeordnet. Daher kann die Anordnung der Abstützungen einfach automatisiert werden. Das Intervall der Abstützungen von parallelen Linien kann in einem Intervall erfolgen, das die Abstützungen in die Lage versetzt, den Inselabschnitt voll zu stützen. Wenn Abstützungen parallel zu den Außenlinien des Inselabschnitts vorgesehen werden, werden sie zu einer einzigen kombiniert, wenn sie sich kontaktieren. Andererseits wird in den meisten Fällen ein normaler Inselabschnitt durch ein XY-Koordinatensystem ausgedrückt und ist parallel zu der X und der Y Achse. Dann sind die parallelen Linien bevorzugt in einer schiefen Richtung von 45° basierend zu den XY Koordinaten.
Bevorzugterweise werden Abstützungen in der Form eines Gitters an vorbestimmten Intervallen im Raum um den Inselabschnitt herum angeordnet. Da die Abstützungen in dieser Gitterform angeordnet sind, ist es möglich sie auf einfache Weise automatisch anzuordnen. Die Festigkeit der Abstützung kann durch Anordnen in vorbestimmten Intervallen hinreichend bewerkstelligt werden.
Bevorzugterweise ist ein Schritt der Änderung der Position der automatisch angeordneten Abstützung in übereinstimmung mit dem Verbindungszustand zwischen dem Inselabschnitt und der Abstützung vorgesehen.
Nach dem auf diese Weise eine Abstützung automatisch angeordnet ist, wird die Position der Abstützung in übereinstimmung bzw. Abhängig von ihrem Verbindungszustand verändert. Beispielsweise wird eine innerhalb einer Rahmenform angeordnete unnötige Abstützung entfernt, eine Abstützung für eine Insel hinzugefügt, die durch die Abstützung an vorbestimmten Intervallen nichtabgestützt werden kann, oder die Position einer Abstützung zum Abstützen lediglich eines Endabschnitts eines Inselabschnitts wird geändert. Die Vorgänge werden automatisch ausgeführt. Dadurch kann die optimale Anordnung der Abstützungen in der Maskenform automatisiert werden.
Außerdem werden beim vorstehenden automatischen Abstützungsanordnungsschritt die Orte der Abstützung zwischen dem für benachbarte Schichten verwendete Masken unterschiedlich gewählt.
Wenn die Positionen von Abstützungen in benachbarten Schichten die gleichen sind, ist der Raumabschnitt einer Form, der durch die Abstützungen erzeugt wird, kontinuierlich ausgebildet und ein Abschnitt eines Gußes wird in diesem Raumabschnitt ausgebildet. Ein durch die Abstützungen erzeugter Raum in einer Form kann in eine vorbestimmte Gestalt geformt werden, in dem die Position der Abstützungen für benachbarte Schichten geändert wird, wobei ein geschmolzenes Metall vom Eintritt in den Raum abgehalten wird um Veränderungen in der Gestalt eines Gußes können verhindert werden.
Wenn beispielsweise die Abstützungen in der Form eines Gitters verwendet werden, wenn die Abstützungsmuster für lediglich zwei Schichten unterschiedlich gewählt werden, wird ein gemeinsamer Abschnitt erzeugt und bildet einen Raum für eine Guß. Abstützungsmuster für drei benachbarte Schichten werden unterschiedlich gewählt, so daß ein gemeinsamer Abschnitt für zwei benachbarte Schichten zu einer dritten Schicht nicht kontinuierlich ausgebildet ist, womit das vorstehend beschriebene Problem eliminiert wird.
Bevorzugterweise wird beim vorstehenden automatischen Abstützungsanordnungsschritt ein Inselabschnitt durch geschlossene Außenlinien abgeschätzt und eine Abstützung, die die gleiche Außenlinie verbindet, wird als unnötig entfernt.
Dadurch kann eine unnötige Abstützung, die die Innenseite eines ringförmigen Inselabschnitts verbindet, entfernt werden.
Beim vorstehenden Optimierungsänderungsschritt kann die Stabilität eines Inselabschnitts über die Mittenposition des Inselabschnitts und die Verbindungsposition einer Abstützung mit dem Inselabschnitt beurteilt, wobei der Verbindungszustand der Abstützung abhängig von dieser Stabilität geändert wird.
Wenn lediglich das Ende des Inselabschnitts durch eine Abstützung abgestützt wird, wird der Inselabschnitt unstabil. Die Abstützung wird dann geändert, um die Mitte des Inselabschnitts abzustützen, um die Maske stabil zu machen.
Bevorzugterweise ist der Herstellungsschritt einer Maske vorgesehen, in dem ein Metallblech mittels eines Lasers basierend auf einer Maskenform, in der Abstützungen angeordnet sind. In dem Metallblech, wie ein Stahlblech, mittels eines Lasers bearbeitet wird, um eine Maske auszubilden, kann eine vorbestimmte Maskenform auf einfache Weise verwirklicht werden.
Ein vorbestimmter Bereich einer jeden Sandschicht wird unter Verwendung der derart ausgebildeten Maske verfestigt, wobei diese wiederholt wird, um eine Sandform auszubilden. Weiterhin wird die derart ausgebildete Sandform für einen Guß verwendet, wodurch es möglich wird, einen Guß basierend auf 3-D Formdaten eines Rohmaterials auf einfache Weise herzustellen.
Gemäß diesem Verfahren können im einzelnen alle Daten von 3-D Daten eines Rohmaterials zu Daten zum Ausbilden eines Gußes gesammelt werden, wobei die Gestaltung bzw. die Konstruktion daher auf einfache Weise geändert werden kann. Da die Sandform durch Aufstapeln von Sandschichten ausgebildet wird, sind die für die Ausbildung dieser Sandform zu handhabenden Daten im wesentlichen Daten nach der 2-D Form, die auf einfache Weise verarbeitet werden können. Weiterhin ist es nicht erforderlich, zum Zeitpunkt der Ausbildung einer Sandform die Formschräge und die Teilung zu berücksichtigen, das leicht herzustellen ist.
Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Ausbildung einer Maske, die Ausbildung einer Sandform und die Herstellung eines Gußes auf wirtschaftliche Weise ausgeführt werden.
Das Verfahren zum Herstellen eines Gußes gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Guß erzeugt wird, der die Sandform verwendet, die Mittels des vorstehend beschriebenen Sandformverfahrens ausgebildet wird.
Wie vorstehend beschrieben hat die Form keine Formschräge und Teilung, da die derart erhaltene Form direkt ausgebildet wird. Daher kann die Gestaltung einer Sandform auf einfache Weise mit CAD Daten einer Produktform ausgeführt werden. Weiterhin wird die derart erhaltene Sandform dazu verwendet, einen Guß zu erhalten, der nicht dicker als notwendig ist, wobei die Nachbearbeitung einfach ist und die wirtschaftliche Verwendung von Material verwirklicht ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese Aufgabe und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachstehende Beschreibung mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlich, wobei:
1 ist eine Darstellung, die den gesamten Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Zeittafel, die die Wirkungsweise des ersten Ausführungsbeispiels zeigt;
3(A) und 3(B) zeigen Beispiele einer Laserstrahlwelle;
4(A), 4(B), 4(C), und 4(D) zeigen Beispiele einer abschrimenden Maske;
5 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer abschirmenden Maske für einen YAG Laser zeigt;
6 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines Sandstreuers zeigt;
7(A) und 7(B) zeigen den Vergleich eines Zustands von ausgehärtetem Harz zwischen dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik;
8 ist eine Darstellung, die den Bearbeitungsschritt zwischen dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik vergleicht;
9 ist eine Darstellung, die den Aufbau einer Vielfachstation zeigt;
10 ist eine Zeittafel, die die Wirkungsweise zeigt, wenn eine Vielfachstation verwendet wird;
11 ist eine Darstellung, die den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist eine Darstellung, die den Aufbau eines Heizgeräts eines zweiten Ausführungsbeispiels zeigt;
13 ist eine Darstellung, die einen Transfermechanismus des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt;
14 ist eine Darstellung, die den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 ist eine Darstellung, die aufgeteilte Blöcke des dritten Ausführungsbeispiels zeigt;
16 ist ein Flußdiagramm, das die Wirkungsweise des dritten Ausführungsbeispiels zeigt;
17 ist eine Darstellung, die den Erwärmungszustand des dritten Ausführungsbeispiels zeigt;
18 ist ein Flußdiagramm, das den Bearbeitungsbetrieb des dritten Ausführungsbeispiels zeigt;
19(A), 19(B) und 19(C) zeigen die Form eines Untersatzes und einer auf dem Untersatz ausgebildeten Sandschicht;
20 ist eine Darstellung, die die Korngrößenverteilung von Sand gemäß einem fünftem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
21 ist eine Darstellung, die zeigt, wie zwei Arten von Sand gestreut werden;
22 ist eine Darstellung, die zwei unterschiedliche Streuer zeigt;
23 ist eine Darstellung, die ein Beispiel zeigt, bei dem gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch einen Schwingungserzeuger Schwingungen angewendet werden;
24 ist eine Darstellung, die ein Beispiel zeigt, bei dem Sand durch eine Platte komprimiert wird;
25 ist eine Diagramm, die das Verfahren zum Herstellen einer Maske gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
26 ist ein Flußdiagramm, das den Vorgang zum Erzeugen einer Abstützform zeigt;
27 ist eine Darstellung, die den Aufbau von schiefen Abstützformen zeigt;
28 ist eine Darstellung, die den Aufbau zeigt, wenn zwei unterschiedliche schiefe Abstützmuster verwendet werden;
29 ist eine Darstellung, die den Aufbau zeigt, wenn zwei unterschiedliche Gitterabstützmuster verwendet werden;
30 ist eine Darstellung, die den Aufbau zeigt, wenn drei unterschiedliche Gitterabstützmuster verwendet werden;
31 ist eine Darstellung, die eine bestimmte Anzahl von Wiederholungen von Masken M und eine bestimmte Anzahl von Abstützmustern M erläutert;
32 ist eine Darstellung, die die Teilung und Weite einer Abstützung erläutert;
33 ist eine Darstellung, die die Anordnung der Abstützungen nach einem ersten Muster zeigt;
34 ist eine Darstellung, die eine Anordnung von Abstützungen nach einem N-ten Muster zeigt;
35 ist eine Darstellung, die unnötige Abschnitte einer Abstützung erläutert;
36 ist eine Darstellung, die die Unterteilung einer Abstützung erläutert;
37 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer nicht notwendigen Abstützung zeigt;
38 ist eine Darstellung, die Orte zeigt, die zusätzliche Abstützungen erfordert;
39 ist eine Darstellung, die zeigt, wie eine Abstützung hinzugefügt (teil) wird;
40 ist eine Darstellung, die eine Abstützung hinzugefügt wird, (ganzes);
41 ist eine Darstellung, die eine Abstützung für einen U-förmigen Inselabschnitt zeigt;
42 ist eine Darstellung, die einen instabilen Inselabschnitt zeigt;
43 ist eine Darstellung, die die Beurteilung eines unstabilen Inselabschnitts zeigt;
44 ist eine Darstellung, die die Speicherung von Positionen einer Abstützung erläutert;
45 ist ein Flußdiagramm, das den Vorgang des Überprüfens der Überlappung zwischen Abstützungen benachbarter Muster zeigt;
46 ist eine Darstellung, die eine sequentielle Drehfunktion für dargestellte Maskenformen erläutert;
47 ist eine Darstellung, die eine Abstützungsform-Entfernungsfunktion erläutert;
48 ist eine Darstellung, die eine Abstützungsform-Hinzufügungsfunktion erläutert;
49 ist eine Darstellung, die den Aufbau eines kompletten Systems zeigt;
50 ist eine Darstellung, die die Funktion eines Computers erläutert;
51 ist eine Darstellung, die den Vorgang des Laserbearbeitens zeigt;
52 ist eine Darstellung, die die Schritte von der Herstellung einer Sandform bis zum Guß erläutert;
BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
Aufbau
1 zeigt den ganzen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Laseroszillator 12 erzeugt einen Laserstrahl, der als Wärmequelle dient, wobei verschiedene Laseroszillatoren, die Kohlendioxidgaslaser, YAG (Ytrrium-Aluminium-Granat) Laser und ähnliche verwendet werden können. Ein Laserstrahl aus einem Laseroszillator 12 wird einer diffusen Laserstrahlquelle 16 über eine flexible optische Faser 14 zugeführt. Die diffuse Laserstrahlquelle 16 hat eine vorbestimmte Linse, sie streut den zugeführten Laserstrahl in einen vorbestimmten diffusen Laserstrahl nach der Ausstrahlungsart mit weitem Bereich und sie strahlt den diffusen Laserstrahl aus.
