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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von hochwertigen Bauteilen mit freizügiger Formgebung, bei welchem das Material fortlaufend in den flüssigen oder teilflüssigen Zustand gebracht und direkt dem Formgebungsprozess zugeführt wird.
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Bei der Formgebung von Werkstücken aus dem flüssigen oder teilflüssigen Werkstoffzustand sind eine Vielzahl unterschiedlichster Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die mit mehr oder weniger großem Erfolg die an ein hochwertiges Bauteil zu stellenden Anforderungen im Hinblick auf Gestaltungsfreizügigkeit, Oberflächengüte und insbesondere optimale Werkstoffeigenschaften bei möglichst rationeller Fertigung erfüllen.
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Die Mängelursachen liegen hauptsächlich in der großen Anzahl positiver wie negativer Fertigungsparameter mit großer Streubreite, die häufig mit wechselseitiger Beeinflussung zur Wirkung kommen und sich damit auch zum großen Teil sowohl einer Erfassung als auch einer Regelung entziehen.
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Der Fertigungsablauf besteht im Wesentlichen aus lediglich zwei Schritten:
Erster Schritt ist die Vorbereitung des formgebenden Werkzeugs sowie die Erschmelzung oder Aufheizung der Werkstoffcharge. Während die klassischen Gießverfahren vom schmelzflüssigen Zustand der Legierungen mit einer geeigneten Gießtemperatur von deutlich über Liquidus vor Beginn der Formfüllung ausgehen, arbeitet der erst seit drei Jahrzehnten bekannte Thixoguß bei der Formfüllung mit nur teilflüssigem Material im Liquidus-Solidus-Bereich. Beide Ausgangspositionen erfordern bei den Schmelz- oder Aufbeizaggregaten eine möglichst rasche Energieeinbringung mit sehr genauer Temperaturführung unter weitgehendem Schutz vor Reaktionen mit den Gasen der Atmosphäre. Im zweiten Schritt erfolgt dann der Transport der Schmelze vom separaten Ofen über Verteilersysteme in den Hohlraum des Formwerkzeugs oder im Falle des Druckgießverfahrens in die Druckkammer der Druckgießmaschine und von dort in den Formhohlraum. Hier soll die Schmelze möglichst unter gelenkten thermischen Bedingungen und unter ausreichend hohem Dichtspeisungsdruck zum Bauelement mit den gewünschten optimalen Eigenschaften erstarren.
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Während die Prozeßparameter beim Schmelzvorgang für den konventionellen Gießprozeß noch relativ gut kontrolliert und bis kurz vor Beginn der eigentlichen Formgebung auch optimiert werden können, gestaltet sich das Aufbeizen der sogenannten Rheobolzen als Vormaterial für den Thixoguß auf Grund wesentlich engerer Prozeßfenster weitaus schwieriger. Ziel dieses induktiven Aufheizvorgangs ist ein zylindrischer Bolzen mit einem Festphasenanteil von α-Globuliten zwischen ca. 40–60% und einem entsprechenden Flüssigphasenanteil von Eutektikum. Dabei muß eine ausreichende Stabilität des Bolzens gewährleistet sein, die seine Handhabung von der Entnahme aus der Induktionsspule bis zum Einlegen in die Schußkammer der Druckgießmaschine ermöglicht.
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Beim mit hoher Geschwindigkeit ablaufenden Formfüllvorgang setzt dann thixotropes Fließen ein, was ein gutes Ausfüllen auch komplexer dünnwandiger Werkstückbereiche sicherstellt. Beim Thixoguß können Bauteileigenschaften erreicht werden, die die Eigenschaften konventioneller Gußteile deutlich übertreffen und damit die Belastbarkeit von Schmiedeteilen erreichen ohne deren Nachteil der eingeschränkten Formgebung.
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Beim heutigen Stand der Technik treten jedoch sowohl beim konventionellen Schmelzen und Gießen als auch beim Thixoguß erhebliche Streubreiten der Prozeßparameter auf, die immer wieder die Prozeßsicherheit beeinträchtigen und zu gravierenden negativen Auswirkungen auf die Produkteigenschaften führen.
