DE102005009326B4

DE102005009326B4 - Verfahren und Gießeinrichtung zur Herstellung von Mikrogussteilen

Info

Publication number: DE102005009326B4
Application number: DE200510009326
Authority: DE
Inventors: Roland Hartmann
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-02-22
Also published as: DE102005009326A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Gießeinrichtung zur Herstellung von Mikrogussteilen mit einem Gießbehälter und einer Mikrogießform, die über eine Gießöffnung des Gießbehälters und eine Eingießöffnung der Mikrogießform korrespondierend in Verbindung stehen, wobei sich im Gießbehälter elektrisch leitfähiges Gießgut befindet, mit DOLLAR A - mindestens einem Magneten, DOLLAR A - einem ersten Elektrodensystem im Gießbehälter und DOLLAR A - einer zentralen Stromversorgungseinheit zur Erzeugung eines Stromes i im Gießgut, DOLLAR A wobei eine auf das Gießgut wirkende Lorentz-Kraft F entsteht, wenn sich zumindest Komponenten des Stroms i und der Magnetflußdichte B senkrecht zueinander gerichtet schneiden. DOLLAR A Die Aufgabe besteht darin, dass die Fertigung von formgenauen, dichten Mikrogussteilen beliebiger Geometrie und beliebigen Gusswerkstoffes mit einer homogenen Gefügestruktur ermöglicht wird. DOLLAR A Die Lösung besteht darin, dass das Gießgut (4) mittels der sich im Gießbehälter (3) ausbildenden Lorentz-Kraft in die Mikrogießform (6) zumindest die Oberflächenspannung des Gießgutes (4) überwindend schussartig bewegt wird, indem mindestens ein das Magnetfeld schneidender, durch das Gießgut (4) hindurchfließender Füllungsstromstoß i¶D¶ und/oder fließende Füllungsstromstöße DELTAi¶D¶ über das erste Elektrodensystem (17) zugeschaltet werden und dass danach das erstarrte Gießgut (4) als Mikrogussteil (2) aus der Mikrogießform (6) entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Gießeinrichtung zur Herstellung von Mikrogussteilen aus einem elektrisch leitfähigen Gießgut mit einem Gießbehälter und einer Mikrogießform, die über eine kapillarartige Gießöffnung des Gießbehälters und eine kapillarartige Eingießöffnung der Mikrogießform korrespondierend in Verbindung stehen, vorgesehen ist, wobei

– mindestens ein Magnet, dessen Magnetfeld zumindest den Gießbehälter mit einer vorgegebenen Magnetflussdichte B durchdringt,
– ein erstes Elektrodensystem mit sich gegenüberliegenden Elektroden im Gießbehälter und
– eine zentrale Stromversorgungseinheit für die Elektroden zur Erzeugung eines Stromes i im Gießgut vorhanden sind,

Ein derartiges Verfahren zum Gießen von Metallen in Formen unter Anwendung elektrischer Ströme ist in der Druckschrift DE 476 812 beschrieben, wobei unter gleichzeitiger Einwirkung elektrischer Ströme durch Erzeugung von Magnetfeldern auf das stromdurchflossene Metall ein Druck ausgeübt wird, welcher das Metall in die Gießform treibt.

Durch Veränderung der Stromstärke kann der Druck für den jeweiligen Gießvorgang variiert und das Gießen oder Spritzen kann jeweils unter veränderlichem Druck vorgenommen werden. Mit dem Elektromagnetstromkreis als auch mit dem Elektrodenstromkreis kann das Ausfließen des flüssigen Metalls mit einem mechanischen Absperrventil verhindert werden, wenn nur das Magnetfeld oder nur der Strom im geschmolzenen Metall umgekehrt wird.

Es wird also im Wesentlichen die Füllung von Gießformen mit einem Elektromagnetfeld und mit Strom aus einem Elektrodenstromkreis durchgeführt.

Ein Problem besteht darin, dass sowohl eine Abhebung von Gießgut aus der Gießöffnung als auch eine Entformung des Mikrogussteils nicht ermöglicht werden können. Bei Einsatz des stetig sich verändernden Füllungsstromes können Oberflächen- und Gefügefehler in der Gießform auftreten.

Einsatzgebiete für die Mikrogussteile sind unter anderem die Mikromechanik, z.B. Mikromotoren und Antriebe, die Feingerätetechnik, mikrochirurgische Instrumente und die Weltraumtechnik. Aus diesem Grund hat sich der Bedarf an Mikrogussteilen in den letzten Jahren vervielfacht.

Mikrogussteile haben gegenüber Mikrobauteilen, die nach anderen Technologien gefertigt werden, den Vorteil, dass sie weitgehend nachbearbeitungsfrei sind. Das setzt aber voraus, dass die Oberflächenqualität und die Gefügestruktur hohen Anforderungen entsprechen.

Des Weiteren sind ein Verfahren zum Ausgießen von geschlossenen Gießformen und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens in der Druckschrift DE G 15271 beschrieben, wobei nach dem Eingießen das in den Gießformen befindliche Gießgut in mechanische Schwingungen mittels einer mechanischen Schwingungskolbeneinrichtung versetzt wird, wobei durch das Schwingungsübertragungsorgan auf das Gießgut ein Druck ausgeübt wird.

Die Gießeinrichtung ist mit einem von einem Vibrator aus in Schwingungen versetzbaren Schwingungsübertragungsorgan versehen, welches dazu dient, seine Schwingungen auf das in der Gießform enthaltene Gießgut zu übertragen, wobei das Schwingungsübertragungsorgan zugleich als in einem Führungskanal verschiebbarer Druckkolben ausgebildet ist, wobei in den ursprünglich vom Kolben frei gelassenen Kolbenraum ein Zufuhrkanal einmündet, welcher nach Vorverschieben des Schwingkolbens durch den Kolben abgesperrt wird.

Ein Problem besteht darin, dass solche mechanische Schwingungsanordnungen im Zentimeterbereich und bei Einsatz kapillarartiger Gießöffnungen bei der Herstellung von Mikrogussteilen schwerlich einsetzbar sind. Dazu sind die Druckkräfte zur Beseitigung von Hohlräumen in den Mikrogussteilen zu gering.

Es ist ein Mikrogießverfahren in der Druckschrift „Entwicklung einer neuen Metallgießtechnik", Zeitschrift für Metallkunde, S. 207–211, 3/9/2001 beschrieben, bei dem der Kapillardruck zum Füllen der Mikrogießform benutzt wird. Voraussetzung dafür ist aber die innenwandige Beschichtung der Mikrogießform mit einem die Oberflächenspannung verminderndem Überzug.

Ein Problem besteht darin, dass der nach jedem Abguss wieder zu erneuernde, innenwandige Überzug zur Beschichtung der Gießformen kosten- und zeitaufwendig ist.

Ein anderes Problem besteht darin, dass der Formungsdruck infolge der Kapillarwirkung sehr gering ist. Es können auf Grund des geringen Formungsdruckes während des Formgießens und beim Erstarren leicht Oberflächen- und Gefügefehler, Porositäten bzw. Lunker auftreten.