Die diffuse Laserstrahlquelle 16 wird durch einen XY Plotter 18 gehalten. Der XY Plotter 18 hat feste Schienen 18a für die X-Achse (ein Paar) und eine Schiene 18b für die Y-Achse, die entlang der Schienen 18a für die X-Achse fahren, wobei die diffuse Laserstrahlquelle 16 sich entlang der Schiene 18b für die Y-Achse bewegt, um sie frei über die XY-Ebene zu bewegen.
Unterhalb dem XY Plotter 18 ist ein Sandschicht-Hebetisch 10 vorgesehen. Der Sandschicht-Hebetisch 20 hat eine geöffnete Oberseite und eine Grundplatte, die sich vertikal bewegen kann, wobei ein Behälter zur Aufnahme von harzbeschichtetem Sand zur Herstellung einer Sandform auf der Oberseite der Grundplatte ausgebildet ist. über dem Sandschicht-Hebetisch 20 ist ein Haar von Schienen 22 angeordnet, auf denen ein Sandstreuer 24 und eine Sandrolle 26 beweglich montiert sind.
Der Sandstreuer 24 ist ein trichterförmiger Behälter mit einer Öffnung in seinem Grundabschnitt und er streut darin befindlichen Harzbeschichteten Sand nach unten zum Behälter des Sandschicht-Hebetisches 20. Der Sandroller 26 ist zylindrisch und rollt sich während der Bewegung ab, um die Oberfläche des Sands einzuebnen, der im Behälter des Sandschicht-Hebetisches 20 enthalten ist.
Der Sandstreuer 24 und die Sandrolle 26 sind über ein Verbindungsmaterial 28 verbunden und bewegen sich integral entlang der Schienen 22 durch einen beweglichen Zylinder 30. Bei diesem Beispiel erstrecken sich die Schienen 22 in der Y-Achsenrichtung, wobei sich der Sandstreuer 24 und der Sandroller 26 in der Y-Achsenrichtung durch die Bewegung des beweglichen Zylinders 30 rückwärts und vorwärts bewegen. Weiterhin ist vor dem Verbindungsmaterial 28 ein abnehmbares Maskenhaltematerial 32 vorgesehen, das entlang der Schienen 22 beweglich ist.
Die Schienen 22 erstrecken sich über die untere Seite der Schiene 18b für die Y-Achse auf der Seite der Dartellung der XY Plotters 18 hinaus, wobei ein Maskenlagerungsträger 34 auf der rechten Seite seines Verlängerungsabschnitts angeordnet ist und ein Maskensammelträger 36 ist auf der linken Seite des Verlängerungsabschnitts angeordnet. Über diesem Maskenlagerungsträger 34 und diesem Maskensammelträger 36 ist eine Maskentransfereinheit 40 zum Transferieren bzw. übertragen einer Maske 38 von dem Maskenlagerungsträger 34 zum Maskensammelträger 36 angeordnet. Diese Maskentransfereinheit 40 besteht aus einem Maskenhalteabschnitt 40a zum Halten der Maske 38, einem Hebeabschnitt 40b zum vertikalen Bewegen des Maskenhalteabschnit6ts 40a und einem Bewegungsabschnitt 40c zum Bewegen des Hebeabschnitts 40b in der X-Achsenrichtung. Die auf dem Maskenlagerträger 34 aufgestapelten und gehaltenen Masken 38 können auf dem Maskenhaltematerial 32 über den Schienen 22 montiert werden und durch die Maskenbewegungseinheit 40 vom Maskenhaltematerial 32 am Maskensammelträger 36 gesammelt werden. Das Maskenhaltematerial 32 hält die Maske 38, hält die Maske an einer vorbestimmten Position und überträgt einen Laserstrahl, der über das Loch der Maske 38 nach unten passiert. Der Maskenhalteabschnitt 40a ist als Saugnapf, Elektromagnet oder ähnliches ausgebildet.
Mit anderen Worten wird der Maskenhalteabchnitt 40a über der gehaltenen Maske 38 von oberhalb des Maskenlagerträgers 34 durch den Hebeabschnitt 40b nach unten bewegt und erhält dann die Maske 38. Nachdem der Maskenhalteabschnitt 40a nach oben bewegt wurde, wird die Maske 38 über dem Maskenhaltematerial 32 an den Verlängerungsabschnitten der Schiene 22 durch den beweglichen Abschnitt 40c positioniert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Maske 38 durch den Hebeabschnitt 40b nach unten bewegt und der Maskenhalteabschnitt 40a gibt die Maske 38 über den Maskenhaltematerial 32 frei, das wiederum veranlaßt wird, die Maske 38 zu halten. Mit einem ähnlichen Vorgang kann die durch das Maskenhaltematerial 32 über den Schienen 22 gehaltene Maske 38 auf den Maskensammelträger 36 montiert werden.
Weiterhin ist ein Mechanismus zum Halten des Maskenhaltematerials 32 an einem vorderen Endabschnitt des Verbindungsmaterials 28 zum Verbinden des Sandstreuers 24 und der Sandrolle über den Schienen 22 vorgesehen. Daher hält das Maskenhaltematerial 32 diesen Mechanismus, wenn das Verbindungsmaterial 28 sich auf diese Seite bewegt, schiebt die Maske zusammen mit dem Maskenhaltematerial 32 zusammen, wenn er rückwärts bewegt wird und gibt das Maskenhaltematerial 32 frei, wenn er auf diese Seite bewegt wird, wodurch die Maske 38 entlang der Schienen 22 in Richtung der Y-Achsenrichtung bewegt werden kann.
Eine Steuerung 32 steuert den Betrieb des Laseroszillators 12, des XY Plotters 18, des Sandhebetisches 20, des beweglichen Zylinders 30, der Maskenbewegungseinheit 30 und ähnliches.
Betriebsweise
Der Betrieb dieser Vorrichtung wird nachstehend beschrieben. Wenn eine Sandform unter Verwendung dieser Vorrichtung hergestellt wird, wird eine große Anzahl von Querschnittsformen aus CAD-Daten über die Sandform zunächst erhalten und eine Viel zahl von Masken 38, die den Querschnittsformen entsprechen, werden vorbereitet. Ein Sandstreuer 24 enthält harzbeschichteten Sand, der mit Kunststoff beschichtet ist, der geschmolzen wird, wenn er mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird. Eine Maske 38 ist auf dem Maskenhaltematerial 32 an den Verlängerungsabschnitten der Schienen 22 durch die Maskenbewegungseinheit 40 montiert, wobei der Sandstreuer 24 und der Sandroller 26 durch den beweglichen Zylinder 30 auf diese Seite hin bewegt werden und das Maskenhaltematerial 32 das die Maske 38 hält, wird durch das Verbindungsmaterial 28 gehalten. Danach wird der Sandstreuer 24, der Sandroller 26 und die Maske 38 durch den beweglichen Zylinder 30 rückwärts bewegt. An diesem Punkt wird der Sand mittels des Sandstreuers 24 gestreut und wird vom Behälter des Sandschicht-Hebetisches 20 aufgenommen. An einem oberen Abschnitt des Sandschicht-Hebetisches 20 ist die Position der Grundplatte befestigt, um den Sand für eine Schicht zu enthalten.
Wenn der Sandstreuer 24 und der Sandroller 26 zurückgefahren sind, ist die Maske 38 über dem Sandschicht-Hebetisch 20 angeordnet, der mit Sand versorgt ist. Der Abstand zwischen der Maske 38 und der Oberseite des Sandes wird auf einige Millimeter eingestellt.
Nachdem die vorstehenden, anfänglichen Betriebsvorgänge ausgeführt worden sind, wird der Betrieb gemäß 3 wiederholt. D.h., während Sand für eine Schicht im Sandschicht-Hebetisch 20 enthalten ist, und die Maske 38 über dem Sandschicht-Hebetisch 20 angeordnet ist, wird die diffuse Laserstrahlquelle 16 über die Maske 38 durch den XY Plotter 18 bewegt und strahlt einen Laserstrahl auf die Maske 38 aus.
Dadurch wird das auf einen beaufschlagten Abschnitt des Sands beschichteten Harzes thermisch ausgehärtet und der Abschnitt wird verfestigt, bzw. gebunden. Bei diesem Beispiel wird zum Zeitpunkt der Laserbelichtung die diffuse Laserstrahlquelle 16 über die Maske 38 mehrere Male bewegt, um einen Laserstrahl über den ganzen Bereich der Maske 38 einheitlich auszustrahlen.
Wenn die Laserbelichtung auf diese Weise abgeschlossen ist, wird die Maske auf diese Seite zusammen mit dem Sandstreuer 24 und dem Sandroller 26 durch den beweglichen Zylinder 30 bewegt. Nachdem die Grundplatte des Sandschicht-Hebetisches 20 um eine Schichtdicke nach unten bewegt worden ist und die auf dem Maskenhaltematerial 32 befindliche Maske 38 durch die Maskenbewegungseinheit 40 simultan zum Maskensammelträer 36 transferiert wird, wird der Maskenaustauschvorgang ausgeführt, in dem die nächste auf dem Maskenlagerträger 34 befindliche Maske 38 zum Maskenhaltematerial 32 getragen wird.
Der Betrieb des Ausbildens einer jeden Schicht durch Streuen von Sand, setzen einer Maske über den Sand und Ausstrahlen eines Laserstrahls, wie vorstehend beschrieben, wird wiederholt, um eine 3-D strukturierte Sandform auszubilden. Die derart ausgebildete Sandform wird verwendet, um den Gießvorgang durchzuführen.
Diffuse Laserstrahlquelle
Es kann eine befestigte Art einer diffusen Laserstrahlquelle gemäß 3(A) als die diffuse Laserstrahlquelle 16 verwendet werden. Bei diesem Beispiel hat die diffuse Laserstrahlquelle 16 eine konkave Linse 16a, um den Punktdurchmesser eines Laserstrahls mit hoher Ausgangsleistung aus einem Kohlendioxidgaslaser oder ähnlichem auf einige 10 cm auszuweiten und in aufgeweiteten Laserstrahl auf die Maske 38 auszustrahlen.
Dadurch kann die Laserbelichtung abgeschlossen werden, wobei die diffuse Laserstrahlquelle 16 fest ist. Wenn eine derartige diffuse Laserstrahlquelle 16 verwendet wird, kann der XY Plotter 18 lediglich in die X-Achsenrichtung zum Verschieben be wegt werden und die diffuse Laserstrahlquelle 16 kann auf der Schiene 18b für die Y-Achse befestigt sein.
Die diffuse Laserstrahlquelle 16 gemäß 3(B) kann in beiden Richtungen der X und der Y-Richtung scannen. D.h., bei diesem Beispiel erweitert die diffuse Laserstrahlquelle 16 den Punktdurchmesser eines Laserstrahls mit einem Strahldurchmesser von 0.2 mm bis einige mm auf einige 10 mm und strahlt den erweiterten Laserstrahl aus. Daher kann sie den Laserstrahl nicht auf den gesamten Bereich der Maske, wie sie ist, ausstrahlen. Sie wird dann durch den XY Plotter 18 bewegt, um den gesamten Bereich der Maske 38 abzutasten bzw. zu scannen, um den Bestrahlungsschritt abzuschließen.