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Hauptursache dieser Schwankungen der Fertigungsbedingungen ist zunächst das Arbeiten bei freiem Zutritt der Atmosphäre, wobei es zu unkontrollierbaren Reaktionen des schmelzflüssigen oder teilflüssigen Werkstoffs mit den Gasen der Atmosphäre und dem anschließenden Einschluß dieser Reaktionsprodukte in das Bauteilgefüge kommt. Besonders schädlich sind hier Umfüllvorgänge beim Materialtransport mit dem Auftreten eines frei fallenden Gießstrahles. Daneben kommt es zu unkontrollierbaren Temperaturverlusten, die sich nachteilig auf die Formfüll- und Erstarrungsbedingungen auswirken. Die anschließende Formgebung im Formwerkzeug erfolgt bei hoher Geschwindigkeit und unterliegt weiteren Einflüssen wie Fließvorgang, Erstarrungsablauf mit Schrumpfung und Schwindung, was weitere negative Auswirkungen auf Oberflächen und Gefügequalität sowie Maßhaltigkeit hat und deren Beherrschung einen hohen Aufwand erfordert.
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Schließlich wird die Bauteilqualität durch das zusätzliche Auftreten von Gefügeporositäten, die durch Ausscheidung von in der Schmelze gelösten Gasen, z. B. Wasserstoff, oder den Einschluß von Gasen des Formhohlraums während der Erstarrung verursacht werden, in vielen Fällen beeinträchtigt.
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Beim bekannten Druckgießverfahren wird die zu verarbeitende Legierungscharge in einem separaten Vorschmelzofen erschmolzen und anschliessend mit Transportpfannen in den Warmhalteofen an der Druckgießmaschine überführt. Von dort gelangt das für einen Abguß erforderliche Schmelzequantum mit einer Schöpfkelle oder sonstigen Dosiervorrichtungen über einen frei fallenden Gießstrahl in die zumeist horizontale Schußkammer, wo die Schmelze zunächst eine Lache mit großer Oberfläche bildet und rasch abkühlt. Zum umgehend eingeleiteten Gießvorgang schiebt der Druckkolben in beschleunigter Bewegung möglichst unter Vermeidung von Spritzern und Lufteinschlüssen die teilweise schon erstarrende Schmelze in der Druckkammer zusammen, bis sie den nach oben in den Formhohlraum führenden Anschnitt erreicht. Jetzt wird die Schmelze mit Höchstgeschwindigkeit in den Formhohlraum hinein verdöst, den sie in Bruchteilen einer Sekunde ausfüllt. Hierbei ist der Einschluß von Gasen des Formhohlraums in das Gefüge des sehr schnell erstarrenden Gußstücks praktisch unvermeidbar, was zu den bekannten Nachteilen des Druckgußproduktes wie Dehnungsdefizit, Mangel an Schweißbarkeit und Aushärtbarkeit führt.
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Beim sogenannten Vakuumdruckguß werden durch Zwangsentlüftung der Form beim Schußablauf die Gaseinschlüsse reduziert und so die Gußteileigenschaften verbessert. Eine Verfahrensvariante verbindet die Zwangsentlüftung vor dem Schuß mit dem Einsaugen des Schmelzequantums in die Druckkammer über ein Saugrohr aus dem Warmhalteofen. Insgesamt führt hier jedoch ein erhöhter Fertigungsaufwand nicht zuletzt durch deutlich teurere Formen zu wesentlich höheren Prozesskosten.
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Die
EPS 0535421 B1 beschreibt ein Verfahren und Vorrichtungen mit Fest- und Flüssigchargieren an einer vertikalen Druckgieß- oder Pressmaschine.
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Hier wird ein einzelnes Quantum in einer Schmelz- und Presskammer in die für die Formfüllung geeignete Konsistenz gebracht, ein Vorgang, der in der Hauptzeit des Gießtakts liegt und diesen somit zwangsläufig verzögert. Außerdem besteht die Notwendigkeit, die Füllkammern unterhalb des Formhohlraumes anzuordnen, wodurch das Verfahren auf Vertikalmaschinen beschränkt ist.
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Beim derzeitigen Stand des Thixo-Gießverfahrens müssen die auf das Gußgewicht abgestimmten Bolzenabschnitte über ca. 500 Sekunden von Raumtemperatur in den Liquidus-Solidus-Bereich mit ca. 40 bis 60% Flüssiganteil aufgeheizt werden. Das Aufbeizen dieser Bolzenabschnitte erfolgt in bis zu zehn Induktionsspulen, die entweder kreisförmig in senk-rechter oder columbarienartig in liegender Position angeordnet sind. Im ersten Fall müssen die stehenden Bolzen einzeln in die Spulen gebracht, dort in den geeigneten Temperaturbereich erhitzt und anschließend mit Hilfe eines Roboters in die horizontale Schußkammer der Druckgießmaschine eingelegt werden. Hierbei ist es besonders schwierig, ein Absacken und Aufweiten des Bolzens in seinem unteren Bereich zu vermeiden. Beim Bolzenaufheizen in der horizontalen Position werden die Abschnitte von einem Roboter in geschlichtete Stahlschalen gelegt, mit einer Schubvorrichtung in die liegende Spule geschoben und aufgeheizt.