Es ist ein anderes Verfahren und eine Vorrichtung zum Lichtbogenschmelzen und Gießen in der Druckschrift DE 36 43 586 A1 beschrieben, wobei der Magnetfluss von im Wesentlichen senkrecht zu einer zwischen einer Elektrode und Masse befindlichen Lichtbogensäule ausgerichteten Elektromagneten geändert wird, um die Lichtbogensäule und den zu schmelzenden metallischen Werkstoff mit einer Lorentz-Kraft zu beaufschlagen und damit die Lichtbogensäule über die Oberfläche des metallischen Werkstoffs hinweg zu bewegen. Anhand der Lichtbogenspannung der Lichtbogensäule werden Richtung und Geschwindigkeit der Lichtbogensäule erfasst. Es erfolgt eine Regelung durch einen Vergleich der so ermittelten Daten mit Sollwerten. Das geschmolzene Metall wird in eine Gießform gegossen.

Die zugehörige Gießvorrichtung hat

– eine luftdichte Kammer,
– eine in die luftdichte Kammer hineinragende bzw. in der luftdichten Kammer befindliche, elektrisch isolierte Elektrode zur Ausbildung eines elektrischen Lichtbogens,
– einen metallischen Werkstoff, der der Elektrode gegenüberliegend auf einem Tiegel angeordnet ist, der das gleiche elektrische Potenzial wie die Kammer hat,
– eine Gießform zur Aufnahme von geschmolzenem Metall aus dem Tiegel,
– im Wesentlichen senkrecht zu der Achse der Elektrode angeordnete Elektromagnete,
– eine Stromquelle zur Beaufschlagung der Erregerspulen der Elektromagnete mit sich ändernden Erregerstrom, und
– eine Regelschaltung, die die Lichtbogenspannung an der Elektrode erfasst und den Erregerstrom derart regelt, dass der magnetische Fluss der Elektromagnete über den sich ändernden Erregerstrom variiert wird und die mittels der Elektrode erzeugte Lichtbogensäule sowie der metallische Werkstoff mit einer Lorentz-Kraft beaufschlagt werden, die die Lichtbogensäule über der Oberfläche des metallischen Werkstoffs hinwegbewegt und ein gleichförmiges Aufschmelzen des metallischen Werkstoffs bewirkt.

Ein Problem besteht darin, dass in der Vorrichtung ein hoher Energieverbrauch vorhanden ist.

Es ist eine weitere Vorrichtung zum induktiven Schmelzen und Gießen einer Metallmenge in der Druckschrift EP 0 395 286 B1 beschrieben, die versehen ist mit

– einer Induktionsspule mit mehreren Windungen, durch die ein Raum zur Aufnahme einer Metallmenge gebildet wird,
– Mitteln zur Erregung der Induktionsspule und
– einem Tragemittel zum Tragen des Metalls von unten aus, das nach unten mit einer durchgehenden Öffnung versehen ist.

Die Vorrichtung ermöglicht das vollständige Schmelzen der Metallmenge ohne einen Behälter oder ohne eine Schale im Schwebezustand. Die Induktionsspule ist derart ausgebildet, dass eine elektromagnetische Kraft ausgeübt wird, die in Richtung des unteren Abschnitts der Spule zunimmt und die das geschmolzene Metall innerhalb der Spule stützt und einschließt. Die oberste Windung der Induktionsspule ist in entgegengesetzter Richtung zu den anderen Windungen gewickelt. Es sind auch Mittel vorgesehen, um das Tragemittel auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten.

Ein Problem besteht darin, dass die vorhandenen elektromagnetischen Kräfte nur als Halterungsorgan für die Metallschmelze dienen.

Ein weiteres Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Metallen aus einer Schmelze in der Druckschrift US 2003/0106667 A1 beschrieben. Die Vorrichtung enthält

– einen Gießbehälter, der in Gießrichtung an beiden Enden offen ist,
– Mittel zur Zuführung der Schmelze in den Gießbehälter,
– eine erste elektromagnetische Induktionsspule, die mit Wechselstrom versorgt wird und zur Erzeugung einer auf der Lorentz-Kraft basierenden Rührbewegung in der Schmelze vorgesehen ist, und
– eine zweite elektromagnetische Spule, die oberhalb der ersten elektromagnetischen Induktionsspule angeordnet ist und die vorgesehen ist, die Rührbewegung der Schmelze in dem Be reich, der an die freie Oberfläche der Schmelze angrenzt, zu steuern.

Die zweite Induktionsspule ist derart angeordnet, dass die Versorgung der Metallschmelze mit Hilfe von Gleichstrom oder Wechselstrom geändert werden kann. Die Rührbewegung der Schmelze in dem Gießbehälter wird mittels sich ausbildender Lorentz-Kräfte gesteuert.

Ein Problem besteht darin, dass die Vorrichtung unter Ausbildung der Lorentz-Kraft nur für eine Rührbewegung vorgesehen ist.

Die Nutzung der Lorentzkraft wird auch in der Druckschrift US 6 530 418 B1 beschrieben, wobei es um die Vermeidung von interkristallinen Hohlräumen in Stranggussteilen geht.

Allen Vorrichtungen ist gemeinsam, dass sie mit geringem Fülldruck, wie z.B. beim sogenannten Kapillardruckgießen, arbeiten. Dabei können schon bei Gussteilen herkömmlicher Größenbereiche durch die bei der Abkühlung und Erstarrung stattfindende Kontraktion des Gusswerkstoffes Oberflächen- und Gefügefehler entstehen.

Allen Vorrichtungen ist auch gemeinsam, dass der Druck für das Gießen des Gießgutes in kleinste Mikrogießformen nicht ausreicht, das Gießgut wegen der hohen Oberflächenspannungen des Gießgutes in die Mikrogießformen einzufüllen.

Die Mikrogießformen haben eine Größe im Millimeterbereich, maximal im Zentimeterbereich, weshalb auch an eine homogene Ge fügestruktur der Mikrogussteile hohe Anforderungen gestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Gießeinrichtung zur Herstellung von Mikrogussteilen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass in einfacher Weise die Fertigung von formgenauen und lunkerfreien, verdichteten Mikrogussteilen mit maximaler Größe im Zentimeterbereich und beliebiger Geometrie durch kapillarartige Öffnungen hindurch gewährleistet wird.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 6 gelöst.

In dem Verfahren zur Herstellung von Mikrogussteilen aus einem elektrisch leitfähigen Gießgut mit einem Gießbehälter und einer Mikrogießform, die über eine kapillarartige Gießöffnung des Gießbehälters und eine kapillarartige Eingießöffnung der Mikrogießform korrespondierend in Verbindung stehen, wobei

– mindestens ein Magnet, dessen Magnetfeld zumindest den Gießbehälter mit einer vorgegebenen Magnetflussdichte B durchdringt,
– ein erstes Elektrodensystem mit sich gegenüberliegenden Elektroden im Gießbehälter und
– eine zentrale Stromversorgungseinheit für die Elektroden zur

Erzeugung eines Stromes i im Gießgut vorhanden sind,
wobei eine auf das Gießgut wirkende Lorentz-Kraft F entsteht, wenn sich zumindest Komponenten des Stromes i und der Magnetflussdichte B senkrecht zueinander gerichtet schneiden, und
wobei das Gießgut mittels mindestens eines das Magnetfeld schneidenden, durch das Gießgut hindurch fließenden und zumindest die kapillarbedingte Oberflächenspannung des Gießgutes überwindenden Füllungsstromes, der über das erste Elektrodensystem zugeschaltet wird, in die Mikrogießform bewegt wird, werden gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 an das erste Elektrodensystem als Füllungsstrom Stromimpulse Δi_D gelegt, wodurch das Gießgut in die Mikrogießform stoßartig geschleudert und dort verdichtet wird,
wobei nach vollständiger Füllung der Mikrogießform mittels des ersten Elektrodensystems oder eines weiteren zweiten Elektrodensystems entweder bei gleicher Richtung des Magnetfeldes mit der Magnetflussdichte B ein Abhebungsstrom i_A, der der Stromrichtung des Füllungsstromes entgegengesetzt gerichtet ist, zugeschaltet wird oder bei gleicher Stromrichtung die Richtung des Magnetfeldes mit der Magnetflussdichte B umgepolt wird, wodurch das überflüssige, nichterstarrte Gießgut aus der Gießöffnung heraus in den Gießbehälter zurückgeschleudert und die Gießöffnung verschlossen wird, und
wobei das erstarrte Mikrogussteil aus der Mikrogießform mittels eines der Mikrogießform zugeordneten dritten Elektrodensystems durch eine Lorentz-Kraft F_E entformt wird.