Bei jeder der diffusen Laserstrahlquellen 16 gemäß den 3(A) und 3(B) wird die Strahlenergie des Lasers auf einen Energiebetrag eingestellt, der zum Aushärten des Harzes des mit 0.2 mm harzbeschichtetem Sand geeignet ist.
Maske
Die Maske 38 ist aus abnutzungsfestem Blechmaterial ausgebildet, das Laserlicht abschirmen kann, und das Löcher für die Abschnitte aufweist, die verfestigt werden sollen. Wenn beispielsweise ein Kohlendioxidgaslaser oder ein YAG-Laser verwendet wird, werden Kupfer oder Eisenbleche mit ausgeschnittenen Abschnitten verwendet. Die Maske 38 kann auf einfache Weise mit einer NC-Laserschneidmaschine oder ähnlichem bearbeitet werden. Da der ausgestrahlte Laserstrahl eine relativ niedrige Energiedichte zum Aushärten von lediglich einer einzigen Schicht von thermofestigbarem harzbeschichtetem Sand (0,2 mm) hat, hat ein als Maske 38 verwendetes Metallblech eine hinreichende Abnutzungsfestigkeit.
Abhängig von der Form kann ein ausgeschnittener Abschnitt der Maske 38 von anderen Abschnitten getrennt werden. Um bei spielsweise eine Sandform gleich einer quadratischen Ausdehnung herzustellen, wie in 4(A) dargestellt ist, ist ein unterer Abschnitt der Maske 38 lediglich ein rahmenartigen Umfangsabschnitt 38a wie in 4(B) dargestellt ist. In diesem Fall gibt es daher kein Problem, wobei ein oberer Abschnitt oberhalb des unteren Abschnitts der Maske 38 eine quadratische Insel 38b in der Mitte erfordert. In diesem Fall muß die Insel 38b mit dem Umfangsabschnitt 38a durch Abstützungen 38c verbunden werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel, wie in 4(C) und 4(D) dargestellt ist, werden die Positionen der Abstützungen 38c der Masken von benachbarten Abschnitten unterschiedlich zueinander ausgebildet. Dadurch sind nicht ausgehärtete Abschnitte unterhalb den Abstützungen 36c in vertikaler Richtung nicht kontinuierlich ausgebildet. Diese nicht ausgehärtete Schicht ist dünn und die Breite ist schmal (z.B. 0.2 mm × 5 mm). Auch wenn ein Raum entsprechend dieser nicht ausgehärteten Schicht in der Sandform hergestellt wird, wird geschmolzenes Metall während des Gußes in diesen Raum nicht eintreten. Weiterhin kann ein Vorteil erhalten werden, wobei dieser Raum als Gasentlüftungsloch während des Gußes fungiert.
Wenn ein YAG-Laserstrahl als Laserstrahl verwendet wird, passiert der YAG-Laserstrahl Quarzglas. Wie in 5 dargestellt ist, kann dann ein Maskenabschnitt 38e auf einem Quarzglassubstrat 38d durch Dampfablagerung eines Metalls ausgebildet werden. Hierdurch muß eine Insel nicht durch Abstützungen verbunden werden. Ein Gasentlüftungsloch muß nicht als eine Abstützung fungieren und kann auf geeignete Weise ausgebildet werden.
Positionierstifte könnten an vier Ecken der Maske 38 vorgesehen werden, so daß sie auf vorteilhafte Weise zum Positionieren der Maske beim Transport oder beim Montieren verwendet werden können. Weiterhin können Führungen am Maskenlagerungs träger 34 und dem Maskensammelträger 36 vorgesehen sein, um die Maske 38 zur Positionsbestimmung der Maske 38 zu umgeben. Ein Anschlag kann ebenso am Sandschicht-Hebetisch 20 an einer geeigneten Position zur Positionsbestimmung der Maske 38 vorgesehen sein, oder verschiedene Sensoren können verwendet werden, um eine genaue Positionsbestimmung durchzuführen.
Sand
Herkömmlicherweise verwendeter Sand kann nicht direkt als der in diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendete Sand verwendet werden. Sogenannter mantelformharzbeschichteter Sand, der verwendet wird, um Gußeisen und Aluminiumgüße herzustellen, wird im allgemeinen in eine erwärmte Metallform eingeblasen, gebacken und verfestigt. Bei dieser Anwendung wird relativ grober Sand (15 bis 30 nm beispielsweise} verwendet, um ein erzeugtes Gas zum Zeitpunkt des Gußes auszustoßen. Bei der vorliegenden Erfindung muß jedoch eine Schicht von ungefähr 0.2 mm ausgebildet werden, wobei Sand mit kugelförmigen Körnern mit der Feinheit von 5 bis 10 nm verwendet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden Gasentlüftungslöcher, wie vorstehend beschrieben, ausgebildet.
Weiterhin wird im allgemeinen Quarzsand als harzbeschichteter Sand verwendet, wobei sein thermischer Ausdehnungskoeffizient ungefähr 60 bis 100 beträgt. Wenn dieser Sand bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird, wird er durch Belichtung mit Laserlicht ausgedehnt, wobei thermische Verformung und Rißbildung verursacht werden. Daher ist bei diesem Ausführungsbeispiel Sand mit geringer Ausdehnung, wie Zirkonsand oder Mullitsand (beide haben einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 30 bis 50), geeignet. In Übereinstimmungmit den Anwendungszwecken können Metallpulver, feine keramische Partikel oder ähnliches verwendet werden.
Verschiedene Arten von Harze können als das Beschichtungs- bzw. Ummantelungsharz in Übereinstimmung mit dem Gußvorgang verwendet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es im einzelnen wichtig, die Grenze zwischen einem Wärmelaserbelichtungsbereich und einem nicht Belichtungsbereich genau zu definieren, wobei die Genauigkeit der Abmessungen erhöht wird. Sand mit einem engen Bereich der Aushärtungsreaktionstemperatur oder mit guten Abrolleigenschaften wird dann bevorzugt.
Sandstreuer
6 zeigt einen Sandzufuhraufbau, der als Sandstreuer 24 dient. Der Sandstreuer 24 hat einen trichterförmigen Behälter 24a und ein rotierendes Schaufelrad 24b, das in einer Öffnung in seinem unterem Abschnitt angeordnet ist. Durch Drehen des rotierenden Schaufelrades 24b fällt im Behälter 24a befindlicher Sand heraus und wird gestreut. Der EIN/AUS-Betrieb des Streuens und der Betrag des gestreuten Sandes werden durch Steuerung der Rotation des rotierenden Schaufelrades 24b gesteuert. Auf der Rückseite (diese Seite in 1) des Sandstreuers 24 in seiner Haarrichtung ist ein Abstreicher 50 vorgesehen. Dieser Abstreicher 50 ist zwischen dem Sandstreuer 24 und dem Sandroller 26 angeordnet und mit dem Verbindungsmaterial 28 verbunden. Der Abstreicher 50 glättet die Oberfläche des durch den Sandstreuer 24 gestreuten Sandes während er sich zur rechten Seite in 6 (Rückseite in 1) bewegt. Weiterhin preßt der Sandroller 26, der hinter dem Abstreicher 50 vorgesehen ist, die Oberfläche des durch den Abstreicher 50 geglätteten Sandes und komprimiert den Sand, um eine Sandschicht (0,2 mm) auf der Oberfläche des Sandschicht-Hebetisches 20 auszubilden.
Auf diese Weise kann bei diesem Ausführungsbeispiel das Streuen und Rollen des Sandes wirkungsvoll durch eine einmalige Bewegung ausgeführt werden, wodurch die Hochgeschwindigkeitsausbildung einer Sandschicht möglich gemacht wird, wie vorstehend beschrieben ist, da weiterhin die Maske 38 über die Sandschicht während der Bewegung für die Ausbildung der Sandschicht positioniert werden kann, die Zeit zum Bearbeiten einer Schicht extrem kurz.
Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels
Da auf diese Weise gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Maske und ein diffuser Laserstrahl verwendet werden, ist ein Laserstrahlabtasten nicht erforderlich und, auch wenn es erforderlich ist, ist die Anzahl der Abtastungen extrem klein. Daher wird die Bearbeitung einer Schicht schnell und daher ist es möglich, die Zeit, die zur Ausbildung einer Sandform als ganzes erforderlich ist, zu Verringern. Da die Sandform auf einfache Weise durch mehrfaches Verwenden der ausgebildeten Masken in Massen produziert werden kann. Ist die Sandform für das Gießen in Massenproduktion extrem geeignet.
Wenn im einzelnen keine Maske verwendet wird, und ein Laserstrahl mit einem kleinen Punktdurchmesser verwendet wird, wie dies im Stand der Technik der Fall ist, ist es erforderlich, lediglich Abschnitte, die dem Laserlicht ausgesetzt werden müssen, abzutasten, wobei für diesen Zweck für jeden Abtastvorgang eine Steuerung erforderlich ist. Zusätzlich ist die Zeit, die zur Belichtung von allen Abschnitten, die belichtet werden müssen, verlängert.
Da weiterhin ein konvergierender Strahl beim Verfahren gemäß dem Stand der Technik verwendet wird, ist es schwierig eine einheitliche Energiedichte zu erreichen, wobei der Bereich, der mit Energie versorgt wird, kreisförmig ist. Wie in 7(A) dargestellt ist, ist daher der thermisch ausgehärtete Bereich wie eine Nut ausgeformt, wobei seine Abschnitts- und Ebene-Grenzformen unklar werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird jedoch eine Kombination aus einer Maske und einem diffusen Laserstrahl verwendet, um einheitliche Energie zur Verfügung zu stellen, wie dies in 7(B) dargestellt ist, wobei sowohl die Abschnitts- als auch die Ebene-Formen der thermisch ausgehärteten Bereiche klarer ausgebildet werden können.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann auf diese Art eine Sandform mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden, wobei Güsse in Massenproduktion unter Verwendung dieser Sandform hergestellt werden können. Diesbezüglich hat das Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile bezüglich der Gestaltung eines Gußstücks und bezüglich der Vorbereitung zur Produktion.
Beim Gießverfahren nach dem Stand der Technik, wie auf der linken Seite gemäß 8 dargestellt ist, werden die Teilung/die Formschräge (S2), die Bearbeitungszugabe (S3) und das in Betracht ziehen des Ausdehnungsmaßstabes/der Verzugsverformung (S4) für eine Produktgestalt (S1) ausgeführt, die für die Funktion eines jeden Produktes erforderlich ist, wobei die Formgestaltung/Herstellung (S5) ausgeführt wird. Die derart hergestellte Sandform wird verwendet, um ein Produkt abzugießen.
Wie in S2 dargestellt ist, werden daher unnötige Abschnitte (dargestellt durch schrägverlaufende Linien) beruhend auf Teilung/Formschräge, die gleich nach S2 dargestellt ist. Da ein Produkt mit lediglich zwei Formen nicht ausgebildet werden kann, ist ein Holzkern erforderlich. Ein Guß, der unter Verwendung einer derartigen Sandform erhalten wird, ist dicker als erforderlich und verfügt nicht über die gestaltete Produktgestalt. Sie muß dann auf die gestaltete Produktgestalt bearbeitet werden. Durch Teilung verursachter Gußgrad wird im Produkt erzeugt und muß abrasiert werden. Da weiterhin eine Bearbeitungszugabe zum Bearbeiten erforderlich ist, wird das Produkt wesentlich dicker als erforderlich.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird jedoch, wie auf der rechten Seite von 8 dargestellt ist, ein Computermodell mit einer Produktgestalt mittels einer CAD-Einheit (S11) ausgebildet. Danach wird eine FEM (Finite Element Model) Analyse der Maßstabsausdehnung mit der Verzugsverformung basierend auf diesem durchgeführt, wobei die Gestalt der Sandform für jeden Abschnitt bestimmt wird, um die Sandform basierend auf dem Ergebnis dieser Analyse (S12) auszubilden. Dann wird basierend auf dieser Abschnittsform jede Schicht ausgebildet, um eine Sandform (S13) zu erhalten, wobei unter Verwendung der Sandform der Guß ausgeführt wird.
