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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumdruckgussanlage mit einer Form, einer
Gießkammer,
einem Kolben, einem Entlüftungsventil,
einer Gießanlagensteuerung
und einem Vakuumsystem. Sie betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb
einer Vakuumdruckgussanlage, insbesondere für Vakuumdruckgießen von
Metallen und deren Legierungen, wobei die Vakuumdruckgussanlage
eine Form, eine Gießkammer
und einen Kolben aufweist.
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Druckgießen unter
Vakuum wird bereits seit geraumer Zeit bei der Herstellung von Formteilen
aus Metallen und Metalllegierungen angewandt, insbesondere bei Legierungen
der Metalle Al, Mg, Zn und Cu. Durch das Druckgießen unter
Vakuum wird eine höhere
Materialgüte
der Teile erreicht, weil weniger Luft und Gase im Material eingeschlossen
werden. Für
Formteile aus z.B. Aluminium die später noch eine Wärmebehandlung
unterzogen oder geschweißt werden
sollten, kann kaum auf Vakuum verzichtet werden. Darüber hinaus
ist das Druckgießen
unter Vakuum nicht nur beim Einsatz von flüssigen Metalllegierungen möglich, sondern
kann auch bei abgeleiteten Sonderverfahren eingesetzt werden. Als
Beispiele können
hier genannt werden: Verfahren, in denen teilflüssiges oder teigiges Material
als Gussmasse verwendet wird (üblicherweise
als Thixo- oder Rheo-casting bezeichnet), Verfahren, in denen die Gussmasse
aus einer Materialkombination (Komposit) von flüssigen oder teilflüssigen Metallen
und Nichtmetallischen Einschlüssen
besteht (MMC), Verfahren, in denen ein Vorkörper mit flüssigem Material infiltriert
wird, sowie Verfahren, in denen auf vergleichbarer Weise nichtmetallische
Materialien vergossen werden. Weiterhin lassen sich Vakuumdruckgießverfahren
mit dem Einsatz von Schutz- oder Reaktionsgasen kombinieren.
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Beim „Standardverfahren" wird, nachdem der
Kolben an dem Einfüllloch
vorbei gefahren ist, ein auf Unterdruck gebrachter Behälter mit
dem Formhohlraum in Verbindung gebracht.
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Bei
anderen Verfahren wird bereits während des
Metalldosiervorgangs evakuiert, wie z.B. bei dem Verfahren nach
EP-OS 0 051 310.
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Bei
den genannten Verfahren wird die Verbindung zwischen Vakuumgefäß oder Vakuumanlage und
Vakuumform hauptsächlich über ein
in der Form eingebautes Entlüftungsventil
hergestellt.
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Die
Prozessüberwachung
wird hier oft über eine
Druckmessung hinter dem Entlüftungsventil durchgeführt. Diese
Messung besitzt jedoch kaum Aussagekraft in Bezug auf den wichtigsten
Parameter, den wirklich in der Form erreichten Druck oder die maximal
eingeschlossene Luftmenge, weil die Messung mehreren Fehlerquellen
unterliegt:
- a) Die engen Querschnitte und das
Auftreten des Blockierungseffekts lassen keine für den Druck im Formhohlraum
relevante Messung im weiteren Verlauf der Leitung zu. Tatsächlich wird
diese Messung mehr durch den Druck im Behälter beeinflusst als vom wirklichen
Druck in der Form.
- b) Es handelt sich um eine dynamische Messung. Es ist bekannt,
dass vorbeiströmende
Gase in einer Leitung durch ihre Geschwindigkeit einen zusätzlichen
Unterdruck erzeugen. Das Messergebnis wird hierdurch verfälscht.
- c) Veränderungen
der Leitwerte (Verschmutzung, Verstopfung) führen zusätzlich zu einem erheblichen
Messfehler.
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Eine
zuverlässige
Relation zwischen dem Hauptparameter des Prozesses, dem in der Form
erreichten Vakuumniveau, und dem Messwert kann nicht hergestellt
werden.
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Am
besten wird dies mit dem bekannten Effekt illustriert, dass die „besten" Messwerte gerade dann
auftreten, wenn das Ventil verschmutzt oder verstopft ist, obwohl
in der Realität
dann die schlechtesten Vakuumwerte vorliegen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Prozess zur Herstellung
von Vakuumdruckgussteilen zu verbessern, so dass die Qualität der Teile
steigt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vakuumdruckgussanlage mit den Merkmalen des ersten Anspruchs
und einem Verfahren zum Betreiben eine Vakuumdruckgussanlage mit
den Merkmalen des Anspruchs 6. Die Ansprüche 2 bis 5 und 7 bis 11 stellen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.
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Die
Vakuumdruckgussanlage nach dem ersten Anspruch erlaubt es, wichtige
vakuumtechnische Parameter der Vakuumdruckgussanlage zu bestimmen.
