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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen eines
Bauteils.
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Beispielsweise
im Fahrzeugbau werden Bauteile aus Leichtmetall, insbesondere aus
Magnesium- oder Aluminiumwerkstoffen hergestellt. Es handelt sich
beispielsweise um Tragrahmen, wie Cockpitträger, die die
Verbindung zweier A-Säulen des Kraftfahrzeugs darstellen,
ferner Türträgerstrukturen, Lehnenstrukturen,
Sitzgestellstrukturen. Hierbei findet das Thixomolding-Verfahren
Anwendung, bei dem der zu verarbeitende Werkstoff, insbesondere
eine zu verarbeitende Legierung, bis zu einer Übergangstemperatur
zwischen fest und flüssig erhitzt wird und sich damit im
thixotropen Zustand befindet. Hierdurch ist gewährleistet,
dass aufgrund des laminaren Füllprozesses das Material
optimal gefördert und in eine Gussform eingebracht werden
kann.
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Gefördert
wird die Schmelze insbesondere mittels eines Extruders, in dem der
Werkstoff auch aufgeheizt wird. Durch einen Heißkanaldüsenaustritt des
Extruders gelangt die Schmelze in die Gussform. Es finden in diesem
Zusammenhang auch Extruder Verwendung, bei denen zur Erhöhung
der Fördermenge zwei oder mehr Förderschnecken
parallel betrieben werden.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Thixospritzgießen zur
Herstellung von Metallteilen ist beispielsweise in der
EP 1 281 459 A2 und der
US 6,745,818 B1 beschrieben.
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Nachteilig
ist bei den bekannten Verfahren zum Spritzgießen eines
Bauteils, bei denen sich die Leichtmetalllegierung in thixotropem
Zustand befindet, dass, wegen der nur einen Zuspritzstelle des Werkstoffs
zur Gussform, sich keine großflächigen Bauteile
herstellen lassen. Bei einer großen Fließlänge
des Werkstoffs kühlt dieser stärker ab und befindet
sich damit nicht mehr im thixotropen Zustand.
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Bei
einem Einspritzen der Schmelze in die Gussform mit hohem Druck,
zur Erzeugung einer großen Fließgeschwindigkeit
der Schmelze, müssen von der Schließeinheit für
die Gussform große Kräfte aufgenommen werden;
dies auch unter Berücksichtigung der großen Druckstöße
in der Gussform infolge des hohen Drucks. Der apparative Aufwand,
insbesondere betreffend die Schließeinheit für
die Gussform, ist infolge des Erfordernisses, die Schließeinheit
stärker zu dimensionieren, erheblich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit
dem großflächige Bauteile bei relativ geringem
Fließweg des im thixotropen Zustand befindlichen Werkstoffs,
somit der teilflüssigen Schmelze hergestellt werden können.
Das Verfahren soll signifikant dazu beitragen, dass der apparative
Aufwand nachhaltig reduziert werden kann.
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Die
Erfindung schlägt ein Verfahren zum Spritzgießen
eines Bauteils vor, wobei mindestens eine im thixotropen Zustand
befindliche Leichtmetalllegierung in lokal unterschiedlich angeordnete
Bereiche einer Gussform in diese, zu unterschiedlichen Zeitpunkten,
eingespritzt wird.
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Die
Erfindung betrifft somit die Anwendung eines Kaskaden-Spritzgussverfahrens
bei Verwendung mindestens einer im thixotropen Zustand befindliche
Leichtmetalllegierung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf
das Magnesium-Thixomolding-Verfahren.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren kann wegen der
diversen lokal unterschiedlich angeordneten Einspritzbereiche der
Gussform die Schmelze mit niedriger Fließgeschwindigkeit
eingespritzt werden. Durch dieses langsame Füllen der Gussform
mit niedrigerem Druck und damit der Vermeidung von Druckstößen,
muss die Schließeinheit nur niedrigere Schließkräfte
aufbringen und kann damit kleiner dimensioniert werden. Durch die
hiermit verbundene kleinere Maschinengröße ist
der Kostenaufwand für eine verfahrensgemäß zu
verwendende Maschine reduziert.