Die Füllungsstromstöße können in Form von Stromimpulsen Δi_D ausgebildet sein und eine hohe Stromstärke aufweisen. Mit mehreren Füllungsstromstößen Δi_D kann das Gießgut schussartig aus dem Gießbehälter durch die Gießöffnung und die Eingießöffnung hindurch in die Mikrogießform gießgutverdichtend verpresst werden.

Zwischen der Gießöffnung des Gießbehälters und der Kavität der Mikrogießform befindet sich ein Anschnitt.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Gießen als erste Phase des Gießvorganges die Mikrogießform vollständig gefüllt. Nach der Füllung und während des Abkühlungs- und Erstarrungsvorganges wird sich im Allgemeinen das Volumen des sich abkühlenden und erstarrenden Gießgutes in der Mikrogießform verringern. Im Übergang zur Erstarrung wird bei noch nicht zugefrorenem Anschnitt mit nachfolgenden Füllungsstromstößen weiteres Gießgut aus dem Gießbehälter in die Mikrogießform gedrückt und zugleich das erstarrende und kontrahierende Gießgut mehrmals verpresst. Damit soll erreicht werden, dass sich keine bedeutenden Schwindungshohlräume im Mikrogussteil ausbilden können.

Die Gießöffnung des Gießbehälters kann verschlossen werden.

Der Anschnitt friert nach dem Gießen des Gießgutes in die Mikrogießform zu. Der Rest des Gießgutes im Gießbehälter bleibt flüssig. Der Gießbehälter kann nach dem Zufrieren des Anschnittes und dem Verschließen der Gießöffnung von der Mikrogießform distanziert werden.

Dem Gießbehälter zugeordnet kann in der Endphase der Erstarrung des Gießguts in der Mikrogießform der Abhebungsstrom i_A durch das restliche im Gießbehälter befindliche Gießgut hindurch zum Abbrechen der Einfüllung und zur Abhebung des restlichen Gießgutes aus der Gießöffnung heraus an das zweite Elektrodensystem zugeschaltet werden, wobei der Abhebungsstrom als Gleichstrom i_A und/oder als mindestens ein Gleichstromimpuls Δi_A ausgebildet werden kann.

Die oben angegebene Richtungsänderung der Magnetflussdichte B setzt den Einsatz eines Elektromagneten voraus.

Das erstarrte Mikrogussteil kann nach Öffnen einer mehrteiligen Mikrogießform ebenfalls durch eine Lorentz-Kraft F_E entformt werden. Die Mikrogießform besteht dabei aus elektrisch nichtleitendem Material. Voraussetzung dafür ist es, dass auch die Mikrogießform sich innerhalb eines Magnetfeldes oder des gleichen Magnetfeldes befindet, in dem der Gießbehälter angeordnet ist.

Während der Öffnung der Mikrogießform kann nach erfolgter Erstarrung des Gießgutes das Formunterteil der Mikrogießform vom Formoberteil getrennt werden. Das Formoberteil ist das dem Gießbehälter gießöffnungszugeordnete Teil der Mikrogießform.

Ein Entformungsstrom i_E zum Entformen des Mikrogussteils aus dem Formoberteil und/oder dem Formunterteil heraus kann zumindest an das dritte Elektrodensystem, das sich am Formoberteil und/oder am Formunterteil befindet, zugeschaltet werden, wobei der Entformungsstrom als Gleichstrom i_E und/oder als Gleichstromimpulse Δi_E ausgebildet werden kann. Das vorhandene, das Mikrogussteil im Formoberteil und/oder im Formunterteil durchdringende Magnetfeld und der Entformungsstrom i_E schneiden einander senkrecht und bilden eine von der Innenwandung des Formoberteils und/oder des Formunterteils weg gerichtete Lorentz-Kraft F_E aus, die das Mikrogussteil von der jeweiligen Innenwandung abhebt.

Das Gießgut kann je nach Bedarf vor dem Gießvorgang durch elektromagnetische Induktion aufgeheizt und geschmolzen und/oder auf einer Gießtemperatur T im flüssigen Zustand gehalten werden.

Die Füllung der Mikrogießform kann durch eine Ultraschalleinrichtung unterstützt werden, wobei der Ultraschall sowohl am Gießbehälter als auch an der Mikrogießform einwirken kann.

Die Aufgabe wird auch durch die Merkmale des Patentanspruchs 12 gelöst.

In der Gießeinrichtung zur Herstellung eines Mikrogussteils aus einem elektrisch leitfähigen Gießgut mit einem Gießbehälter und einer Mikrogießform, die über eine kapillarartige Gießöffnung des Gießbehälters und einer kapillarartigen Eingießöffnung der Mikrogießform korrespondierend in Verbindung stehen, enthaltend

– mindestens einen Magneten, dessen Magnetfeld zumindest den Gießbehälter mit einer vorgegebenen Magnetflussdichte B durchdringt,
– ein erstes Elektrodensystem mit sich gegenüberliegenden Elektroden im Gießbehälter und
– eine zentrale Stromversorgungseinheit für die Elektroden zur Erzeugung eines Stromes i im Gießgut,

wobei eine auf das Gießgut wirkende Lorentz-Kraft F entsteht, wenn sich zumindest Komponenten des Stroms i und der Magnetflussdichte B senkrecht zueinander gerichtet schneiden, und
wobei das erste Elektrodensystem mit einer Schaltung zur Erzeugung eines Füllungsstromes zur Herbeiführung einer parallel zur Gießöffnung gerichteten Kraft, die das Gießgut in die Mikrogießform einfüllt, in Verbindung steht, nach dem vorgenannten Verfahren arbeitend,
ist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 6 der Füllungsstrom als Stromimpulse Δi_D zur Füllung und zur Verdichtung des erstarrenden Gießgutes ausgebildet,
wobei sich wahlweise ein weiteres zweites Elektrodensystem zwischen der Gießöffnung des Gießbehälters und dem ersten Elektrodensystem zur Erzeugung eines Abhebungsstromes i_A zur Entfernung des nichterstarrten Gießgutes aus der Gießöffnung befindet, und
wobei die Mikrogießform ein zugeordnetes drittes Elektrodensystem aufweist, das mit einer Schaltung zur Erzeugung eines Entformungsstromes i_E zur Entformung des Mikrogussteils aus der Mikrogießform heraus verbunden ist.

Der Magnet kann wahlweise ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein, wobei der Elektromagnet an eine Elektromagnet-Stromversorgungseinheit angeschlossen ist, die mit einem Magnetflussdichte-Umschalter versehen sein kann.