Da die Abschnittsformen der Sandform ausgehend von einem Computermodell, das die gestaltete Produktgestalt zum Zeitpunkt der Gestaltung der Sandform hat, eines über das andere laminiert werden kann, ist es überhaupt nicht mehr erforderlich, die Teilung und die Formschräge in Betracht zu ziehen. Daher wird eine Maske für jeden Abschnitt ausgebildet und dazu verwendet, die Sandform auszubilden, wie vorstehend beschrieben, wodurch die endgültige Sandform die gestaltete Produktgestalt so erhält wie sie ist, wobei unter Verwendung der Sandform ein Guß erhalten wird, der nicht dicker als erforderlich, wie beim Stand der Technik ist, und er ist extrem nahe an der gestalteten Produktgestalt. Daher kann ein hochgenauer Guß in Massenproduktion schnell ausgeführt werden.
Ausdehnung, Rundung und ähnliches treten bei diesem Ausführungsbeispiel zum Zeitpunkt des Gusses ebenso auf. Jedoch kann die Gestalt einer Sandform zum Erhalten eines endgültig erforderlichen Produkts invers kalkuliert werden, in dem der Betrag der Verformung durch Eingießen von geschmolzenen Metall bis zum Abkühlen mit Ausdrücken der thermoelastischen Plastizität durch eine FEM-Technik oder ähnlichem analysiert werden. Da es keine Veränerung in der Produktgestalt für Formschrägen oder ähnliches gibt, wird diese Berechnung einfacher.
Vielfache Station
Wie beschrieben ist, gemäß diesem Ausführungsbeispiel, die effiziente Produktion einer Sandform möglich. Diese Produktion wird noch effizienter, wenn sie in einer Vielzahl von Stationen ausgeführt wird. 9 zeigt ein Beispiel des Aufbaus von einer Vielzahl von Stationen. Wie in der Figur dargestellt werden die gleichen Bezugsziffern der diffusen Laserstrahlquellen 16, der Sandschicht-Hebetische 20 und ähnliches wie die der Stationen, vorgesehen (sechs in diesem Beispiel). Ein Laserstrahl von einem einzigen Laseroszillator 12 wird an sechs diffuse Laserstrahlquellen 16 (der Reifte nach zugeführt) mittels eines Laserverteilers 52 verteilt wird.
Die Masken sind an einem Maskenbefestiger 54 befestigt, wobei ein Maskentransporter 56 unterhalb von diesem Maskenbefestiger 54 vorgesehen ist. Der Maskenbefestiger 54 liefert der Reihe nach die Masken 38 an den Transporter 56.
Der Maskentransporter ist quer zu allen Stationen angeordnet, wobei jede transportierte Maske 38 zwischen einer diffusen Laserstrahlquelle 16 und einer Sandschicht des Sandschicht-Hebetisches 20 angeordnet. Zu diesem Zweck sind die Stationen unter gleichen Intervallen angeordnet, wobei die Maske 38 nach und nach an jeder Station positioniert wird, in dem sie um den Abstand dieses Intervalls bewegt wird (ein Schritt). Die durch die sechste Station passierende Maske 38 kommt auf die Oberseite des Maskenbefestigers 54 zurück.
Der Betrieb dieser Vorrichtung wird beschrieben. Zuerst wird die Maske 38 für die erste Schicht an der ersten Station positioniert. An diesem Punkt ist der Sand von einer Schicht im Sandschicht-Hebetisch 20 der ersten Station vorbereitet. Danach wird ein Laserstrahl auf den Sand auf der ersten Station durch die diffuse Laserstrahlquelle 16 der ersten Station ausgestrahlt.
Dann wird die erste Maske 38 zur zweiten Station um einen Schritt durch den Maskentransporter 56 bewegt, wobei die zweite Maske 38 auf der ersten Station positioniert wird. Bei der ersten und zweiten Station wird der Laserstrahl ausgestrahlt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die erste Maske bei der sechsten Station positioniert ist, wobei die sechste Maske 38 an der ersten Station positioniert ist. In diesem Zustand, wie in 10 dargestellt ist, nachdem die Laserbelichtung der Reihe nach von der ersten bis zur sechsten Station durchgeführt worden ist, werden die Vorgänge des nach unten bewegens des Sandschicht-Hebetisches 20 um den Abstand einer Schicht, das Bewegen der Maske 38 und das Bestreuen mit Sand der Reihe nach wiederholt.
Auf diese Weise können Sandformen entsprechend der Anzahl der Stationen (sechs in diesem Beispiel) mit einem Satz von Masken simultan ausgebildet werden. Da die Laserbelichtungszeit kurz ist, kann ein Laserstrahl von einem einzigen Laseroszillator 12 verteilt werden, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Da der Abstand zwischen der diffusen Laserstrahlquelle 16 und dem Sand relativ groß in diesem Beispiel ist, werden ein Paar von Linsen 58 verwendet, um das durch die Maske passierende Licht genau auf den Sand zu strahlen.
Da die Maske dem Laserstrahl sechs Mal ausgesetzt ist und die Temperatur der Maske angehoben wird, wird eine Kühleinheit, wie eine Luftkühlungseinheit hinzugefügt.
Auf diese Weise kann die Produktivität enorm vergrößert werden.
Zweites Ausführungsbeispiel
11 ist eine Darstellung, die den gesamten Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Plattenheizgerät 70 beinhaltet einen Wärmerzeuger 70a, wie ein Mikromdraht, der Wärme über seine gesamte Oberfläche erzeugt, wenn er von außen mit Leistung versorgt wird. Eine wärmeisolierende Maske 72 ist nahezu die gleiche, wie die abschirmende Maske 38 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei eine vorbestimmte Zahl der Maske 72 mit einer vorbestimmten Lochgestalt vorbereitet sind. Diese wärmeisolierende Maske 72 hat die Fähigkeit Wärme vom Heizgerät abzuschalten. Daher wird, wenn die wärmeisoliernede Maske 72 unterhalb des Heizgerätes 70 installiert ist, lediglich der Sand unterhalb des Loches aufgeheizt.
Der Aufbau des Sandstreuers 24, der Sandrolle 26, des Abstreichers 50, des Sandschicht-Hebetisches 20 und ähnliches sind denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels gleich.
Nachdem der Sand von einer Schicht im Sandschicht-Hebetisch 20 aufgebracht worden ist, wird das Heizgerät 70, in das die wärmeisolierende Maske 72 eingesetzt worden ist, über dem Sand positioniert. Dadurch wird lediglich der unter dem Loch der wärmeisolierenden Maske 72 befindliche Sand aufgeheizt, wobei das Harz ausgehärtet wird. Dann werden die wärmeisolierenden Masken 72 der Reihe nach ausgetauscht und jede Sandschicht wird ausgehärtet, um die Sandform auszubilden. Die Wärmeffizienz ist besser, wenn die Maske näher zur Oberfläche des Sandes während der Erwärmung ist. Da es jedoch empfohlen wird, daß die Maske nicht in direktem Kontakt mit dem Sand ist, beträgt der Spalt zwischen der Maske und dem Sand bevorzugt 0,1 bis 2 mm. Weiterhin wird die wärmeisolierende Maske 72 unterhalb dem Heizgerät 70 bei jedem Aushärtevorgang installiert. Die wärmeisolierende Maske 72 wird bevorzugt durch Vakuum angesaugt oder durch einen Elektromagneten gegen das Heizgerät 70 gezogen. Wenn beispielsweise die Sauglöcher 70b an vier Ecken des Heizgerätes 70, wie in 12 dargestellt ist, ausgebildet sind, kann die wärmeisolierende Maske 72 mittels Vakuum über die Maskensauglöcher 70b angesaugt werden, wobei das Befestigen und das Lösen der wärmeisolierenden Maske 72 durch den EIN/AUS-Betrieb der Vakuumsaugvorrichtung gesteuert werden kann.
Bei diesem Beispiel sind Führungen 70c bevorzugter Weise um die Maskenbefestigungsoberfläche des Heizgerätes 70 zum Positionieren der wärmeisolierenden Maske 72 bezüglich des Heizgerätes 70 ausgebildet, so daß die wärmeisolierende Maske 72 positioniert werden kann. Weiterhin sind ebenso Positionierstifte 70d bevorzugt vorgesehen. In diesem Fall sind Ausnehmungsabschnitte in der wärmeisoliernden Maske 72 anstellen, die den jeweiligen Positionierstiften d entsprechen, ausgebildet.
Weiterhin zeigt 13 einen Transferroboter 79 zum Transferieren bzw. übertragen der Maske. Auf diese Weise werden die wärmeisolierenden Masken 72 eine nach dem anderen durch diesen Transferroboter 74 über den Sand bewegt, wobei das Heizgerät 70 Wärme erzeugt, um den Sand zu erwärmen. D.h., die Vorgänge (i) ansaugen der wärmeisolierenden Maske 72 (ii) bewegen der wärmeisolierenden Maske 72 über den Sand und positionieren derselbigen (iii) anlegen von Elektrizität an das Heizgerät 70a und (iv) entfernen der wärmeisolierenden Maske 72 werden durch diesen Transferroboter 74 wiederholt, wodurch eine Sandform ausgebildet werden kann.
Eine Heizgerätsteuerungseinheit 76 steuert die Energieversorgung des Heizgerätes 70a über den Transferroboter 74 und eine Saugsteuerungseinheit 78 steuert das Ansaugen der wärmeisolierenden Maske 72 über den Transferroboter 74.
Gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel, ist, da das Heizgerät 70 als ein Sanderwärmungsquelle verwendet wird, diese Wärmequelle billiger als der Laseroszillator. Weiterhin ist es leicht, die Oberfläche des Heizgerätes 70 zu vergrößern, wodurch es möglich wird, auf einfache Weise große Sandformen herzustellen. Wenn im einzelnen ein Metallblech, wie ein Aluminium oder Kupferblech unterhalb des Heizgerätes 70 angeordnet wird, wird das Metallblech auf eine konstante Temperatur aufgeheizt, wobei daher eine große Oberfläche einheitlich aufgeheizt werden kann. Sandformen mit einer großen Oberfläche können dann auf einfache Weise produziert werden. Da das Harz, mit dem der Sand beschichtet ist, bei ungefähr 300 C aushärtet, kann er durch dieses Heizgerät 70 auf effektive Weise erwärmt werden.
Ein hitzebeständiges Material, wie Asbest, Keramik oder ein Metall (Stahlplatte) mit einem hohen Siedepunkt wird bei der wärmeisolierenden Maske 72 verwendet.
Wenn weiterhin eine Vielzahl von Stationen vorbereitet werden, in dem ein Vielzahl von Sandsicht-Hebetischen 20 und die Transferroboter 74 und ähnliches, wie in 13 dargestellt ist, angeordnet ist, wobei die wärmeisolierenden Masken 72 eine nach der anderen transferiert wird, kann eine große Anzahl von Sandformen unter Verwendung von einem Satz von wärmeisolierenden Masken 72 effizient hergestellt werden.
Drittes Ausführungsbeispiel
Bei diesem Ausführungsbeispiel, wie in 14 dargestellt ist, wird eine große Anzahl von separaten Wärmeerzeugern 80 anstelle des Heizgerätes 70 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet. Die gesamte Oberfläche der wärmeisolierenden Maske 72 ist mit einer großen Anzahl von separaten Wärmeerzeugern 80 überdeckt. D.h., wie in 15 dargestellt ist, jeder separate Wärmeerzeuger erwärmt jeden aufgeteilten Block der Oberfläche der wärmeisolierenden Maske 72. Weiterhin beinhaltet jeder separate Wärmeerzeuger 80 einen separaten Wärmeerzeuger 80a wodurch die Wärme unabhängig erzeugt werden kann.