Hierzu sind an dem Pufferbehälter
und an der Zuleitung zwischen Entlüftungsventil und Pufferbehälter Vakuummessgeräte vorgesehen,
die mit der Vakuumanlagensteuerung in Verbindung stehen. Hierdurch
ist es möglich,
in der Vakuumanlagensteuerung vor und während der Gießprozesse
die Parameter zu überwachen
und durch die ermittelten Werte ein Maß für die Bauteilgüte zu erhalten.
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Durch
die Maßnahme
nach Anspruch 4 ist sichergestellt, dass der Vakuumanlagensteuerung
der Zustand der Gießanlage,
d.h. die Position des Kolbens, der Status der Form (offen oder geschlossen) und ähnliches übermittelt
wird.
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Vorteilhaft
an dem Verfahren nach Anspruch 6 ist, dass mit der einfachen Methode
der Druckanstiegsmessung in einem Pufferbehälter ein vakuumtechnischer Parameter
der Anlage bestimmt werden kann. Die Kenntnis der Parameter erlaubt
es, das im Formhohlraum erreichte Vakuum zu bestimmen.
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Vorteile
werden erreicht, wenn als vakuumtechnische Parameter die Leckrate
und der Leitwert der Anlage bestimmt werden. Die Leckrate lässt einen
Rückschluss
darauf zu, wie schnell ein in der Form erreichtes Vakuum durch eindringendes
Gas ansteigt. Der Leitwert ist ein Maß für die pro Zeiteinheit durch
die Form und Zuleitung bewegbare Gasmenge und erlaubt so den Schluss
auf das erreichbare Vakuum.
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Durch
wiederholtes Messen nach Anspruch 10 ist somit möglich, nicht nur die Güte der Bauteile über den
Wert des Vakuums in einer Messung abzuschätzen. Es ist vielmehr auch
möglich,
durch regelmäßiges Überprüfen der
Parameter Fehler im Prozess aufzudecken und damit teuere Fehlproduktionen
zu vermeiden. Vor Gießanfang
oder in regelmäßigen Abständen werden
Tests durchgeführt,
um die Leckrate und Leitwerte des Systems mit Druckgussform, Kammer,
Kolben und Vakuumsystem zu ermitteln. Auf diese Weise wird darüber hinaus
sichergestellt, dass reproduzierbare Anfangsbedingungen herrschen,
die Werte in den erforderlichen Grenzbereichen liegen und mit früher aufgezeichneten
Daten vergleichbar sind. Beispielsweise macht sich eine Verstopfung
der Anlage durch eine Verschlechterung des Leitwerts bemerkbar.
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Bei
einem Mehrstufenvakuumverfahren, welches auf einer Anlage nach Anspruch
5 durchgeführt werden
kann, sind diese Messungen noch aussagekräftiger als bei bekannten Vakuumdruckgießverfahren,
weil die in den beiden Kreisen (Formkreis und Kammerkreis) gemessenen
Parameter mathematisch als in erster Ordnung unabhängig voneinander betrachtet
werden können.
Ferner sind durch die kleineren Behälter die Druckveränderungen
größer, wodurch
genauere Berechnungen ermöglicht
werden. Die Messungen sind im ersten Kreisen weitgehend unabhängig von
der Leckage und im zweiten Kreis quasi unabhängig vom Volumen des Formhohlraums.
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Anhand
der einzigen Abbildung soll ein Ausführungsbeispiel und weitere
Vorteile der Erfindung und Weiterbildung erläutert werden. Die einzige Abbildung
zeigt in einem Prinzipschaubild eine Vakuumdruckgussanlage mit Vakuumanlage
und Steuerung.
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Die
Vakuumdruckgussanlage weist eine Form auf, die aus zwei Formhälften 1a und 1b aufgebaut
ist. Das Innere der Form ist mit der Gießkammer 2 verbunden,
die für
den Gießvorgang
mit geschmolzenem Metall befüllt
ist. Dieses wird durch die Einfüllöffnung 23 eingefüllt und
durch den Kolben 3 in den Formhohlraum gedrückt. Das
im Formhohlraum vorhandene Gas wird über das Entlüfungsventil 4 abgesaugt.
Im Gießvorgang
steigt das erstarrende Metall bis zu diesem Entlüftungsventil auf. Der Kolben 3 wird
von einer Kolbenbewegungsvorrichtung bewegt, d.h. in der Gießkammer 2 verschoben.
Die Ansteuerung erfolgt durch die Gießanlagensteuerung 8,
welche zudem andere Parameter überwachen
kann. Denkbar sind hier der Zustand der Form, d.h. die Position
der beiden Formhälften.