Zwischen dem Gießbehälter und der Mikrogießform im Bereich eines Anschnittes der Mikrogießform kann sich am Gießbehälter eine Verschlusseinrichtung befinden, mit der die Gießöffnung des Gießbehälters und wahlweise der Anschnitt der Mikrogießform gesteuert geöffnet und geschlossen werden kann.

Die zentrale Stromversorgungseinheit kann eine Schaltung zur Erzeugung eines Abhebungsstromes i_A zur Herbeiführung einer die Gießöffnung zum Anschnitt gießgutfrei machende Lorentz-Kraft F_A enthalten, wobei die Schaltung mit dem zweiten Elektrodensystem in Verbindung steht, wobei sich das zweite Elektrodensystem zwischen der Gießöffnung des Gießbehälters und dem ersten Elektrodensystem befinden kann.

Der Abhebungsstrom i_A kann nach der Einfüllung des Gießgutes in die Mikrogießform als etwa gleich oder annähernd gleich di mensionierter Strom zugeschaltet werden, der der Stromrichtung des Füllungsstrom i_F entgegengerichtet ist, wobei mit der Zuschaltung des Abhebungsstromes i_A das erstarrende Gießgut aus der Gießöffnung oder vom Anschnitt der Eingießöffnung entfernt werden kann.

Der Gießbehälter kann auch mit einer seitlichen Gießöffnung versehen sein, so dass ein seitlicher Gießvorgang eingeleitet werden kann. Dabei kann der durch die im Gießgut entstehende Lorentz-Kraft erzeugte Druckstoß in die Richtung der seitlichen Gießöffnung gerichtet sein und das Gießgut durch die Gießöffnung ebenfalls schussartig in die Mikrogießform geschleudert werden.

Der Gießbehälter kann sich auch unterhalb der Mikrogießform befinden, so dass ein vertikal nach oben gerichteter Gießvorgang analog dem Niederdruckgießen eingeleitet werden kann. In diesem Falle wird die Lorentz-Kraft während des gesamten Gieß- und Erstarrungsvorganges aufrecht erhalten, wobei die Magnetflussdichte B und der Strom i entsprechend zugeordnet eingestellt sind.

Die Mikrogießform kann sich wie der Gießbehälter ebenfalls in einem Magnetfeld eines oder des gleichen Magneten mit einer Magnetflussdichte B befinden.

Die Mikrogießform ist mehrteilig und kann vorzugsweise ein Formoberteil und ein Formunterteil aufweisen, wobei in der Mikrogießform, vorzugsweise im Formoberteil mindestens eine Entlüftungsöffnung vorhanden ist und wobei sich innerhalb der Mikrogießform ein für das Mikrogussteil vorgesehener Hohlraum – eine Kavität – befindet, der mit der Entlüftungsöffnung in Verbindung steht.

Der Mikrogießform, vorzugsweise dem Formunterteil ist das dritte Elektrodensystem zugeordnet sein, das mit der Schaltung zur Erzeugung des Entformungsstromes i_E zur Entformung des Mikrogussteils aus dem Formunterteil heraus unter Erzeugung einer Lorentz-Kraft F_E verbunden ist, wobei die Schaltung der zentralen Stromversorgungseinheit zugehörig sein kann.

Die Schaltung zur Erzeugung des Entformungsstromes i_E ist derart ausgebildet, dass der Entformungsstrom i_E mindestens einen Gleichstromimpuls Δi_E aufweisen oder nur solche darstellen kann. Die zugehörige Steuerung der Zu- und Abschaltungen kann mit einer übergeordneten Steuer-/Regeleinrichtung erfolgen.

Die Heizungseinrichtung enthält eine um den Gießbehälter herum gewundene Induktionsspule.

Die sich gegenüberliegenden, paarweise zugehörigen Elektroden je eines Elektrodensystems innerhalb des Gießbehälters können vorzugsweise kugelförmig oder kugelkalottenförmig oder wahlweise in einer anderen geometrischen Form ausgebildet sein.

Vorzugsweise stellt die Gießöffnung eine im Querschnitt runde Öffnung dar. Auch können die korrespondierende Gießöffnung des Gießbehälters und die Eingießöffnung der Mikrogießform einen in Richtung der Mikrogießform divergierenden konischen Kanal darstellen.

Je nach Bedarf und Volumen des benötigten Gießgutes können variabel am Gießbehälterrand die Elektroden der Elektrodensysteme angeordnet, geometrisch ausgebildet und in einer vorgegebenen Entfernung von der Gießöffnung aus einstellbar sein.

Im Bereich der Gießöffnung des Gießbehälters oder auch an der Außenwandung des Gießbehälters kann sich mindestens ein Ultraschallkopf befinden, der über eine strom- und signaltechnische Zuleitung mit einer Ultraschallerzeugungseinheit in Verbindung steht. Auch an der Mikrogießform kann zur Unterstützung der Füllung und Erstarrung des Gießgutes mindestens ein Ultraschallkopf vorgesehen sein.

Das Gießgut kann im Prinzip den flüssigen Zustand von reinem Metall, von Zusammensetzungen aus mehreren Metallen – Legierungen – sowie von Metallen oder Legierungen mit nichtmetallischen Zusätzen darstellen.

Die Lorentz-Kraft F ist somit Ausgangspunkt für ein schussartiges, impulsartiges, auch schlagartiges Einbringen des Gießgutes in die Mikrogießform und führt zu einem Elektroimpuls-/schlag-Gießverfahren. Die Füllungsstromimpulse können so ausgebildet sein, dass in Abhängigkeit von Stromstärke und Zeitabstand der Gleichstromipulse in dem erstarrenden Gießgut Druckwellen zur Verdichtung erzeugt werden können.

Der Vorteil der mit der Erfindung hergestellten Mikrogussteile und -erzeugnisse besteht darin, dass ohne erhebliche Nachbearbeitung Erzeugnisse erhalten werden können, die eine hohe Ausbildungsgüte, Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität sowie Material-/Gefügehomogenität aufweisen.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Gießeinrichtung zur Herstellung von Mikrogussteilen im Stadium des Druck-/Schlag-Gießens durch Lorentz-Kraftimpulse ΔF_D,
2 eine schematische Darstellung der Draufsicht auf die Gießeinrichtung zur Herstellung von Mikrogussteilen mit einem Elektromagneten anstelle eines Permanentmagneten nach 1 sowie die zugehörigen stromrichtungsabhängigen Lorentz-Kräfte in den 2a und 2b,
3 eine schematische Darstellung der Gießeinrichtung zur Herstellung von Mikrogussteilen nach 1 im Stadium der Abhebung des erstarrenden Gießgutes aus der Gießöffnung des Gießbehälters mittels einer Lorentz-Kraft F_A und
4 eine schematische Darstellung die Gießeinrichtung zur Herstellung von Mikrogussteilen nach 1 mit einer Entformung des Mikrogussteils mittels einer Lorentz-Kraft F_E aus dem Formunterteil heraus nach Erstarrung des Gießgutes.
Im Folgenden werden für gleiche Teile mit gleichen Funktionen die Bezugszeichen durchgängig beibehalten.
Die 1 enthält in einer schematischen Darstellung die Gießeinrichtung 1 nach der Erfindung zur Herstellung eines Mikrogussteils 2 mit einem Gießbehälter 3 und einer Mikrogießform 6, die über eine Gießöffnung 8 des Gießbehälters 3 und einen Eingießöffnung 7 der Mikrogießform 6 korrespondierend in Verbindung stehen, wobei