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Da beim bekannten Thixoguß das Aufheizen in den teilflüssigen Bereich über eine längere Zeitdauer erfolgen muß, kommt es durch den freien Zutritt der Atmosphäre zu einer erheblichen Oberflächenoxidation der Bolzenabschnitte. Der Bolzen erhält so eine Oxidschale, die beim anschließenden Druckgießen in feiner Verteilung in das Gefüge eingeschleppt wird und zu Fehlstellen im Bauteil führt.
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Außerdem besteht bei den bekannten Verfahren ein ausgeprägter Trend zur Entmischung der festen und flüssigen Phasen, die ausgetretene Schmelze erstarrt separat, weist dann nicht mehr das geforderte globulitische Gefüge auf sondern bildet heterogene Einschlüsse.
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Bei einer neuen Verfahrensvariante wird der teilflüssige Zustand des Chargiermaterials durch gezieltes Abkühlen der Schmelze in mehreren Stahlhülsen erreicht und der hier teilerstarrte Bolzen in die ausgeschwenkte Schußkammer einer Vertikalmaschine transportiert, vergleiche Adachi M. ”Characteristics of UBE Rheocasting Prozess, Conference Proceedings, Japanese Die Casting Association, JD 98-19, 1998, 123–128;
EP 0745964 A1 . Auch hier ist die Aufbereitung des Vormaterials in Form einzelner Bolzen mit dem Gewicht nur eines Bruttoabgusses und ihre Handhabung durch Mehrstationenkarusell und Kühlhülsen mit Roboter ein aufwendiger und schwer beherrschbarer Prozess.
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Ein Verfahren nach
EP 1004374 A1 versucht diese Nachteile zu überwinden, benötigt aber zusätzliche Maßnahmen wie offener Schmelzebehälter, Stopfenstange, Schmelzeleitung, kühlendes Pulver und Bearbeitungskammer mit Dosierkolben, die das Verfahren besonders aufwendig und störanfällig erscheinen lassen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines neuartigen Verfahrens und neuartiger Vorrichtungen, die die Fertigung von hochbeanspruchbaren Bauteilen auch mit großen Dimensionen, komplexer Formgebung und Mehrfachfunktion in einer Kompaktanlage mit engster Kopplung und Regelung der Fertigungsschritte bei gleichzeitiger Taktzeitverkürzung auf besonders rationelle Weise ermöglichen. Dabei sollen insbesondere die Bedingungen für die Vorgänge beim Schmelzen und Teilaufschmelzen sowie beim Formfällen und Erstarren optimiert und die geschilderten Nachteile beim Stand der Technik überwunden werden, so daß Bauteile mit besonders feinkörnigem und dichtem Gefüge mit hohem Gleichmäßigkeitsggrad erhalten werden.
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Weiterhin zielt die Erfindung auf ein besonders vielseitig einsetzbares Verfahren, das in der Lage ist, möglichst zahlreiche Sektoren bei der Verarbeitung sowohl schmelzflüssiger als auch teilflüssiger Legierungen abzudecken.
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Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß der feste oder flüssige Werkstofffortlaufend in zumindest eine direkt an den Formhohlraum einer Gießform oder an die Schußkammer einer Druckgießmaschine angeschlossene temparaturgeregelte rohrförmige Kammer in eine für die Formfüllung geeignete Konsistenz gebracht und anschließend direkt oder über die Schußkammer in den Formhohlraum befördert wird, wobei der Verfahrensablauf in einem geschlossenen System weitgehend frei von der Atmosphäre erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus:
Die Handhabung langer Bolzen für mehrere Bauteile vermindert den logistischen Aufwand, Sägeoperationen, Handlingsvorgänge sowie Materialverluste.
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Der Werkstoff wird in einem größeren Quantum mit günstigem Volumen-Oberflächen-Verhältnis in das Chargierrohr eingebracht und unter vollständigem Luftabschluß ohne Oxidation der Oberfläche und Wärmeabstrahlung besonders an den Stirnflächen auf die gewünschte Formgebungstemperatur eingestellt, wobei der energetische Wirkungsgrad deutlich gesteigert wird.