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Durch
das Spritzgießen des Bauteils mit mehreren Anspritzpunkten
werden bei der Herstellung von großflächigen Bauteilen
Kaltfließstellen signifikant reduziert.
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Die
Einspritzung erfolgt in mindestens zwei lokal unterschiedlichen
Bereichen der Gussform. Vorzugsweise sind maximal zehn lokal unterschiedliche
Bereiche der Gussform vorgesehen, im Bereich derer die Einspritzung
geschieht. In der Regel beginnt das Füllen des Werkzeugs
ausschließlich in einem der Bereiche. Das Einspritzen in
die Gussform ist zweckmäßig in einem Bereich unterbrochen
oder beendet, wenn in mindestens einem anderen Bereich der Gussform
das Einspritzen in diese erfolgt. Demzufolge kann in den unterschiedlichen
Bereichen die Einspritzung nur einmal erfolgen, oder durchaus auch
mindestens zweimal, somit nach einer Unterbrechung. Ein erneutes
Einspritzen im selben Bereich dient insbesondere den Zweck, im Einspritzbereich
einen Nachdruck aufzubringen.
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Zum
Einspritzen der mindestens einen Leichtmetalllegierung in die Gussform
werden zweckmäßig Düsen sukzessive geöffnet
und wieder verschlossen. Das Einspritzen der mindestens einen Leichtmetalllegierung
in die Gussform erfolgt vorzugsweise durch zeitabhängiges
Ansteuern der Düsen. Die Düsen werden insbesondere
in Abhängigkeit von der Entfernung zu derjenigen Düse,
durch die das anfängliche Einspritzen in die Gussform erfolgt,
geöffnet und/oder geschlossen. Diejenige der anderen Düsen,
die weiter entfernt von derjenigen Düse ist, durch die
das anfängliche Einspritzen in die Gussform erfolgt, wird
später geöffnet und/oder geschlossen als eine
der anderen Düsen.
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Die
Erfindung schlägt somit die Kombination des Kaskadenverfahrens
mit dem Thixomolding-Verfahren vor. Es können besonders
großflächige Bauteile mit sehr geringen Fließwegen
der teilflüssigen Schmelze bei geringen Schließkräften
zum Schließen der Formhälften der Gussform umgesetzt
werden. In der Regel beginnt das Füllen des Werkzeugs über
eine Düse. Die nächsten Düsen werden
nach Bedarf sukzessiv geöffnet und wieder verschlossen. Somit
können Bindenähte in bestimmte Bereiche verschoben
werden, insbesondere in solche Bereiche, die niedrig belastete Bauteilbereiche
oder Nicht-Sichtbereiche sind. Das Verfahren wird insbesondere bei
relativ großen Bauteilen mit geringen Wandstärken
angewendet.
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Durch
die Anwendung des Kaskadenverfahrens im Thixomolding-Verfahren können
Legierungen eingesetzt werden, die in anderen Prozessen keine Anwendung
finden würden. Da durch die kurzen Fließwege das
Risiko des Abbrandes deutlich reduziert ist, können durchaus
Legierungen Anwendung finden, die eine hohe Schmelztemperatur besitzen
oder eine hohe Affinität zu Sauerstoff besitzen. Weiterhin
können Legierungen mit hohem Dampfdruck verarbeitet werden.
Auch können im Semi-Solid-Bereich Legierungselemente mit
begrenzter oder keiner Löslichkeit oder Legierungselemente
mit deutlich abweichendem Atomgewicht verarbeitet werden.