– sich im Gießbehälter 3 ein elektrisch leitendes Gießgut 4 befindet,
– ein außerhalb des Gießbehälters 3 befindlicher Magnet 9, dessen Magnetfeld den Gießbehälter 3 mit einer vorgegebenen Magnetflussdichte B durchdringt, vorhanden ist,
– ein erstes Elektrodensystem 17 mit sich gegenüberliegenden Elektroden 11, 12 im Gießbehälter 3 angebracht ist und
– eine zentrale Stromversorgungseinheit 14 für die Elektroden 11, 12 zur Erzeugung eines Stromes i innerhalb des Gießgutes 4 vorgesehen ist,

4

Die innerhalb des Gießgutes 4 erzeugte Lorentz-Kraft F übt einen schussartigen Druck auf das Gießgut 4 in Richtung zur Gießöffnung 8 aus, wobei das erste Elektrodensystem 17 des Gießbehälters 3 mit einer Schaltung 15 zur Erzeugung eines Füllungsstromes i_D und/oder von Füllungsstromimpulsen Δi_D zur Herbeiführung einer parallel zur Gießöffnung 8 gerichteten Kraft F_D und/oder von Kraftimpulsen ΔF_D, die das Gießgut 4 schussartig in die Mikrogießform 6 einfüllen und verdichten, in Verbindung steht.
Dabei können die Füllungsstromimpulse Δi_D eine Stromstärke und Zeitabstände derartig dimensioniert aufweisen, dass das Gießgut 4 druckstoßunterstützt einerseits schussartig aus dem unteren Teil 13 des Gießbehälters 3 durch die Gießöffnung 8 und durch den offenen Anschnitt 5 und die Eingießöffnung 7 hindurch in die Mikrogießform 6 und dass andererseits dort das erstarrende Gießgut 4 durch nachgedrücktes Gießgut 4 verdichtend verpresst werden kann.
Der in 1 dargestellte Magnet 9 weist ein Magnetfeld mit der Magnetflussdichte B auf, das auch die Mikrogießform 6 durchdringt.
Dem Gießbehälter 3 kann eine Heizungseinrichtung 38 zur Erzeugung des Gießgutes 4 mit vorgegebener Gießtemperatur T oder zum Warmhalten auf dem Gießtemperaturniveau zugeordnet sein.
Die 1, 3, 4 zeigen eine schematische Darstellung der Gießeinrichtung 1 im weitgehend gleichen Aufbau. Sie unterscheiden sich im Verhalten der durch das Gießgut 4 jeweils fließenden Ströme und zur jeweiligen Position des Gießgutes 4 in Bezug auf die entstehenden Lorentz-Kräfte F. Beim ersten Elektrodensystem 17 sind die Elektrode 11 eine Anode und die Elektrode 12 eine Katode.
Die Heizungseinrichtung 38 kann eine um den Gießbehalter 3 herum gewundene Induktionsspule 25 zur Warmhaltung des flüssigen Gießgutes 4 enthalten.
Der Gießbehälter 3 kann einen Deckel 39 aufweisen und/oder für das während der Füllung zurückweichende flüssige Gießgut 4 einen Auffangbehälter (nicht eingezeichnet) besitzen.
Der Magnet 9 in 1 kann im Allgemeinen als Permanentmagnet ausgebildet sein, dessen Pole senkrecht zur Zeichenebene hintereinander angeordnet sind und ein homogenes Magnetfeld mit einer Magnetflussdichte B senkrecht in die Zeichenebene hinein aufweisen, wobei das Magnetfeld den Gießbehälter 3 und die Mikrogießform 6 durchdringt.
Der Magnet kann aber auch, wie in 2 gezeigt ist, ein Elektromagnet 10 sein, der an eine zugehörige Elektromagnet-Stromversorgungseinheit 24 angeschlossen ist und dessen Magnetflussdichte B richtungs- und betragsmäßig mittels eines Magnetflussdichte(B)-Umschalters 37 einstellbar ist.
In den 3, 4 ist auf die Darstellung des Magneten 9 verzichtet worden, dafür aber die Magnetflussdichte B angegeben.
Die zentrale Stromversorgungseinheit 14 weist, wie in 3 gezeigt ist, eine Schaltung 16 zur Erzeugung eines Abhebungsstromes i_A zur Herbeiführung einer Lorentz-Kraft F_A zur Abhebung des restlichen erstarrenden Gießgutes 4 aus der Gießöffnung 8 auf, wobei die Schaltung 16 mit einem zweiten Elektrodensystem 18 mit den Elektroden 33, 34 in Verbindung steht, das sich zwischen der Gießöffnung 8 des Gießbehälters 3 und dem ersten Elektrodensystem 17 mit den Elektroden 11, 12 befindet.
Ist die Schaltung 16 eingeschaltet, dann ist die Schaltung 15 abgeschaltet und umgekehrt.
Dem Gießbehälter 3 zugeordnet kann während und in der Endphase der Erstarrung des Gießgutes 4 in der Mikrogießform 6 der Abhebungsstrom i_A durch das im unteren Teil 13 des Gießbehälters 3 befindliche erstarrende Gießgut 4 hindurch zum Abbrechen der Einfüllung und zur Abhebung des restlichen Gießgutes 4 aus der Gießöffnung 8 heraus an das zweite Elektrodensystem 18 zugeschaltet werden, wobei der Abhebungsstrom als Gleichstrom i_A und/oder als Gleichstromimpulse Δi_A ausgebildet wird.
Eine Verschlusseinrichtung (nicht eingezeichnet) zwischen der Gießöffnung 8 und der Eingießöffnung 7 im Bereich des Anschnittes 5 ermöglicht es, dass der Anschnitt 5 verschlossen wird und dass das erstarrende Gießgut 4 aus der Gießöffnung 8 abgehoben und in den Gießbehälter 3 zurückgeführt werden kann sowie eine Rückführung des erstarrenden Gießgutes 4 aus der Eingießöffnung 7 der Mikrogießform 6 zurück in den Gießbehälter 3 vermieden wird.
Die Mikrogießform 6 kann mehrteilig sein und kann, wie in 1, 3, 4 gezeigt ist, bei Zweiteiligkeit ein Formoberteil 20 und ein Formunterteil 21 aufweisen, wobei im Formoberteil 20 mindestens eine Entlüftungsöffnung 26 zur Entweichung von Luft aus einem Hohlraum 22 – einer Kavität – während des Gießens vorhanden ist, der sich innerhalb der geschlossenen Mikrogießform 6 befindet.
Vorzugsweise ist dabei dem Formunterteil 21, wie in 4 gezeigt ist, ein drittes Elektrodensystem 23 mit den Elektroden 35, 36 zugeordnet, das mit einer Schaltung 29 zur Erzeugung eines Entformungsstromes i_E zur Entformung des Mikrogussteils 2 aus dem Formunterteil 21 heraus unter Erzeugung der Lorentz- Kraft F_E in Verbindung steht, wobei die Schaltung 29 wahlweise der zentralen Stromversorgungseinheit 14 zugehörig sein kann.
Dabei kann die Schaltung 29 zur Erzeugung des Entformungsstromes i_E zur Entformung des Mikrogussteils 2 aus dem Formunterteil 21 heraus derart ausgebildet sein, dass der Entformungsstrom i_E auch Gleichstromimpulse Δi_E aufweist oder darstellt.
Der Gießbehälter 2 und die Mikrogießform 6 bestehen in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen aus elektrisch nichtleitendem Material.
Das Gießgut 4 kann wahlweise reines Metall, Zusammensetzungen aus mehreren Metallen – Legierungen – sowie Metalle oder Legierungen mit nichtmetallischen Zusätzen darstellen.
Die Gießeinrichtung 1 kann, wie in den 1, 3, 4 gezeigt ist, auf einem Gießgestell 19 ruhen, das im Wesentlichen den Gießbehälter 3, das Formoberteil 20 und das Formunterteil 21 trägt. Zusätzlich kann das Gießgestell 19 eine Trageinrichtung 28 aufweisen, das über eine Absenkeinheit 30 in Verbindung mit dem Formunterteil 21 stehen kann.
Auch die Magnete 9, 10 können jeweils ein tragendes, halterndes Magnetgestell 27 aufweisen.
Die sich gegenüberliegenden paarweise zugehörigen Elektroden 11, 12; 33, 34 der jeweiligen Elektrodensysteme 17; 18 innerhalb des Gießbehälters 3 können zur besseren gleichmäßigen Verteilung des Stromes i eine kugelförmige oder kugelkalottenförmige oder eine bedarfsgerechte, geometrisch andere Ausbildung aufweisen.
Wie in 2 gezeigt ist, kann sich im unteren Teil 13 des Gießbehälters 3 ein Ultraschallkopf 31 befinden, der mit einer Ultraschallerzeugungseinheit 32 über eine strom- und signaltechnische Zuleitung in Verbindung steht, mit der jeweils die Intensität und die Frequenz der Schallwellen einstellbar sind. Die erzeugten Ultraschallwellen können das Gießen des Gießgutes 4 in die Mikrogießform 6 zusätzlich unterstützen.
Ebenso kann ein Ultraschallkopf (nicht eingezeichnet) an der Mikrogießform 6 das Einfüllen und Verdichten des erstarrenden Gießgutes 4 dort unterstützen.
In dem Verfahren zur Herstellung von Mikrogussteilen 2 mit einem Gießbehälter 3 und einer Mikrogießform 6, die über eine Gießöffnung 8 des Gießbehälters 3 und eine Eingießöffnung 7 der Mikrogießform 6 korrespondierend in Verbindung stehen, wobei sich im Gießbehälter 3 elektrisch leitfähiges Gießgut 4 befindet, sind