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Dank der Vielseitigkeit des neuen Verfahrens kann der Werkstoff sowohl in fester als auch in flüssiger Form zugeführt werden. Bei der Feststoffzuführung tritt das Material beispielsweise in Bolzenform durch eine Abdichtung in die Rohreintrittsöffnung ein, wird auf seinem Weg durch das Rohr aufgeheizt und entweder teilweise für den Thixoguß oder vollständig für die herkömmlichen Gießverfahren verflüssigt.
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Die Rohraustrittsöffnung ist direkt oder über eine Schußkammer mit dem Formhohlraum verbunden, wobei die Gase im Formhohraum entweder abgesaugt oder durch ein Schutzgas ersetzt werden können. Für den Thixoguß kann auch das Festmaterial auf der ersten Wegstrecke vollständig erschmolzen und auf der zweiten Strecke in den Liquidus-Solidusbereich abgekühlt und in die erforderliche Konsistenz gebracht werden. Hierbei spielt dann die für den Stand der Technik wichtige beim Aufheizen einzuhaltende Form und Stabilität der einzelnen Bolzen keine Rolle mehr.
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Die Entmischungstendenz ist ausgeschaltet.
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Wird der Werkstoff in geschmolzener Form zugeführt, so kann das Chargierrohr die Funktion eines Warmhalte- und Dosierofens übernehmen. Für den Thixoguß kann hier bei Temperaturabsenkung die Einstellung des gewünschten teilflüssigen Zustands erreicht werden.
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Bei allen Anwendungen des neuen Verfahrens ist auch eine genaue Portionierung des zu verarbeitenden Materials auf das jeweilige Bauteilgewicht möglich.
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Weitere Vorteile sind in der breiten Produktpalette zu sehen, die mit der Fertigung nach dem neuen Verfahren abzudecken ist.
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So können sowohl kleinere Bauteile bei Mehrfachanordung in der Form als auch besonders großflächige Teile mit verwickelten Konturen rationell produziert werden. Das Verfahren kann für alle bekannten Gießverfahren insbesondere für Druckgießen und Niederdruckgießen zur Anwendung kommen. Eine besondere Eignung ist auch bei reaktionsempfindlichen Legierungen wie beispielsweise Aluminium- und Magnesiumlegierungen gegeben.
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Zum Start des Verfahrensablaufs z. B. nach 1 werden Legierungsbolzen mit dem vielfachen Gewicht eines herzustellenden Bauteiles in vertikaler Richtung durch eine gasdichte Abdichtung an der unteren Öffnung eines induktiv beheizten Chargierrohrs eingebracht und aufgeheizt. Im Bereich des oberen Rohrteiles erfolgt der Übergang in den teilflüssigen oder flüssigen Zustand. Hier bewirken die elektromagnetischen Feldkräfte die Bildung eines Spaltes zwischen Schmelze und Rohrwand, sodaß ein Eindringen der Schmelze nach unten zwischen Rohrwand und festem Bolzen verhindert wird. Dieser Effekt kann nach dem Beispiel der elektromagnetischen Stranggußkokille durch geeignete Frequenzwahl in der Primärspule optimiert werden.
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Je nach Temperaturführung gelangt flüssiges oder teilflüssiges Material unter der Wirkung des Bolzennachschubs gegebenenfalls im Zusammenwirken mit Gasdruck im oberen geschlossenen Rohrende durch schräg nach oben führende Kanäle in die Schußkammern oder direkt in die Form, die mit Hilfe der Kapselung des gesamten Systems gegen die Einflüsse der Atmosphäre geschützt ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigen:
1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 2 eine Seitenansicht, teils im Schnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 wird eine aus zwei Hälften 1a und 1b bestehende Form, die mit Hilfe der Aufspannplatten 2a und 2b und eines nicht dargestellten Mechanismus. geschlossen und geöffnet werden kann, über die beiden Druckkammern mit Kolben 3a und 3b aus dem vertikal angeordneten Chargierrohr 4 mit Schmelze 5 beschickt. Die Schmelze 5 befindet sich im oberen Teil des Chargierrohrs 4, aus dem sie über zwei Verbindungsrohre 6a und 6b in die Druckkammern 3a und 3b dosiert wird. Zum Aufheizen, Schmelzen und Warmhalten werden die Legierungsbolzen 7a, b, c, d, e, f in das Chargierrohr 4 an dessen unterem Ende durch die Abdichtung und Halterung 8 eingeschleust und mit Hilfe der Induktionsspulen 9a und 9b aufgeheizt, im Bereich der Spule 9c aufgeschmolzen und im Bereich der Spulen 9d und 9e auf die gewünschte Dosiertemperatur gebracht. Das Kraftfeld der Spule 9c verhindert auch das Eindringen der Schmelze nach unten in den Ringspalt zwischen Rohrwand 4 und abschmelzendem Bolzen 7f. Das Dosieren der Schmelze 5 in die Druckkammern 3a und 3b erfolgt im Zusammenspiel von Bolzenvorschub 10 und Gasdruckregelung 11 im Kopf des Chargierrohrs 4.