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Im
Rahmen der Erfindung wird vorzugsweise eine Leichtmetalllegierung
in die Gussform eingespritzt oder aber werden zwei unterschiedliche Leichtmetalllegierungen
in die Gussform eingespritzt. Hierbei ist die Leichtmetalllegierung
vorzugsweise eine Magnesiumlegierung. Bei unterschiedlichen Leichtmetalllegierungen
finden insbesondere verschiedene Magnesiumlegierungen Verwendung. Durch
diese unterschiedlichen Materialien, zusammen mit unterschiedlichen
Angüssen bzw. Düsen, kann in einem einzigen Gussschritt
ein Bauteil mit Bereichen, die unterschiedliche Eigenschaften besitzen,
hergestellt werden. Hierbei werden mehrere Spritzeinheiten für
die unterschiedlichen Legierungen verwendet.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
sowie der folgenden Beschreibung eines anhand der Zeichnung verdeutlichten
Ausführungsbeispiels der Erfindung, ohne auf dieses beschränkt
zu sein.
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Es
zeigt die 1 einen Schmelzeaufnahmeraum
einer Gussform mit diversen Heißkanaldüsenaustritten
für in thixotropem Zustand befindliches Material zum Spritzgießen
eines Bauteils.
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Die
Gussform 10 dient dem Spritzgießen eines Bauteils,
bei dem es sich insbesondere um ein Leichtmetallbauteil zur Verwendung
im Fahrzeugbau handelt, beispielsweise bei einem Personenkraftwagen
eine Türträgerstruktur, eine Lehnenstruktur, eine Sitzgestellstruktur
oder ein Tragrahmen für einen Cockpitträger. Das
Bauteil ist relativ groß, sodass bei Vorhandensein einer
einzigen Schmelzeneintrittsstelle in die Gussform in aller Regel
ohne aufwendige Zusatzmaßnahmen nicht gewährleistet
ist, dass die Schmelze in zuspritzferne Bereiche der Gussform sicher
gelangt.
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Gemäß der
Erfindung ist deshalb vorgesehen, dass die Gussform in unterschiedlichen
Bereichen Heißkanaldüsenaustritte aufweist, durch
die die Schmelze in die Gussform 10 eintritt, wobei gemäß 1 bei
der veranschaulichten Gussform 10 fünf Heißkanaldüsenaustritte
vorgesehen sind, die mit den Bezugsziffern 1, 2, 3, 4 und 5 bezeichnet
sind.
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Wie
der in 1 veranschaulichten projizierten Bauteilgeometrie
zu entnehmen ist, weist der Hohlraum 6 der Gussform 10 zwei
zueinander versetzt angeordnete Teilhohlräume 7 und 8 auf,
wobei der Teilhohlraum 7 im Bereich eines Endes mit einem mittleren
Bereich des anderen Teilhohlraums 8 verbunden ist. Im Bereich
dieses Endes des Teilhohlraums 7 ist der Heißkanaldüsenaustritt 1 angeordnet, in
etwa in der Mitte des zweiten Teilhohlraums 8 der Heißkanaldüsenaustritt 2.
Etwa im Bereich der halben Länge des Teilhohlraums 7 befindet
sich der Heißkanaldüsenaustritt 3 und
im Bereich des dem Heißkanaldüsenaustritt 1 abgewandten
Endes des Teilhohlraumes 7 der Heißkanaldüsenaustritt 5.
Im Bereich des dem Heißkanaldüsenaustritt 5 abgewandten
Endes des Teilhohlraums 8 befindet sich der Heißkanaldüsenaustritt 4.
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Befällt
wird die Gussform 10 mittels einer Magnesiumlegierung,
die im thixotropen Zustand durch die Heißkanaldüsenaustritte 1 bis 5 in
den Hohlraum 6 eintritt. Die Schmelze ist somit auf eine Temperatur
zwischen der Solidus-Temperatur der Liquidus-Temperatur der Legierung
erwärmt.