– mindestens ein Magnet 9, dessen Magnetfeld zumindest den Gießbehälter 3 mit einer vorgegebenen Magnetflussdichte B durchdringt,
– ein erstes Elektrodensystem 17 mit sich gegenüberliegenden Elektroden 11, 12 im Gießbehälter 3 und
– eine zentrale Stromversorgungseinheit 14 für die Elektroden zur Erzeugung eines Stromes i im Gießgut 4 vorhanden,

4

Das Gießgut 4 wird mittels der sich im Gießbehälter 3 ausbildenden Lorentz-Kraft F_D in die Mikrogießform 6 die Oberflächenspannung des Gießgutes 4 überwindend schussartig bewegt, indem mindestens ein das Magnetfeld senkrecht schneidender, durch das Gießgut 4 hindurch fließender Füllungsstromstoß i_D und/oder fließende Füllungsstromstöße Δi_D über das erste Elektrodensystem 17 zugeschaltet werden, und danach wird das erstarrte Gießgut 4 als Mikrogussteil 2 aus der Mikrogießform 6 entfernt.
Die Füllungsstromimpulse Δi_D können jeweils eine Stromstärke und Zeitabstände aufweisen, so dass das Gießgut 4 druckstoßunterstützt schussartig aus dem Gießbehälter 3 durch die Gießöffnung 8 des Gießbehälters 3 und die Eingießöffnung 7 der Mikrogießform 6 hindurch in die Mikrogießform 6 verdichtet und verpresst wird.
Ebenso kann zur schlagartigen Einfüllung des Gießgutes 4 in die Mikrogießform 6 ein Füllungsstrom i_D fließen, der von Füllungsstromimpulsen Δi_D überlagert werden kann.
Das Gießgut 4, das von dem homogenen Magnetfeld mit der Magnetflussdichte B durchdrungen wird, kann auch durch einen oder mehrere strom- und/oder zeitgleich oder -unterschiedlich große Füllungsstromimpulse Δi_D des ersten Elektrodensystems 17 des Gießbehälters 3 senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes mit der Magnetflussdichte B infolge der dadurch wirkenden Lorentz-Kraft F_D in die Mikrogießform 6 schussartig gedrückt werden.
Des Weiteren kann dem Gießbehälter 3 zugeordnet am Ende der Erstarrung des Gießgutes 4 in der Mikrogießform 6 ein Aufhebungsstrom i_A durch das im unteren Teil 13 befindliche Gießgut 4 hindurch zum Abbrechen der Einfüllung und zum Abheben des restlichen Gießgutes 4 aus der Gießöffnung 8 bis zum Anschnitt 5 vor der Eingießöffnung 7 an das zweite Elektrodensystem 18 zugeschaltet werden, wobei der Aufhebungsstrom als Gleichstrom i_A und/oder auch als Gleichstromimpulse Δi_A ausgebildet werden kann.
Das erstarrte Mikrogussteil 2 kann nach mechanischem Öffnen der mehrteiligen Mikrogießform 6 ebenfalls durch eine Lorentz-Kraft F_E entformt werden.
Final werden nach erfolgter Erstarrung des Gießgutes 4 das elektrisch nichtleitende Formunterteil 21 der Mikrogießform 6 abgesenkt und ein Entformungsstrom i_F zum Entformen des Mikrogussteils 2 aus dem Formunterteil 21 heraus an das dritte Elektrodensystem 23 zugeschaltet, wobei der Entformungsstrom auch als Gleichstrom i_E und/oder als Gleichstromimpulse Δi_E ausgebildet werden kann.
Das Gießgut 4 kann vor dem Gießvorgang aus dem Gießbehälter 3 durch elektromagnetische Induktion aufgeheizt und geschmolzen und/oder auf Gießtemperatur T gehalten werden.
Die Füllung der Mikrogießform 6 kann durch Ultraschall unterstützt werden.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Gießeinrichtung 1 zur Herstellung von Mikrogussteilen 2 erläutert.
Zur Herstellung von Mikrogussteilen 2 mit einem Gießbehälter 3 und einer korrespondierend angeordneten Mikrogießform 6 wird das auf Gießtemperatur T eingestellte Gießgut 4 im Gießbehälter 3 gespeichert. Durch die Oberflächenspannung des Gießgutes 4 bedingt, kann das Gießgut 4 nicht in die kapillarartige Gießöffnung 8 des Gießbehälters 3 in die Mikrogießform 6 hineinfließen. Der Gießbehälter 3 befindet sich in einem starken homogenen Magnetfeld mit der Magnetflussdichte B, und infolge eines senkrecht zur Magnetfeldflussdichte B gerichteten Füllungsstromstoßes i_D bzw. von Füllungsstromstößen Δi_D durch das Gießgut 4 hindurch wird eine Lorentz-Kraft F_D oder eine Kraftkomponente davon zur Mikrogießformfüllung auf das Gießgut 4 ausgeübt.
Die gesamte Gießeinrichtung 1 befindet sich, wie in den 1 bis 4 gezeigt ist, im Magnetfeld der Magneten 9 oder 10 mit einer Magnetflussdichte B von z.B. zwei Tesla. In dem Gießbehälter 3, der unmittelbar auf der Mikrogießform 6 aufsitzt und mit dem Hohlraum 22 durch einen engen konusförmigen Kanal aus der Gießöffnung 8 und der Eingießöffnung 7 verbunden ist, befindet sich das Gießgut 4. Infolge eines Füllungsstromstoßes Δi_D von ca. 10 Ampere oder einer Folge von Füllungsstromstößen Δi_D aus einem Elektroimpulsgenerator der Schaltung 15 über die Elektroden 11, 12 durch das Gießgut 4 hindurch wirkt die dadurch erzeugte Lorentz-Kraft F_D derart auf das Gießgut 4, dass es in den Hohlraum 22 schlagartig oder schussartig gedrückt und infolge weiterer Füllungsstromstöße Δi_D während der Erstarrung verdichtet werden kann. Die im Hohlraum 22 befindliche Luft kann dabei aus dem Formoberteil 20 durch mindestens eine Entlüftungsöffnung 26 entweichen.
Nachdem das Gießgut 4 in der Gießöffnung 8 in der Erstarrungsphase ist, wird der zunächst offene Anschnitt 5 der Mikrogießform 6 verschlossen und es erfolgt, wie in einer Draufsicht in 2 und den zugehörigen Stromrichtungen in 2a und 2b gezeigt ist, die Zuschaltung eines zu den Füllungsstromimpulsen Δi_D richtungsumgekehrten Abhebungsstromes i_A oder von Abhebungsstromimpulsen Δi_A, die nun über die Elektroden 33, 34 im unteren Teil des Gießbehälters 3 eine zur füllungsverursachenden Lorentz-Kraft F_D entgegengesetzte Lorentz-Kraft F_A bewirken, die das ebenfalls erstarrende restliche Gießgut 4 aus der Gießöffnung 8 vom Anschnitt 5 aus abreisst und in den Gießbehälter 3 zurückschleudert.
Nach dem vollständigen Erstarren des Gießgutes 4 in der Mikrogießform 6 wird das Formunterteil 21 mit dem darin fest gehalterten Mikrogussteil 2 abgesenkt. Mittels einer Lorentz-Kraft F_E, die durch den Entformungsstrom i_E und/oder durch Entformungsstromimpulse Δi_E über die Elektroden 35, 36 auf das Mikrogussteil 2 bei Vorhandensein der Magnetflussdichte B wirkt, erfolgt ein absprengartiges Entformen des Mikrogussteils 2 aus dem Formunterteil 21 heraus, so dass das Mikrogussteil 2 leicht entnommen und entfernt werden kann.