Wenn Erwärmung ausgeführt werden muß, wie dies in 16 dargestellt ist, wird anhand von sequentiellen Formdaten beurteilt, ob es dort eine gestaltete Form (entsprechend dem Loch der wärmeisolierenden Maske 72) in jedem Block gibt, wobei Elektrizität lediglich an die Wärmeerzeuger 80a der separaten Wärmeerzeuger 80 an die Blöcke zugeführt wird, an denen eine gestaltete Form ist. Dadurch erzeugen, die durch schiefverlaufende Linien gemäß 15 dargestellt ist, lediglich die separaten Wärmeerzeuger 80 oberhalb des Loches der wärmeisolierenden Maske 72 Wärme. Wie in 17 dargestellt ist, wird daher nur Sand unterhalb des Loches effizient erwärmt.
Da die Wärmeerzeugung der separaten Wärmeerzeuger 80 auf diese Art und Weise gesteuert wird, gibt es keinen nicht benötigten Energieverlust. Weiterhin wird die wärmeisolierende Maske nicht mehr als notwendig erwärmt, wobei die Lebensdauer der wärmeisolierenden Maske 72 verlängert werden kann.
Auch bei diesem dritten Ausführungsbeispiel wird mit einem Satz von wärmeisolierenden Masken eine effizientere Produktion möglich gemacht, in dem eine Vielzahl von Stationen, wie im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel vorbereitet sind.
Viertes Ausführungsbeispiel
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Erzeugung von Verzug in jeder Abschnittsform unter Verwendung eines Untersatzes verhindert.
Wie in 18 dargestellt ist, wird zuerst der Untersatz ausgebildet (S11). Dieser Untersatz wird ausgebildet, in dem Sand der mit Harz beschichtet ist, (harzbeschichteter Sand) in eine aufgeheizte Form eingegossen wird, wobei das Harz aushärtet, wie bei der Sandformausbildung gemäß dem Stand der Technik. Der Untersatz sollte dick genug sein, um die Sandform zu stützen. Beispielsweise kann die Dicke des Untersatzes von 1 cm bis 5 cm abhängig von der Größe der Sandform betragen. Der Bereich des Untersatzes sollte etwas größer als der Bildungsbereich einer Sandform sein. Der Untersatz 1 kann beispielsweise als eine rechtwinklige Platte ausgebildet sein, wie dies in 19(A) dargestellt ist.
Der Untersatz ist an der Grundplatte des Sandschicht-Hebetisches (S12) montiert. Dieser Sandschicht-Hebetisch ist derart ausgebildet, daß seine Grundplatte sich vertikal bewegen kann, wobei dünne Sandschichten (durch wärmehartbarer harzbeschichteter Sand) auf der Grundplatte eine nach der anderen ausgebildet werden, in dem die Grundplatte nach unten bewegt wird, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
Nachdem der Untersatz befestigt worden ist, wird die Grundplatte um den Abstand einer Schicht nach unten bewegt, wobei Sand über die Grundplatte gestreut wird, um eine erste Sandschicht auszubilden (S13). Beispielsweise wird gemäß 19(B) und 19(C) eine Sandschicht auf dem Untersatz 1 ausgebildet.
Ein Laserstrahl wird dann auf einen Abschnitt der Sandschicht 2 entsprechend der Abschnittsform einer Sandform gestrahlt, um diesen Abschnitt auszuhärten (S14). Da die Abschnittsform einer Schicht ausgebildet wird, wird gegutachtet, ob dies die letzte Schicht ist oder nicht (S15). Wenn nicht, kehrt die Routine auf S13 zurück, um jede Schicht nach und nach auszubilden, um eine 3-D Sandform auszubilden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein Untersatz verwendet. Dieser Untersatz wird unter Verwendung einer Metallform in eine gewünschte Gestalt mit hinreichender Dicke geformt. Dadurch hat der Untersatz von diesem Ausführungsbeispiel eine hochgenaue Oberfläche.
In S13 wird der Sand der ersten Schicht mit einer erforderlichen Dicke von 0,1 bis 0,5 mm über den Untersatz gestreut, wobei ein Laserstrahl auf den Sand ausgestrahlt wird. Der Untersatz und die Sandschicht sind aus dem gleichen Material geformt, wobei die erste Sandschicht aushärtet und am Untersatz anhaftet. Da der Untersatz eine hinreichende Festigkeit hat, verzieht sich die erste Schicht nicht, wodurch eine Sandform ohne Verwindungen ausgebildet werden kann.
Um ein Produkt direkt herzustellen, muß der Untersatz später entfernt werden. Was jedoch in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet wird, ist eine Sandform. Daher gibt es kein Problem mit dem Untersatz, der an der Sandform anhaftet, wobei er die Festigkeit der Sandform eher erhöht. Gemäß eines Verfahrens, das keinen Untersatz verwendet, kann die Rückseite der ersten Schicht, die durch einen Laserstrahl oder ähnliches erwärmt wird, nicht auf feine Weise ausgebildet werden, wobei sie eine schlechte Ebenheit aufweist. Im Gegensatz hierzu kann unter Verwendung eines Untersatzes die erste Schicht mit einer hohen Ebenheit ausgebildet werden, wobei die hohe Ebenheit des Untersatzes verwendet wird.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Um die Schrumpfung des Harzes zwischen den Sandkörnern zu unterdrücken, ist es wichtig, die Schüttdichte des Sandes zu erhöhen. D.h., wenn die Schüttdichte hoch ist, ist es möglich, die Sandverformung zu verhindern, die durch Harzschrumpfung zum Zeitpunkt des Aushärtens verursacht wird.
Wie in 20 dargestellt ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Korngrößenverteilung des verwendeten Sandes nicht auf eine Standardnormalverteilung eingestellt, sondern auf eine Korngrößenverteilung mit zwei Spitzen. D.h., die Verteilung wird eingestellt, so daß sie eine Spitze für große Körner und eine andere Spitze für kleine Körner hat.
Dadurch treten schmale Körner in den Raum zwischen den großen Körnern ein, wodurch die Schüttdichte erhöht wird.
Die Spitze des Korndurchmessers des kleinen Sandkorns wird bevorzugt auf 1/2 bis 1/10 des großen Sandkorns eingestellt. Zum Beispiel, wenn die Spitze des Durchmessers der großen Körner auf 50 m und die Spitze des Durchmesser des kleinen Korns auf 10 m eingestellt wird, kann die Schüttdichte stark erhöht werden.
In dem die Schüttdichte des Sandes erhöht wird, wird die Erzeugung von Verzug während des Schrumpfens von Harz unterdrückt, wobei eine Sandform ohne Verwindung ausgebildet werden kann. Weiterhin ist es vorteilhaft, eine Sandschicht mit zwei unterschiedlichen Sandkörnern auf den Untersatz des ersten Ausführungsbeispiels auszubilden.
Wenn die Schüttdichte erhöht wird, verringert sich die Luftdurchlässigkeit der Sandform. Dann kann eine feine Nut in einem Abschnitt der Sandform zum Zeitpunkt des Ausbildens eines Abschnittes ausgebildet werden. Beispielsweise ist eine Brücke zum Abstützen der isolierten Insel der vorher beschriebenen Maske für diese Zwecke geeignet.
Streuen von Sand
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine Sandschicht aus zwei unterschiedlichen Arten von Sand ausgebildet. Wenn jedoch zwei unterschiedliche Arten von Sand, die sich durch den Korndurchmesser unterscheiden, zusammengestreut werden, wobei die dünne Schicht durch die Rolle und den Abstreicher ausgebildet wird, neigen kleine Körner dazu, sich am Boden der Schicht zu sammeln, wobei sich große Körner an der Oberseite der Schicht sammeln. Daher neigt der obere Abschnitt der Schicht dazu, eine geringere Schüttdichte aufzuweisen.
Daher wird bei diesem Ausführungsbeispiel, wie in 21 dargestellt ist, der Sand mit einem relativ großen Korndurchmesser vor dem Sand mit einem relativ kleinen Durchmesser gestreut. Dadurch treten kleine Körner in den Raum zwischen die größeren Körner ein, welche zuerst gestreut wurden, was zu einer erhöhten Schützdichte führt.
Der Sand mit einem kleineren Korndurchmesser wird lediglich mit einem Betrag verwendet, der den Raum zwischen den größeren Körnern ausfüllt. D.h., ungefähr 1/5 bis 1/20 von dem der größeren Körner. Somit dann die Dichte auf effektive Weise erhöht werden, in dem ein kleiner Betrag von diesem Sand verwendet wird.
Weiterhin wie in 22 dargestellt ist, wenn ein Sandstreuer 24 zum Streuen von Sand mit größeren Körnern und ein Sandstreuer 24 zum Streuen von Sand mit kleineren Körner vorgesehen ist, und zusammen bewegt werden, um zwei unterschiedliche Arten von Sand zu steuern, können diese unterschiedlichen Arten von Sand parallel gestreut werden, womit es möglich ist, die Zeit zu reduzieren, die zum streuen erforderlich ist. Der Roller 26 wird vorgesehen, um die Oberfläche des gestreuten Sands zu rollen.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Um die Schüttdichte von Sand zu erhöhen, wird vorzugsweise eine Vibration oder ein Druck ausgeübt. Daher wird dies bei diesem Ausführungsbeispiel vorgenommen.
23 zeigt ein Beispiel, bei dem Vibration verwendet wird, wie in der Figur dargestellt ist, ist ein Oszillator 90 vor der Sandrolle 26 angeordnet, um den Sand, der durch die San drolle 26 gerollt werden muß, mit Vibrationen zu beaufschlagen. Dann werden der Sandroller 26 und der Oszillator 90 zusammenbewegt, um die Schüttdichte des Sandes zu erhöhen. Als Oszillator 90 kann ein Oszillator verwendet werden, der bei einer Frequenz von einigen zehn Hz durch die Drehbewegung eines Motors oder durch einen Ultraschallübertrager, von dem eine Hochfrequenzvibration erhalten werden kann, vibriert.
Weiterhin zeigt 24 ein Beispiel zum Erhöhen der Dichte der Sandschicht durch Komprimieren. Wie in der Figur dargestellt ist, wird eine Platte 92 gegen die Sandschicht 2 gepreßt, wobei die Sanddichte der Sandschicht 2 hierdurch erhöht. wird. Diese Platte kann durch einen Motor oder eine Hydraulikeinrichtung vertikal bewegt werden, wenn der Kompressionsdruck einen vorbestimmten Wert erreicht, kann die Bewegung nach unten der Platte 92 gestoppt werden.
Vorzugsweise wird die Kompressionsbearbeitung ausgeführt, nachdem Vibrationen ausgeübt worden sind, um eine Sandschicht auszubilden. Weiterhin kann dieses Ausführungsbeispiel mit dem vierten und dem fünften Ausführungsbeispiel kombiniert werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Schüttdichte von Sand ohne Fehler erhöht werden. Daher kann eine Sandform mit nahezu keiner Verbindung erhalten werden, in dem die Erzeugung von Verzug während der Aushärtung von Sand unterdrückt wird.
Siebtes Ausführungsbeispiel
Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß Abstützungen für die Ausbildung einer Maske automatisch gestaltet werden.
Gesamter Vorgang
Zuerst wird das gesamte Verfahren des Ausbildens einer Maske unter Bezugnahme auf 25 beschrieben. Ein Gußmaßstab zum kompensieren für eine Schrumpfzugabe, die erzeugt wird, wenn ein Guß erzeugt wird, wird einer 3-D Form eines Objektes (Rohmaterial) zugegeben, das durch einen Guß hergestellt werden soll, um die 3-D Form des Rohmaterials zu korrigieren. D.h., da die Herstellung eines Gusses bei hohen Temperaturen durchgeführt wird, wird die 3-D Form des Rohmaterials bei Normaltemperatur auf eine gewünschte Form, wie sie bei hohen Temperaturen erzeugt wird, korrigiert. Dieser Kompensationsvorgang wird durch die Gußmaßstabsfunktion eines herkömmlichen 3-D Festmodellierungssystems automatisch durchgeführt. Gleichzeitig wird die Kompensation eines Verzugs in Betracht gezogen.