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Die
Vakuumdruckgussanlage weist eine Vakuumanlage 12 auf, in
der in diesem Beispiel ein erster Pufferbehälter 13 und ein zweiter
Pufferbehälter 14 vorgesehen
sind. Der erste Pufferbehälter
ist über eine
Kammervakuumleitung 21 mit der Gießkammer verbunden und bildet
den Kammerkreis. In dieser Leitung ist ein Ventil 6 vorgesehen,
so dass der Gasfluss zwischen Pufferbehälter und Gießkammer
unterbrochen werden kann. Ein Kammerzuleitungsmesskopf 11 erlaubt
die Messung des Drucks in der Kammervakuumleitung. Der Druck im
Pufferbehälter 13 wird über einen
ersten Behältermesskopf 15 bestimmt.
Der zweite Pufferbehälter 14 ist über eine Formvakuumleitung 22 mit
dem Entlüftungsventil 4 und
darüber
mit der Form 1a, 1b verbunden und bildet den Formkreis.
In dieser Leitung ist ein Formzuleitungsventil 5 vorgesehen,
was eine Unterbrechung des Gasflusses erlaubt. Ein Formzuleitungsmesskopf 10 erlaubt
die Messung des Druckes in der Leitung 22. Eine Vakuumpumpe 20 dient
zur Evakuierung der Pufferbehälter.
Zwischen den Pufferbehältern
und der Vakuumpumpe sind Ventile 17 und 18 vorgesehen,
so dass die Pufferbehälter
einzeln mit der Vakuumpumpe verbunden werden können.
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Eine
Vakuumanlagensteuerung 7 nimmt die Messwerte der Messköpfe 10, 11, 15 und 16 auf
und stellt den Zustand der Ventile 5, 6, 17 und 18.
Sie erhält
von der Gießanlagensteuerung 8 ein
Signal, welches den Status des Gießprozesses abbildet. Dieses Signal
kann beispielsweise ein einfacher Triggerimpuls sein, der besagt,
dass der Gießprozess
startet. Alternativ ist es möglich,
die Position des Kolbens an die Vakuumanlagensteuerung zu übermitteln.
Das Signal erlaubt es der Steuerung, das in diesem Beispiel zweistufige
Verfahren zur Vakuumerzeugung passend zum Gießvorgang ablaufen zu lassen.
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Es
hat sich als sehr zweckmäßig erwiesen, die
Drücke
an den folgenden Stellen zu verfolgen: Auf Seiten des in der Form 1a, 1b eingebauten
Entlüftungsventils 4,
wobei der Formzuleitungsmesskopf 10 im Entlüftungsventil
oder zwischen diesem und dem Formzuleitungsventil 5 angeordnet
ist. Als nächster
Messpunkt dient ein zweiter Behältermesskopf 16 am
Pufferbehälter 14.
Gegebenenfalls kann der Druck über
ein zusätzlich
eingebautes Ventil gemessen werden, welches nicht für Entlüftungszwecke
benutzt wird und nur der Messung dienlich ist. Der dritte Messpunkt
liegt im Kammerkreis an der Kammervakuumleitung 21 zwisczhen
Kammerzuleitungsventil und Gießkammer.
Der vierte Messpunkt ist über
den ersten Behältermesskopf 15 gegeben.
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Aus
diesen Druckmessungen können
folgende Prozessparameter abgeleitet werden: Der Enddruck im ersten
Pufferbehälter 13,
der Enddruck im zweiten Pufferbehälter 14, die jeweils
im Formkreis und im Kammerkreis abgesaugten Volumina und das abgesaugte
Gesamtvolumen. Aus dem End- und Anfangsdruck eines Behälters und
seinem Volumen kann die Menge der abgesaugten Gase ermittelt werden
und als Normalvolumen ausgedrückt
werden. Weiterhin sind das Verhältnis
der abgesaugten Volumina der beiden Kreise und das erreichte Vakuum
im Formhohlraum als Prozessparameter zugänglich und überwachbar. Auf Basis der Druckverläufe und
der Verfolgung der Leit- und Leckagewerte kann das erreichte Vakuum
oder die Restluftmenge im Formholraum bestimmt werden. Dieser Parameter
steht in direkter Relation zu der Güte der Gussteile.
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Veränderungen
der Leitwerte, Leckage oder sonstige Abweichungen im Prozess führen zu
typischen Veränderungen
in diesen Parametern und ermöglichen
dadurch eine zuverlässige
Prozessüberwachung,
-Kontrolle und -Beherrschung.
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Durch
eine Druckanstiegsmessung in einem der Pufferbehälter 13, 14 ist
es möglich
einen vakuumtechnischen Parameter der Vakuumdruckgussanlage zu bestimmen.
Günstig
ist es, Leitwert und Leckrate auf die folgende Weise zu bestimmen.
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In
einem ersten Test wird der Leitwert der Vakuumdruckgussanlage bestimmt.