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Nach dem Füllen der Druckkammern 3a und 3b mit dem erforderlichen Schmelzequantum verdrängen die Kolben die Schmelze in den Formhohlraum 1. Die Formfüllung kann durch Zwangsentlüftung des Formhohlraumes 1 unterstützt werden, indem beispielsweise der durch den Dichtring 13a außerhalb der Form 1a und 1b gebildete Raum 13b evakuiert wird. Das Ausführungsbeispiel nach 2 ist besonders für die Beschickung konventioneller horizontaler Druckgießmaschinen geeignet.
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Hier wird der Legierungskörper 7 mit Hilfe des Vorschubs 10 in das gasdichte Gehäuse 14a des Chargierrohrs 4 eingeschoben und in den durch die Induktionsspulen 9a bis 9c gebildeten Zonen aufgeheizt und teil- oder vollständig verflüssigt. Im unteren Bereich des Chargierrohrs 4 erreicht der Werkstoff die für seine Verarbeitung gewünschte Konsistenz. Nach Austritt des erforderlichen Materialquantums kann die Portion mit Hilfe der Trenn- und Einschubvorrichtung 12 abgeschert und in die Druckkammer 3 eingeschoben werden, deren Kolben den Werkstoff unverzüglich in die Form preßt. Die Trenn- und Einschubvorrichtung 12 kann mit Mitteln zur Temperaturerfassung und Regelung sowie zur Überprüfung des teilflüssigen Zustands des Materials und damit seines fest-flüssig Verhältnisses ausgerüstet werden.
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Zur Unterstützung des Materialvorschubs im Chargierrohr 4 sind bekannte Maßnahmen der Schwingförderung anwendbar. Außerdem kann das Chargierrohr 4 aus mehreren Teilen zusammengesetzt werden.
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Im Falle der vollständigen Materialverflüssigung im Chargierrohr 4 kommt anstelle der Trenn- und Einschubvorrichtung 12 ein geeigneter Absperr- und Dosiermechanismus beispielsweise ein Schieberventil zum Einsatz.
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An Stelle der festen Legierungskörper 7 kann auch geschmolzenes Material am oberen Ende des Chargierrohrs 4 zugeführt und auf seinem Weg durch die verschiedenen Zonen in die gewünschte Konsistenz gebracht werden.
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Die Adaption des Chargierrohres an die Druckkammer der Gießmaschine kann, wie die Beispiele der 1 und 2 zeigen, den Gegebenheiten an der Maschine wahlweise angepaßt werden. So sind neben der vertikalen und horizontalen Lage des Chargierrohres auch Schräglagen sinnvoll, die eine optimale Funktion sicherstellen. Für besonders großflächige Produkte oder Mehrfachformen sind beispielsweise an der Vertikal- wie Horizontalmaschine auch Mehrfach-Anordnungen von Chargierrohren vorteilhaft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formhohlraum
- 1a, b
- Formhälften
- 2a
- bewegliche Formaufspannplatte
- 2b
- feste Formaufspannplatte
- 3a, b
- Druckkammer mit Kolben
- 4
- Tiegelrohr
- 6a, b
- Verbindungsrohre
- 7a
- Legierungskörper (fest)
- 7b
- Legierungsmaterial (flüssig, teilflüssig)
- 8
- Abdichtung und Halterung
- 9a–e
- Induktionsspulen
- 10
- Legierungskörper-Vorschub
- 11
- Anschluss für Gasdruckregelung
- 12
- Trenn- und Einschubvorrichtung
- 13a, b
- Formabdichtung
- 14
- gasdichtes Gehäuse mit Schutzgasanschluss