Basierend auf dieser korrigierten 3-D Form des Rohmaterials wird eine äußere Sandform, die erforderlich zum Gießen dieses Materials ist, durch ein 3-D System gestaltet. Durch diese Gestaltung soll eine Dicke erhalten werden, die größer als ein vorbestimmter Wert gegenüber der Form des Rohmaterials ist, wobei dies auf einfache Weise ausgeführt werden kann (Modellieren der Gestalt einer Sandform). An diesem Punkt wird der Abstand zwischen der Sandform und einem Produkt in Betracht gezogen.
Danach wird die korrigierte Form des Rohmaterials in der externen Sandform angeordnet. Die Umkehrform der Form des Rohmaterials ist die Gestalt einer Sandform und die Umkehrung der Form der Sandform ist die Form einer Maske. Daher ist die Form der Maske die Form des Rohmaterials und der Vorgang wird ermöglicht, in dem die Form des Rohmaterials direkt angeordnet wird.
Da die Maskenform auf diese Weise hergestellt wird, wird die derart hergestellte Maskenform bei einer Teilung, die einer Sandschichtdicke von 0,1 bis 0,3 mm entspricht, in Scheiben geschnitten, um eine Vielzahl von 2-D Daten (2-D Abschnittsdaten) zu erhalten.
Obgleich Masken unter Verwendung der derart erhaltenen 2-D Daten hergestellt werden, kann eine Inselform bzw. Kernform entsprechend einem Sandkern in den derart erhaltenen Maskenformen vorgesehen sein. Diese Inselform wird von einem Raum umgeben und wird daher belassen, wie er ist. Abstützungen zum Stützen dieser Inselform sind dann erforderlich. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden diese Abstützungen automatisch kreiert, wie dies nachstehend beschrieben wird.
Maskenformen sind durch die vorstehenden Vorgänge bestimmt, wobei Daten der Form der äußeren Peripherie einer jeden Maskenform automatisch extrahiert und in einen NC-Code konvertiert werden. Basierend auf dem NC-Code werden Stahlbleche durch einen Laser bearbeitet, um Masken herzustellen.
Unter Verwendung der derart erhaltenen Masken wird eine Sandform hergestellt und ein Produkt wird unter Verwendung dieser Sandform gegossen.
Bei der Herstellung einer Form (Sandform) nach dem Stand der Technik, muß, auch wenn es bereits eine 3-D Form eines Produkts gibt, ein Entwurf für die Herstellung einer äußeren Form und einer Kornform für die Ausbildung einer Hohlraumform, eine Teilung zum Trennen der Form und ähnliches konstruiert bzw. gestaltet werden. Daher ist ein extrem komplexes 3-D Modellieren erforderlich. Da weiterhin eine 3-D Form nicht in eindimensionalen Daten erhalten werden kann, muß von Anfang an die Konstruktion durchgeführt werden, um die Konstruktion bzw. Gestalt zu ändern.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht eine Form zum Ausbilden einer Sandform aus Stahlblechmasken mit einer 2-D Form, wobei lediglich ihre notwendigen Abschnitte einem Laserstrahl ausgesetzt werden. Eine Kernform, eine Entwurfsform, eine Teilung und ähnliches ist nicht erforderlich. Daher sind Maskenformen zum Ausbilden eine Sandform Formen, die durch hinzufügen eines Gußmaßstabs zur Form eines herzustellenden Rohmaterials erhalten werden, wobei sie durch einen extrem einfachen Vorgang kreiert werden können. Da die Form des Rohmaterials über Maskenformen verbunden ist, kann eine 3-D Form auf einfache Weise in eindimensionale Formdaten konvertiert werden, wobei Konstruktionsänderungen auf einfache Weise durchgeführt werden können.
Automatische Stützungsform-Erzeugungsargorythmus
Stützungsformen werden zu Entgasungsformen zum Zeitpunkt des Gießens wenn sie ordnungsgemäß angeordnet sind, wobei ihre Existenz bevorzugt wird. Wenn sie jedoch nicht ordnungsgemäß angeordnet sind, beschädigen sie die Form eines zu gießenden Rohmaterial. Wenn es eine große Anzahl von Stützungsformen bzw. Abstützungsformen gibt, wird die Anzahl der zuschneidenden Umrießlinien zum Zeitpunkt der Bearbeitung der Masken groß und daher dauert es zu lange, um mittels eines Lasers zu bearbeiten und zu schneiden, was in erhöhten Kosten für die Maskenausbildung resultiert.
Daher sind die Bedingungen zum Ausbilden der Abstützungen wie folgt.

(i) sie sollen die Form eines Rohmaterials nicht beschädigen.
(ii) die Festigkeit einer jeden Maske soll hinreichend sein.
(iii) die Anzahl der Abstützungen soll minimal sein.
(iv) sie müssen auf effiziente Weise als Gasentlüftungslöcher fungieren.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird, wie in 26 dargestellt ist, jede Abstützungsform durch die nachstehenden Schritte erzeugt.
Eine Inselform wird aus einer Maskenform durch einen vorbestimmten Algorithmus extrahiert, wobei Abstützungen die basierend auf vorbestimmten Regeln erzeugt werden, automatisch im die Inselform umgebenden Raum angeordnet werden.
Da die automatisch erzeugten Abstützungen unter vorbestimmten Bedingungen erzeugt werden und nicht immer optimal angeordnet sind, werden diese unter vorbestimmten Bedingungen erzeugten Abstützungen beispielsweise einem automatischen Optimierungsvorgang zu Wiederanordnung unterzogen.
Obwohl eine automatische Optimierung der Abstützungen auf diese Weise durchgeführt wird, wird die Anordnung der Abstützungen durch einen Konstrukteur in einem letzten Schritt überprüft und manuell korrigiert. Es gibt Fälle unter bestimmten Bedingungen, bei denen Abstützungen verstärkt oder hinzugefügt werden müssen, was auf manuelle Weise ausgeführt werden kann.
Eine derartige Maskenform kann durch effiziente Hinzufügung von Abstützungen erzeugt werden. Da die Herstellung einer jeden Maskenform im wesentlichen automatisch ausgeführt wird, ist die Belastung eines Konstrukteurs stark verringert. Da die Abstützungen aus einer 2-D Abschnittsform automatisch erzeugt werden können, die wiederum aus einer 3-D Form eines Rohmaterials erhalten wird, die als gesammelte Daten gespeichert ist, können Modifikationen verursacht durch Konstruktionsänderungen einfach bewerkstelligt werden.
Automatische Abstützungsform-Erzeugungsvorgang
Wenn eine Abstützung in Kontakt mit der Form eines Rohmaterials kommt, verschlechtert sich seine Form. D.h., wenn die Abstützung in Kontakt mit der Form eines Rohmaterials kommt, werden beide an dieser Kontaktposition zu einem Stück kombiniert, wobei die Form des Rohmaterials an der Kontaktposition verschlechtert wird. Zwischenzeitlich hat ein Rohmaterial eine große Anzahl von Außenlinien in X und Y-Richtung. Dann wird ein Abstützungsmuster durch schiefe parallele Linien immer unter einem Winkel von 45 in einem Konstruktionskoordinatensystem für die Form eines Rohmaterials ausgebildet. Dadurch kann die Abstützungsform davor bewahrt werden, in Kontakt mit einem Endabschnitt des Rohmaterials zu kommen und das Rohmaterial kann davor bewahrt werden, durch die Breite der Abstützung größer zu werden. Geschmolzenes Metall tritt in den Abschnitt der Abstützung nicht ein, wobei die Abstützung ein Gasentlüftungsloch fungiert, wenn es unabhängig ist, wobei es auf die Form des Rohmaterials keine nachteilhafte Wirkung hat.
Wenn z.B. die Form einer Insel in Form eines Rohmaterials rechtwinklig ist, wie dies in 27 gezeigt ist, werden die Abstützungen automatisch in einer Richtung von 45 erzeugt und lediglich ein Raumabschnitt wird als Abstützungen herangezogen.
Die Richtung von 45 kann abhängig von Rohmaterial nicht bevorzugt sein. Dieser Wert wird als ein Parameter verwendet, wobei ein willkürlicher Wert angegeben werden kann. Weiterhin ist die Teilung (das Intervall) der Abstützungen veränderbar ausgestaltet.
Wenn die Abstützungen an den gleichen Positionen in den Masken für jeweilige Schichten angeordnet sind, werden die Abstützungen durchgängig und die Form der durchgängigen Abstützungen wird ein Teil eines Gusses. Dann müssen die Formen der Abstüt zungen für die jeweiligen Schichten geändert werden (versetzt werden).
Beispielsweise im Fall von Mustern in einer Richtung, wie in 28 dargestellt ist, wird das Festlegen der Muster für jede Schicht geändert, um die Durchgängigkeit der gleichen Muster zu verhindern. Gemäß der Figur ist ein mit durchgezogenen Linien dargestelltes Muster, das Muster dieser Schicht und ein durch eine strichpunktierte Linien dargestelltes Muster ist das Muster einer benachbarten Schicht. Gemäß dieser Technik können zwei unterschiedliche Muster alternativ verwendet werden, wobei die Erzeugung von Muster extrem einfach ist. Wenn jedoch ein Inselabschnitt und ein Raumabschnitt groß sind, kann die Festigkeit der gesamten Maske bei dieser Technik unzureichend sein.
Es ist dann zu bevorzugen, ein Gittermuster zu erzeugen, wenn ein Inselabschnitt und ein Raumabschnitt groß sind. Wenn zwei unterschiedliche Gittermuster vorbereitet und alternativ verwendet werden, wie dies in 29 dargestellt ist, werden gemeinsame Abschnitte und Formteile eines Gusses erzeugt. Wie in 30 gezeigt ist, werden dann drei unterschiedliche Muster (Muster a, b und c in diesem Fall) vorbereitet und in der Reihenfolge a, b, c, a,... verwendet. Dies verhindert die Erzeugung eines gemeinsamen Abschnitts. Gemäß 30 ist ein Muster a durch durchgezogene Linien, ein Muster b durch punktierte Linien und c durch strichpunktierte Linien dargestellt.
Spitze (Musterbestimmung-Spitze)
Das Anordnungsverfahren derartigen Abstützungen differiert abhängig von der Form eines zu gießenden Teils. Daher ist es zu bevorzugen, daß das Anordnungsmuster der Abstützungen für jede Schicht geändert werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Anordnung der Abstützungen bestimmt werden, in dem die nachstehenden Parameter spezifiziert werden.
(i) Bestimmte Anzahl der Abstützungsmuster: N
Die Anzahl der Abstützungsmuster, die verwendet werden sollen, wird durch diesen Parameter N bestimmt. Im vorstehenden Beispiel werden zwei oder drei ausgewertet.
(ii) Bestimmte Anzahl der Wiederholungen der Maske: M
Die Anzahl der Male, mit der das gleiche Muster wiederholt verwendet werden soll, wird durch diesen Parameter M bestimmt. Damit kann die Anzahl der an der gleichen Position angeordneten Abstützungen bestimmt und die Größe des Gasentlüftungsloches gesteuert werden.
Parameter M und N sind in 31 dargestellt. Auf diese Weise eine M Anzahl von Abstützungsmuster sind für eine erste Form und die nächste M Anzahl von Abstützungsmuster sind für eine zweite Form, wobei sie bis zu einer N-ten Form verwendet werden.
(iii) Neigung G
Obwohl G ein vorgegebener Standart ist und auf 45 eingestellt ist, kann er in einen willkürlichen Wert umgeändert werden.
(iv) Teilung
Wie in 32 dargestellt ist, zeigt die Teilung 1 die Teilung der Abstützungen in einer –45 Richtung und die Teilung 2 zeigt die Teilung der Abstützungen in einer 45 Richtung. In dem die Teilung 1 und 2 auf 0 gesetzt wird, werden in diesen Richtungen keine Abstützungen angeordnet. Obwohl die Neigung der Abstützung durch diesen Parameter G verändert werden kann, kreuzen sich die Abstützungen in zwei Richtungen immer unter einem rechten Winkel. Wenn G = 60 und die Teilung 1 ist –60 , beträgt die Teilung 2 30.