1: Gießeinrichtung
2: Mikrogussteil
3: Gießbehälter
4: Gießgut
5: Anschnitt
6: Mikrogießform
7: Eingießöffnung
8: Gießöffnung
9: Magnet
10: Elektromagnet
11: Elektrode
12: Elektrode
13: Unterer Teil des Gießbehälters
14: Zentrale Stromversorgungseinheit
15: Schaltung zur Erzeugung von Füllungsstrom i_D
16: Schaltung zur Erzeugung von Abhebungsstrom i_A
17: Erstes Elektrodensystem
18: Zweites Elektrodensystem
19: Gießgestell
20: Formoberteil
21: Formunterteil
22: Hohlraum
23: Drittes Elektrodensystem
24: Elektromagnet-Stromversorgungseinheit
25: Induktionsspule
26: Entlüftungsöffnung
27: Magnetgestell
28: Trageinrichtung
29: Schaltung zur Erzeugung von Entformungsstrom i_E
30: Absenkeinheit
31: Ultraschallkopf
32: Ultraschallerzeugungseinheit
33: Elektrode des zweiten Elektrodensystems
34: Elektrode des zweiten Elektrodensystems
35: Elektrode des dritten Elektrodensystems
36: Elektrode des dritten Elektrodensystems
37: Magnetflussdichte(B)-Umschalter
38: Heizungseinrichtung
39: Deckel
i: Strom
i_D: Füllungsstrom
i_A: Abhebungsstrom
i_E: Entformungsstrom
Δi: Stromimpuls
F: Lorentz-Kraft
F_D: Lorentz-Kraft der Füllung der Mikrogießform
F_A: Lorentz-Kraft der Abhebung von erstarrendem Gießgut
F_E: Lorentz-Kraft der Entformung des Mikrogussteils
ΔF: Lorentz-Kraftimpuls
B: Magnetflussdichte
t: Zeit
Δt: Stromimpuls-Zeitabstand