Hierzu wird bei geschlossener Form 1a, 1b der
Kolben 3 in seiner Ausgangsposition gelassen, d.h. er steht
am der Form abgewandten Ende der Gießkammer und gibt die Einfüllöffnung 23 frei.
Hierdurch kann die Luft frei durch die Einfüllöffnung 23, durch die
Gießkammer 2, Form 1a, 1b,
Entlüftungsventil 4 und
Formvakuumzuleitung 22 fließen. Es bilden die Formgeometrie,
Kanäle
und Entlüftungsventil
die Hauptwiderstände
gegen diesen Gasstrom. Zu Beginn des ersten Tests ist das Formzuleitungsventil 5 geschlossen
und das zweite Pufferbehälterventil 18 offen.
Der zweite Pufferbehälter 14 wird
durch die Vakuumpumpe 20 evakuiert. Dann wird, bei weiterhin
in der Ausgangsposition stehendem Kolben, das Pufferbehälterventil 18 geschlossen
und das Formzuleitungsventil 5 geöffnet. Nun strömt die Luft
auf dem beschriebenen Weg in den zweiten Pufferbehälter. Während dieses
Vorgangs kann der Druckanstieg im zweiten Pufferbehälter verfolgt
werden. Aus dem Volumen des zweiten Pufferbehälters und dem Druckanstieg
pro Zeiteinheit kann der Gesamtleitwert bestimmt werden. Alternativ
kann dieser Test bei offener Form durchgeführt werden. Auf diese Weise
wird der Leitwert ab dem Teil des Entlüftungsventils in der beweglichen Formhälfte bestimmt.
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In
einem zweiten Test wird die Leckrate der Vakuumdruckgussanlage bestimmt.
Hierzu wird der Kolben an der Einfüllöffnung vorbei gefahren. Er steht
so in einer Position zwischen Einfüllöffnung 23 und der
Form 1a, 1b, dass die Kammervakuumzuleitung 21 mit
der Form in Verbindung steht.
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Zunächst sind
das Kammerzuleitungsventil 6 und das Formzuleitungsventil 5 geschlossen
und das erste Pufferbehälterventil 17 geöffnet, so
dass die Vakuumpumpe 20 den ersten Pufferbehälter 13 evakuiert.
Dann wird der Kolben 3 auf die oben beschriebene Position
gefahren und dort für
die weitere Messung fest gestellt. Nach Schließen des Pufferbehälterventils 17 wird
das Kammerzuleitungsventil 6 geöffnet, das Formzuleitungsventil 5 bleibt
geschlossen. Zwischen dem ersten Pufferbehälter und der restlichen Vakuumdruckgussanlage,
also Form, Entlüftungsventil,
Gießkammer
und Zuleitungen, findet ein Druckausgleich statt. Die Zeitdauer
für diesen Prozess
ist von den Volumina abhängig.
Von diesem Ausgleichsdruck steigt der Druck weiter an. Zeitlich beabstandet
werden nun zwei Druckmessungen am ersten Behältermesskopf 15 vorgenommen
und der Druckanstieg im ersten Pufferbehälter 13 gemessen. Aus
dem Volumen dieses Pufferbehälters
und dem gemessenen Druckanstieg ergibt sich die gesamte Leckrate
von der Form, Gießkammer
und Vakuumsystem. Es wäre
auch möglich,
diese Messung mit dem Formkreis durchzuführen. Durch die schlechteren
Leitwerte in diesem Kreis wäre
diese Messung jedoch ungenauer, so dass es vorteilhaft ist die Messung über den
Kammerkreis ablaufen zu lassen.
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Mit
diesen Verfahren ist des möglich,
Leckrate und Leitwerte zu Beginn der Gießtätigkeiten zu bestimmen und
regelmäßig zu überprüfen, d.h.
die Messung nach einer Mehrzahl von Gießvorgängen zu wiederholen. Damit
wird eine laufende Überwachung
der Parameter möglich.
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- 1a
- erste
Formhälfte
- 1b
- zweite
Formhälfte
- 2
- Gießkammer
- 3
- Kolben
- 4
- Entlüftungsventil
- 5
- Formzuleitungsventil
- 6
- Kammerzuleitungsventil
- 7
- Vakuumanlagensteuerung
- 8
- Gießanlagensteuerung
- 9
- Kolbenbewegungsvorrichtung
- 10
- Formzuleitungsmesskopf
- 11
- Kammerzuleitungsmesskopf
- 12
- Vakuumanlage
- 13
- erster
Pufferbehälter
- 14
- zweiter
Pufferbehälter
- 15
- erster
Behältermesskopf
- 16
- zweiter
Behältermesskopf
- 17
- erstes
Pufferbehälterventil
- 18
- zweites
Pufferbehälterventil
- 20
- Vakuumpumpe
- 21
- Kammervakuumleitung
- 22
- Formvakuumleitung
- 23
- Einfüllöffnung