(v) Abstützungsbreite: W
Die Breite einer Abstützung wird durch diesen Parameter W bestimmt. Durch Bestimmung dieses Parameters auf diese Weise wird das erste Abstützungsmuster derart, wie in 33 dargestellt ist, das Abstützungen in einer negativen Richtung bei einer Teilung 1 vom linken unteren Endpunkt eine nach der anderen angeordnet ist und Abstützungen in einer positiven Richtung mit einer Teilung 2 vom rechten unteren Endpunkt eine nach der anderen angeordnet sind. Ein zweites Muster ist derart, das Abstützungen näher zu den linken unteren End- und rechten unteren Endpunkten durch die Teilung 1/N oder die Teilung 2/N angeordnet werden. Für ein N-tes Muster werden, wie in 34 dargestellt ist, Abstützungen in negativer Richtung mit einer Teilung 1/N vom linken unteren Endpunkt an angeordnet und Abstützungen in einer positiven Richtung mit einer Teilung 2/N vom rechten unteren Endpunkt an angeordnet.
Vorgang der Optimierung der Abstützungsanordnung
Die wirkungsvolle Anordnung ist nur möglich, in dem Abstützungen mit den vorstehend beschriebenen Parametern angeordnet werden, dann ist ein Vorgang zum Auslassen nicht notwendiger Abschnitte und zum hinzufügen und erzeugen notwendiger Abschnitte erforderlich. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein automatischer Optimierungsvorgang vorgesehen. Normalerweise ist durch diesen Vorgang eine wirkungsvolle Anordnung möglich. Wenn jedoch besondere Bedingungen vorherrschen, sollte dieser Vorgang geändert werden. Dann können die Inhalte dieses Vorgangs durch einen Konstrukteur überprüft und korrigiert werden.
<Automatischer Optimierungsvorgang>
(i) Automatisches Weglassen von unnötigen Abschnitten
Wenn Abstützungen automatisch angeordnet werden, wie vorstehend beschrieben wurde, wobei es auf der Innenseite einen Raumabschnitt gibt, werden immer Abstützungen angeordnet. Ist es dann erforderlich, unnötige Abstützungen wegzulassen. Im Fall einer Maskenform, wie sie in 35 dargestellt ist, werden, wenn eine Abstützung in einer Richtung von 45 angeordnet ist, unnötige Abschnitte, die die gleichen Formen verbinden, erzeugt. Lehre Abschnitte in der Figur sind unnötig und volle Abschnitte sind notwendig. Wie in 36 dargestellt, ist die Abstützungsform mit schrägverlaufender gerader Linie durch entfernen von Abschnitts-(Masken)Formabschnitten in Abschnitte aufgeteilt. Um notwendige Abschnitte von unnötigen Abschnitten zu unterscheiden, werden jedem Abschnitt Märker zugeordnet, die anzeigen, welche Schleife (die Umrisse einer jeden Abschnittsform wird als Schleife bezeichnet) den Abschnitt scheidet. Die Schleifen einer jeden Abschnittsform sind von der linken äußeren Seite her der Reihe nach numeriert. Der äußere Umriß der Form wird als gegen Uhrzeigerschleife bezeichnet und der innere Umriß der Form als Uhrzeigersinnschleife.
Dadurch hat die obere linke Abstützung in 35 vier Schnittpunkte mit der Schleife 2 und ist notwendig. Abstützungsabschnitte, die Schnittpunkte mit lediglich Schleife 4 und Schleife 7 haben sind ebenso notwendig. Wenn auf diese Weise eine Abstützung vier Schnittpunkte mit der gleichen Scheife hat, kann beurteilt werden, daß diese Abstützung nicht notwendig ist. Somit wird die Notwendigkeit einer Abstützung beurteilt, in dem die Werte seiner Märker überprüft werden.
Wenn eine Abstützung 5 oder mehr Schnittpunkte hat, wie in 37 dargestellt ist, passiert die Abstützung über die Kante einer Form. Da diese Abstützung nicht zu bevorzugen ist, wird sie als nicht notwendig betrachtet.
(ii) Automatische Abstützungshinzufügung.
Abstützungen werden Einheitlich unter einer bestimmten Teilung angeordnet. Ein Inselabschnitt, der eine Abstützung nicht trifft, hat keine Abstützung, wobei es dann notwendig ist, Abstützungen für diesen Inselabschnitt anzuordnen.
Paare von Gegenuhrzeigersinn- und Uhrzeigersinnschleifen werden zuerst überprüft, wobei ein Paar, das keine Schnittpunkte mit einer Abstützung hat, ausgeschnitten wird. Eine Form, die kein Loch hat, hat keine Uhrzeigersinnschleife. Wenn es eine Vielzahl von separaten Löchern in einer Form gibt, existiert eine Vielzahl von Uhrzeigersinnschleifen für eine einzige Gegenuhrzeigersinnschleife. Diese Schleifen werden ebenso als das vorstehende Paar betrachtet.
Durch diesen Vorgang werden Inselabschnitte in einem linken Seitenabschnitt einer Form in 38 ausgeschnitten, wobei zu verstehen ist, daß mit unterbrochenen Linien dargestellte Abstützungen für die Inselabschnitte notwendig sind.
Durch diese Überprüfung wird eine min-max Box für das ausgeschnittene Paar kreiert. D.h., wie in 39 dargestellt ist, ein Quadrat, das den Inselabschnitt umgibt, wird erzeugt. Und eine 45 Abstützungsform, die über das Zentrum dieses Quadrates passiert, wird vorbereitet.
Der derart erhaltene Abstützungsformabschnitt wird in Unterabschnitte aufgeteilt, in dem ein Abschnittsformabschnitt entfernt wird, wobei ein Märker der anzeigt, welche Schleife einen Abschnitt schneidet, dem Schnittpunkt des Abschnitts zugeteilt wird,
Danach werden Abschnitte, die Märker für Gegenuhrzeigersinnschleifen der herausgeschnittenen Haare haben, herausgenommen und als notwendige Abstützungsabschnitte bezeichnet. Die derart erhaltenen Abstützungsabschnitte werden hinzugefügt, um eine notwendige Abstützungsform zu erhalten, wie in 40 dargestellt ist.
Wenn Abschnitte, die lediglich Märker für die Gegenuhrzeigersinnschleifen haben, herausgeschnitten werden, wird ein innerer Abstützungsabschnitt für einen U-förmigen Inselabschnitt, der in 41 dargestellt ist, ebenso ausgewählt, wenn dann ein Abstützungsabschnitt lediglich Schnittpunkte mit Gegenuhrzeigersinnschleifen hat, wird er nicht ausgewählt.
(iv) Erfassen von unstabilen Abschnitten und Verstärkung der Abstützungen
Ein mit einer Abstützung verbundener Inselabschnitt kann abhängig von der Verbindungsposition der Abstützung unstabil sein. Wie in 42 beispielsweise dargestellt ist, wenn eine Abstützung lediglich mit einem Endabschnitt eines schlanken Inselabschnitts verbunden ist, ist die Abstützung des Inselabschnitts unstabil.
Die Abstützung ist in diesem Fall in 43 dargestellt. Wie in der Figur dargestellt ist, wird eine min-max Box zunächst erzeugt, in dieser min-max Box, wird eine Box ausgebildet, die kleiner als diese Box ist, wobei vier durch diese zwei Boxen ausgebildete Eckenzonen 1 bis 4 darstellen.
Es wird beurteilt, welche Zone auf jedes Schnittpunkt des Inselabschnitts mit der Abstützung wohin gehört, wobei wenn, alle Schnittpunkte zur gleichen Zone gehören, abgeschätzt wird, daß die Abstützung des Inselabschnitts unstabil ist. Wenn eine Schnittpunkt zu zwei Zonen gehört, wird beurteilt, daß er zu einer der zwei Zonen gehört.
Wenn auf diese Weise beurteilt wird, daß der Inselabschnitt unstabil ist, wird eine Abstützung, die über das Zentrum der min-max Box verläuft, der Inselabschnitt automatisch hinzugefügt, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Die Bearbeitung eines U-förmigen Inselabschnittes erfolgt genauso, wie vorstehend beschrieben.
(v) Überprüfung der Überlappung mit benachbarten Mustern zum Zeitpunkt der Hinzufügung und Verstärkung von Abstützungen.
Wenn eine Abstützung hinzugefügt und Verstärkt wird, wie vorstehend beschrieben, wird ein Abstützungsmuster erhalten, das unterschiedlich gegenüber dem anfänglichen Abstützungsmuster ist. Dann ist es erforderlich, die Abstützung dieses neuen Abstützungsmusters daran zu hindern, mit der Abstützung der benachbarten Schicht zu überlappen.
Wie in 44 dargestellt ist, wird die Position der Abstützungsmittellinie in einem X'Y' Koordinatensystem, das durch Drehen der XY Koordinaten um 45 erhalten wird, für die zwei letzten Schicht gespeichert.
Wenn eine neue Abstützung hinzugefügt wird, wird überprüft, ob sie mit der gespeicherten Abstützung einer benachbarten Schicht überlappt.
Wie beispielsweise in 45 dargestellt ist, wird beurteilt, ob es eine gespeicherte Abstützung innerhalb der Breite einer Abstützung gibt. Wenn es eine gibt, wird der Vorgang, die Position der Abstützung um eine Abstützungsbreite + a (z.B. 1 bis 2 mm) in eine positive oder negative Richtung zu versetzen, wiederholt, bis es keine Überlappung gibt, dadurch kann die Position der Abstützung die mit der Abstützung einer benachbarten Schicht überlappt, versetzt werden.
<Überprüfung und manuelle Korrekturfunktionen der Abstützungsform>
Im Ergebnis des vorstehend beschriebenen automatischen Optimierungsprozesses kann eine nahezu optimale Abstützungsform erhalten werden. Es ist jedoch vorteilhaft, daß diese optimale Abstützungsform überprüft und manuell korrigiert werden kann, wenn dies erforderlich ist. Zu diesem Zweck hat dieses Ausführungsbeispiel Überprüfungs- und manuelle Korrekturfunktionen.
(i) Überprüfungsfunktion der Maskenform
(Sequentielle Turnusfunktion)
Zuerst kann die Form jeder Maske angezeigt werden. Wie in 46 dargestellt ist, können die Formen der Masken der Reihe nach dargestellt werden, in dem sie vorwärts oder rückwärts zugeführt werden, dabei kann ein Konstrukteur die Masken der Reihe nach überprüfen. Die Seriennummer einer gegenwärtig angezeigten Maske, die gegenwärtige Nummer der Maske/die Gesamtzahl der Masken) wird auf dem Bildschirm angezeigt.
(Seriennummerspezifikation- und Anzeigefunktionen)
Eine Maske wird auch angezeigt, in dem ihre Seriennummer spezifiziert wird. Dadurch wird eine Maskenform, die eine Korrektur benötigt, zum Zeitpunkt der Überprüfung gesucht und wenn sie gefunden wurden, kann sie spezifiziert und später korrigiert werden.
(Überprüfungsfunktion für korrigierte Maskenform)
Wenn der Korrekturbetrieb durch eine später zu beschreibende Korrekturfunktion für eine Maskenform abgeschlossen ist und die Korrektur durchgeführt wurde, wird eine Maskenform nachberechnet und nach Abschluß angezeigt. Dann kann die korrigierte Maskenform überprüft werden.
(ii) Korrekturfunktion der Abstützungsform
(Entfernungsfunktion der Abstützungsform)
Um eine willkürliche Abstützung zu entfernen, ist die Abstützung mit Positionspunkten umschlossen. D.h., wie in 47 dargestellt ist, ein vorbestimmter Bereich ist durch die Positionspunkte umschlossen, und eine darin befindliche Abstützung wird entfernt. In diese Fall wird ein nahezu kreisförmiger Bereich durch sieben Positionspunkte 1 bis 7 spezifiziert.