Claims

Verfahren zur Herstellung von Mikrogussteilen aus einem elektrisch leitfähigen Gießgut mit einem Gießbehälter und einer Mikrogießform, die über eine kapillarartige Gießöffnung des Gießbehälters und eine kapillarartige Eingießöffnung der Mikrogießform korrespondierend in Verbindung stehen, vorgesehen ist, wobei – mindestens ein Magnet, dessen Magnetfeld zumindest den Gießbehälter mit einer vorgegebenen Magnetflussdichte B durchdringt, – ein erstes Elektrodensystem mit sich gegenüberliegenden Elektroden im Gießbehälter und – eine zentrale Stromversorgungseinheit für die Elektroden zur Erzeugung eines Stromes i im Gießgut vorhanden sind, wobei eine auf das Gießgut wirkende Lorentz-Kraft F entsteht, wenn sich zumindest Komponenten des Stromes i und der Magnetflussdichte B senkrecht zueinander gerichtet schneiden, wobei das Gießgut mittels mindestens eines das Magnetfeld schneidenden, durch das Gießgut hindurch fließenden und zumindest die kapillarbedingte Oberflächenspannung des Gießgutes überwindenden Füllungsstromes, der über das erste Elektrodensystem zugeschaltet wird, in die Mikrogießform bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an das erste Elektrodensystem (17) als Füllungsstrom Stromimpulse Δi_D gelegt werden, wodurch das Gießgut (4) in die Mikrogießform (6) stoßartig geschleudert und dort verdichtet wird, wobei nach vollständiger Füllung der Mikrogießform (6) mittels des ersten Elektrodensystems (17) oder eines weiteren zweiten Elektrodensystems (18) entweder bei gleicher Richtung des Magnetfeldes mit der Magnetflussdichte B ein Abhebungsstrom i_A, der der Stromrichtung des Füllungsstromes entgegengesetzt gerichtet ist, zugeschaltet wird oder bei gleicher Stromrichtung die Richtung des Magnetfeldes mit der Magnetflussdichte B umgepolt wird, wodurch das überflüssige, nichterstarrte Gießgut (4) aus der Gießöffnung (8) heraus in den Gießbehälter (3) zurückgeschleudert und die Gießöffnung (8) verschlossen wird, und wobei das erstarrte Mikrogussteil (2) aus der Mikrogießform (6) mittels eines der Mikrogießform (6) zugeordneten dritten Elektrodensystems (23) durch eine Lorentz-Kraft F_E entformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gießbehälter (3) zugeordnet in der Endphase der Erstarrung des Gießguts (4) in der Mikrogießform (6) der Abhebungsstrom i_A durch das restliche im Gießbehälter (3) befindliche Gießgut (4) hindurch zum Abbrechen der Einfüllung und zur Abhebung des restlichen Gießgutes (4) aus der Gießöffnung (8) heraus an das zweite Elektrodensystem (18) geschaltet wird, wobei der Abhebungsstrom zumindest als ein Gleichstromimpuls Δi_A ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach öffnen der mehrteiligen Mikrogießform (6) zumindest ein Formunterteil (21) der Mikrogießform (6) von einem Formoberteil (20) getrennt wird und ein Entformungsstrom i_E zum Entformen des Mikrogussteils (2) aus dem Formoberteil (20) und/oder dem Formunterteil (21) heraus an das zugeordnete dritte Elektrodensystem (23) geschaltet wird, wobei der Entformungsstrom als Gleichstrom i_E und/oder mindestens als ein Gleichstromimpuls Δi_E ausgebildet wird und wobei ein vorhandenes, das Mikrogussteil (2) im Formoberteil (20) und/oder im Formunterteil (21) durchdringendes Magnetfeld mit der Magnetflussdichte B und der Entformungsstrom i_E einander senkrecht schneiden und eine von der Innenwandung des Formoberteils (20) und/oder des Formunterteils (21) weg gerichtete Lorentz-Kraft F_E ausbilden, die das Mikrogussteil (2) von der jeweiligen Innenwandung weg abhebt.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein einem Hohlraum (22) zugeordneter Anschnitt (5) nach dem Gießen zufriert, wobei danach die Gießöffnung (8) verschlossen und der Gießbehälter (3) von der Mikrogießform (6) getrennt und distanziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung der Mikrogießform (6) mittels Ultraschall unterstützt wird.
Gießeinrichtung zur Herstellung eines Mikrogussteils aus einem elektrisch leitfähigen Gießgut mit einem Gießbehälter und einer Mikrogießform, die über eine kapillarartige Gießöffnung des Gießbehälters und einer kapillarartigen Eingießöffnung der Mikrogießform korrespondierend in Verbindung stehen, enthaltend – mindestens einen Magneten, dessen Magnetfeld zumindest den Gießbehälter mit einer vorgegebenen Magnetflussdichte B durchdringt, – ein erstes Elektrodensystem mit sich gegenüberliegenden Elektroden im Gießbehälter und – eine zentrale Stromversorgungseinheit für die Elektroden zur Erzeugung eines Stromes i im Gießgut, wobei eine auf das Gießgut wirkende Lorentz-Kraft F entsteht, wenn sich zumindest Komponenten des Stroms i und der Magnetflussdichte B senkrecht zueinander gerichtet schneiden, wobei das erste Elektrodensystem mit einer Schaltung zur Erzeugung eines Füllungsstromes zur Herbeiführung einer parallel zur Gießöffnung gerichteten Kraft, die das Gießgut in die Mikrogießform einfüllt, in Verbindung steht, nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllungsstrom als Stromimpulse Δi_D zur Füllung und zur Verdichtung des erstarrenden Gießgutes (4) ausgebildet ist und sich wahlweise ein weiteres zweites Elektrodensystem (18) zwischen der Gießöffnung (8) des Gießbehälters (3) und dem ersten Elektrodensystem (17) zur Erzeugung eines Abhebungsstromes i_A zur Entfernung des nichterstarrten Gießgutes (4) aus der Gießöffnung (8) befindet, und wobei die Mikrogießform (6) ein zugeordnetes drittes Elektrodensystem (23) aufweist, das mit einer Schaltung (29) zur Erzeugung eines Entformungsstromes i_E zur Entformung des Mikrogussteils (2) aus der Mikrogießform (6) heraus verbunden ist.
Gießeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrogießform (6) zumindest zweiteilig ist und mindestens ein Formoberteil (20) und ein Formunterteil (21) aufweist, wobei das zugeordnete dritte Elektroden system (23) zumindest mit einem der Teile (20, 21) in Verbindung steht.
Gießeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießöffnung (8) bodenseitig oder seitlich am Gießbehälter (3) vorhanden ist.
Gießeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießbehälter (3) sich unterhalb der Mikrogießform (6) gießöffnungskorrespondierend befindet, so dass ein vertikal nach oben gerichteter Gießvorgang analog dem Niederdruckgießen einleitbar ist, wobei eine Lorentz-Kraft F während des gesamten Gieß- und Erstarrungsvorganges vorhanden ist.
Gießeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des nach oben gerichteten Gießvorgangs zum die Lorentz-Kraft F erzeugenden Strom i mindestens ein Füllungsstromimpuls Δi zusätzlich schaltbar ist.
Gießeinrichtung nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießbehälter (3) aus elektrisch nichtleitendem Material besteht.
Gießeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrogießform (6) aus Metall oder elektrisch nichtleitendem Material besteht, wobei bei letzterem die Lorentz-Kraft zur Entformung des Mikrogussteils (2) einsetzbar ist.
Gießeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (9, 10) ein Dauermagnet (9) oder ein Elektromagnet (10) ist, wobei der Elektromagnet (10) an eine Elektromagnet-Stromversorgungseinheit (24) angeschlossen ist, die wahlweise mit einem Magnetflussdichte(B)-Umschalter (37) versehen ist.
Gießeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Stromversorgungseinheit (14) eine Schaltung (16) zur Erzeugung eines Abhebungsstromes i_A aufweist, die mit dem zweiten Elektrodensystem (18) in Verbindung steht.
Gießeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mikrogießform (6) mindestens eine Entlüftungsöffnung (26) vorhanden ist und wobei sich innerhalb der Mikrogießform (6) ein für das Mikrogussteil (2) vorgesehener Hohlraum (22) befindet, der mit der Entlüftungsöffnung (26) in Verbindung steht.
Gießeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Gießbehälter (3) und die Mikrogießform (6) im Magnetfeld des Magneten (9, 10) mit der Magnetflussdichte B befinden.
Gießeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zentralen Stromversorgungseinheit (14) die Schaltung (29) zur Erzeugung des Entformungsstromes i_E zur Entformung des Mikrogussteils (2) aus der Mikrogießform (6) zugehörig ist.
Gießeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die gegenüberliegenden paarweise zugehörigen Elektroden (11, 12; 33, 34) je eines Elektrodensystems (17, 18) innerhalb des Gießbehälters (3) kugelförmig oder kugelkalottenförmig oder in einer geometrisch anderen Form ausgebildet sind.
Gießeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Bedarf und Volumen des benötigten Gießgutes (4) variabel am Gießbehälterrand die Elektroden (11, 12; 33, 34) der Elektrodensysteme (17; 18) angeordnet und in einer vorgegebenen Entfernung von der Gießöffnung (8) aus einstellbar sind.
Gießeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich am Gießbehälter (3) mindestens ein Ultraschallkopf (31) befindet, der über eine strom- und signaltechnische Zuleitung mit einer Ultraschallerzeugungseinheit (32) in Verbindung steht.
Gießeinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass an der Mikrogießform (6) sich mindestens ein weiterer Ultraschallkopf befindet, der über eine zugehörige strom- und signaltechnische Zuleitung mit der Ultraschallerzeugungseinheit (32) in Verbindung steht.
Verwendung von reinem Metall, von Zusammensetzungen aus mehreren Metallen – Legierungen – sowie von Metallen oder Legierungen mit nichtmetallischen Zusätzen in flüssiger Phase bei einer Gießtemperatur T als Gießgut (4) zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 mittels der Gießeinrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 21.