Dieser Vorgang wird durchgeführt, in dem Positionspunkte der Reihe nach eingegeben werden, während eine willkürliche Maskenform angezeigt wird, wie vorstehend beschrieben wurde. Nachdem ein vorbestimmter Bereich spezifiziert ist, wird eine spezifizierte Abstützung entfernt, in dem die Entfernung angeordnet wird. Abstützungen können zum entfernen der Reihe nach spezifiziert werden. Es wird bevorzugt, diese Anweisungen unter Verwendung einer Maus zu geben.
(Abstützungsformhinzufügungsfunktion)
Dies ist eine Funktion, eine Abstützung in einem willkürlichen Raumabschnitt hinzuzufügen. Wie in 48 beispielsweise gezeigt ist, wird ein Bereich, der mit Positionspunkten 1 bis 4 umschlossen ist, als eine Abstützung bezeichnet, in dem diese Positionspunkte spezifiziert werden. In diesem Fall, wird die Berechnung zum entfernen eines Maskenformabschnitts automatisch durchgeführt. Eine Abstützung mit einer bestimmten Brei te kann hinzugefügt werden, in dem zwei Positionspunkte spezifiziert werden.
Gesamter Aufbau des Systems
Der gesamte Aufbau eines Systems zur Herstellung eines Gußproduktes wird in 49 dargestellt. Wie in der Figur dargestellt ist, besteht dieses System aus einem Computer 110 einer Lasermaschine 112, einer Sandformherstellungsmaschine 114 und einer Gießmaschine 116.
Der Computer 110 gewinnt die erforderliche Anzahl der Maskenformen, um die Form eines Rohmaterials aus einer 3-D Form des Rohmaterials zu erhalten. Die Lasermaschine 112 gewinnt die Masken, in dem basierend auf den gewonnenen Maskenformen Stahlbleche bearbeitet werden. Die Gesamtformherstellungsmaschine 114 gewinnt eine Sandform, in dem die Schritte wiederholt werden, von Strahlen eines Laserstrahls auf einen vorbestimmten Abschnitt eines mit Plastik beschichteten Sandes unter Verwendung der derart erhaltenen Masken, erhalten einer Schicht einer Sandform und Stapeln der Schichten der Sandform einer über der anderen. Die derart erhaltene Sandform wird der Gießmaschine 116 zugeführt, bei der ein geschmolzenes Metall in die Sandform eingefüllt wird. Dann wird das geschmolzene Metall abgekühlt und verfestigt, wobei die Sandform entfernt wird und ein Gußprodukt erhalten wird.
Erzeugung der Maskenform
Der vorstehende Computer 110 wird verwendet, um Maskenformen zu erzeugen, und er besteht aus einer Eingabeeinheit 20 einer Verarbeitungseinheit 22 und einer Ausgabeeinheit 24 wie dem Funktionsblockdiagramm gemäß 50 dargestellt ist. Die Verarbeitungseinheit 22 hat eine Maßstabs/Verzugs-Kompensationseinheit 22a, eine 2-D Abschnittsbildungseinheit 22b und eine Abstützungserzeugungseinheit 22c.
Die Eingabeeinheit 20 erhält 3-D Formdaten eines Rohmaterials und akzeptiert der Eingabe der Spezifikationen der vorstehend beschriebenen Parameter und manuellen Operationen. Die Ausgabeeinheit 24 gibt die derart erhaltenen Maskenformen als Daten aus. Die Ausgabeeinheit 24 kann eine Anzeigeeinheit und einen Drucker umfassen.
Die Verarbeitungseinheit 22 führt die Verarbeitung der Kompensation für einen Gußmaßstab und einen Verzug durch, wobei 2-D Abschnittsdaten ausgebildetund die Abstützungen erzeugt werden, wie vorstehend beschrieben.
Maskenbearbeitung
Wie in 51 dargestellt ist, liest die Lasermaschine 112 zuerst Daten der Maskenformen ein und bearbeitet die Masken eine nach der anderen basierend auf den Daten. D.h., die Maschine strahlt einen Laserstrahl auf den Umrißabschnitt einer Maskenform auf ein Stahlblech und schneidet das Stahlblech. Sie liest der Reihe nach Daten einer jeden Maske ein und bearbeitet jedes Stahlblech, um einen Satz von Masken (für eine Sandform) vorzubereiten.
Herstellung der Sandform und Gießen
Die Sandformherstellungsmaschine 114 besteht aus einer Sandlaminationseinheit zum Laminieren von einzelnen Sandschichten, einer Maskenpositioniereinheit zum Positionieren der Masken auf der Sandlaminationseinheit eine nach der anderen und eine Laserstrahleinheit zum Ausstrahlen eines Laserstrahls auf jede Sandschicht.
Wie in 52 dargestellt ist, wird der Sand einer Schicht zuerst in die Sandlaminationseinheit (S11) eingeladen. Dieser Sand ist mit plastikbeschichteter Sand mit einer vorbestimmtem Durchmesser, der um herum mit einem Plastikmaterial beschichtet ist, wie durch Wärme härtbares Plastik. Danach wird eine Maske über dem Sand (S12) positioniert. Wenn die Maske positioniert ist, wird ein Laserstrahl von oberhalb der Maske (S13) ausgestrahlt. Dadurch wird der unterhalb der Öffnung der Maske befindlicher Sand dem Laserstrahl ausgesetzt, wobei die ausgesetzten Abschnitte des Sandes sich verfestigen (integrieren).
Danach wird beurteilt, ob diese Maske die letzte ist (die nächste Maske ist anwesend) (S14). Wenn die nächste Maske anwesend ist, geht die Routine zurück auf S11, um mit der Bearbeitung der nächsten Sandschicht fortzufahren. Auf diese Art wird eine Sandform hergestellt.
Schließlich wird die derart hergestellte Sandform dazu verwendet, einen Guß herzustellen (S15).
Nachdem Sand einer Schicht in einen Sandschicht-Hebetisch (20) eingeladen ist, wird eine abschirmende Maske (38) über dem Sand positioniert und ein diffuser Laserstrahl wird ausgehend von einer diffusen Laserstrahlquelle (16) ausgestrahlt. Dadurch wird ein vorbestimmter Bereich des Sandes unterhalb der abschirmenden Maske (38) belichtet und dieser belichtete Abschnitt wird ausgehärtet. Dieser Betrieb wird für eine vorbestimmte Anzahl von Sandschichten wiederholt, wobei ausgehärtete Abschnitte übereinander gestapelt werden, um eine 3-D Sandform direkt auszubilden. Im einzelnen wird ein diffuser Laserstrahl verwendet, um einen breiten Bereich des Sandes zur gleichen Zeit auszuhärten, wodurch eine Sandformmassenproduktion möglich wird.

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer Sandform als eine 3-D Form mit den Schritten: Ausbilden einer Sandschicht, indem Sand, der mit wärmeaushärtbarem Harz beschichtet ist, in Form einer dünnen Schicht angesammelt wird, Anordnen einer Maske (38; 72) mit einer Öffnung in einem vorherbestimmten Abschnitt, oberhalb der ausgebildeten Sandschicht; Erwärmen eines Abschnitts der Sandschicht, der unterhalb der Öffnung angeordnet ist, durch die angeordnete Maske (38; 72) hindurch, um den Abschnitt zu verfestigen; Ausbilden einer Schicht einer Abschnittsform der Sandform; und Übereinander Stapeln der Abschnittsformen, um eine Sandform als eine 3-D Form durch Wiederholung dieser Vorgänge auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Insel (38b) entsprechend einem Kern in der Maske (38; 72) vorhanden ist, wobei diese Insel (38b) durch Abstützungen (38c) gestützt wird, die sich von anderen Maskenabschnitten (38a) erstrecken und die Positionen der Abstützungen (38c) von Masken (38; 72) für benachbarte Sandschichten unterschiedlich ausgebildet werden.
Verfahren zum Ausbilden einer Sandform gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (38; 72) basierend auf einer Maskenform hergestellt wird, die nach dem Anordnen von Abstützungen (38c) durch die folgenden Schritte erhalten wird: Erzeugen einer Maskenform basierend auf einer 2-D Abschnittsform einer Gußform; Erfassen eines Inselabschnitts (38b), der durch einen Raumabschnitt der derart erzeugten Maskenform umgeben wird; und automatisches Anordnen von Abstützungen (38c) in vorherbestimmten Intervallen in dem Raumabschnitt, der den erfaßten Inselabschnitt umgibt, basierend auf parallelen Linien, die in vorherbestimmten Intervallen angeordnet sind.
Verfahren zum Ausbilden einer Sandform gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (38; 72) basierend auf einer Maskenform hergestellt wird, die nach dem Anordnen von Abstützungen durch die folgenden Schritte erhalten wird: Erzeugen einer Maskenform basierend auf einer 2-D Abschnittsform einer Gußform; Erfassen eines Inselabschnitts (38b), der durch einen Raumabschnitt der derart erzeugten Maskenform umgeben wird; und automatisches Anordnen von Abstützungen in den Raumabschnitt, der den erfaßten Inselabschnitt umgibt, basierend auf einem Gitter von Abstützungen, die in vorherbestimmten Intervallen angeordnet sind.
Verfahren zum Ausbilden einer Sandform gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (38; 72) basierend auf einer Maskenform hergestellt wird, die erhalten wird, nachdem die Anordnung von Abstützungen durch die folgenden Schritte verändert wurde: Erzeugen einer Maskenform basierend auf einer 2-D Abschnittsform einer Gußform; Erfassen eines Inselabschnitts (38b), der durch einen Raumabschnitt der derart erzeugten Maskenform umgeben wird; automatisches Erfassen der Anordnungspositionen der Abstützungen zum Abstützten des Inselabschnittes basierend auf vorherbestimmten Regeln; und Verändern der Positionen einer automatisch angeordneten Abstützung gemäß einem Verbindungszustand zwischen dem Inselabschnitt und der Abstützung.
Verfahren zum Ausbilden einer Sandform gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt des automatischen Anordnens der Abstützungen, die Positionen der Abstützungen von Masken (38; 72), die für benachbarte Schichten verwendet werden, verschieden ausgebildet werden.
Verfahren zum Ausbilden einer Sandform gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt des automatischen Anordnens der Abstützungen, die Positionen der Abstützungen von den Masken (38; 72) verschieden ausgebildet werden, die für mindestens drei benachbarte Schichten verwendet werden.
Verfahren zum Ausbilden einer Sandform gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt des automatischen Anordnens der Abstützungen, der Inselbereich durch einen geschlossenen Umriß beurteilt wird und eine Abstützung, die selbigen Umriß verbindet, wird als unnötig entfernt.
Verfahren zum Ausbilden einer Sandform gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Abstützung basierend auf der Stabilität des Inselabschnitts geändert wird, die von der Mittelposition des Inselabschnitts und der Verbindungsposition der Abstützung mit dem Inselabschnitt beurteilt wird.
Verfahren zum Ausbilden einer Sandform gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (38; 72) durch Bearbeiten eines Metallblechs mittels eines Lasers basierend auf einer Maskenform hergestellt wird, in der Abstützungen angeordnet wurden.
Vorrichtung zum Ausbilden einer Sandform als 3-D Form mit: einer Sandschichtausbildungseinrichtung (24) zum Ausbilden einer Sandschicht durch Ansammeln von Sand, der mit einem wärmeaushärtbarem Harz beschichtet ist, in der Form einer dünnen Schicht; einer Maske (38; 72) mit einer Öffnung in einem vorherbestimmten Abschnitt, wobei die Maske über der ausgebildeten Sandschicht auswechselbar angeordnet ist; einem Maskenwechsler (54; 56) zum Wechseln der Maske (38; 72), die über der ausgebildeten Sandschicht angeordnet ist; und einer Heizeinrichtung (16) zum Erwärmen eines Abschnittes der Sandschicht, der unterhalb der Öffnung angeordnet ist, durch die Maske (38; 72) hindurch, um den Abschnitt zu verfestigen, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (38; 72) eine Insel (38b) hat, die durch Abstützungen (38c) unterstützt wird, die sich von anderen Maskenabschnitten (38a) erstrecken, wobei die Positionen der Abstützungen (38c) von Masken (38; 72) für benachbarte Sandschichten, verschieden ausgebildet werden.