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Bei
diesem Magnesium-Thixomolding-Verfahren wird die im thixotropen
Zustand befindliche Legierung zu unterschiedlichen Zeitpunkten über
die Heißkanaldüsenaustritte 1 bis 5 in
den Hohlraum 6 eingespritzt. Somit erfolgt eine Kaskadeneinspritzung
in die Gussform 10. Zunächst wird der Heißkanaldüsenaustritt 1 geöffnet,
womit die Schmelze einerseits in den Teilhohlraum 7 in
Richtung des Heißkanaldüsenaustritts 3 fließt,
andererseits in den Teilhohlraum 8 fließt, und
zwar vorrangig in Richtung des Heißkanaldüsenaustritts 2 und
nachrangig in Richtung des Heißkanaldüsenaustritts 4.
Zeitabhängig gesteuert wird nach dem Öffnen des
Heißkanaldüsenaustritts 1 der Heißkanaldüsenaustritt 2 geöffnet, womit
die Schmelze einerseits der aus dem Heißkanaldüsenaustritt 1 austretenden
Schmelze entgegenfließt, andererseits die aus dem Heißkanaldüsenaustritt 2 gelangende
Schmelze auch in Richtung der beiden Enden des Teilhohlraums 8 fließt.
Nach dem Öffnen des Heißkanaldüsenaustritts 2 wird
der Heißkanaldüsenaustritt 3 geöffnet
und es strömt Schmelze durch diesen einerseits in Richtung
des Heißkanaldüsenaustritts 1, somit
der aus diesem ausgegebenen Schmelze entgegen, andererseits in Richtung des
Heißkanaldüsenaustritts 5. Ein sich hierbei
ergebendes Austrittsbild der Schmelze in der Gussform 10 ist
in der 1 veranschaulicht. So verdeutlicht der von der
geschlossenen Linie 9 umschlossene Bereich die Ausbreitung
der Schmelze nach dem Öffnen der Heißkanaldüsenaustritte 1, 2 und 3.
Innerhalb der Linie 9 befindet sich somit die teilflüssige
Schmelze 11, wobei die Teilströme der Schmelze, die
aus den Heißkanaldüsenaustritten 1 und 2 bzw. 1 und 3 austreten,
zusammentreffen, dort, wo zwei Schmelzfronten aufeinandertreffen.
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Nach
dem Öffnen des Heißkanaldüsenaustritts 3 wird
der Heißkanaldüsenaustritt 4 geöffnet, womit
die Schmelze, die aus dem Heißkanaldüsenaustritt 4 austritt,
den Schmelzfronten der Heißkanaldüsenaustritte 1 und 2 entgegenläuft.
Nach dem Öffnen des Heißkanaldüsenaustritts 4 wird
der Heißkanaldüsenaustritt 5 geöffnet,
womit die Schmelzfront der aus dem Heißkanaldüsenaustritt 5 austretenden Schmelze
der Schmelzfront der aus dem Heißkanaldüsenaustritt 3 ausgegebenen
Schmelze entgegenläuft. Auf diese Art und Weise wird die
gesamte Gussform 10 gefüllt.
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Wie
lange der jeweilige Heißkanaldüsenaustritt geöffnet
bleibt, bzw. ob dieser nach dem Schließen erneut geöffnet
wird, hängt von dem Fließverhalten der Schmelze
zur Erzeugung einer vollständigen Füllung der
Gussform 10 ab. So kann durchaus vorgesehen sein, den Heißkanaldüsenaustritt 2 erst dann
zu öffnen, wenn der Heißkanaldüsenaustritt 1 bereits
geschlossen ist. Entsprechendes gilt für die anderen Heißkanaldüsenaustritte.
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Die
Schmelze tritt somit zuerst aus dem Heißkanaldüsenaustritt 1 aus.
Wenn der Heißkanaldüsenaustritt 2 nahezu
von der aus dem Heißkanaldüsenaustritt 1 ausgegebenen
Schmelze erreicht wird, wird der Heißkanaldüsenaustritt 2 geöffnet usw..
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Die
Erfindung schlägt somit die Anwendung des Kaskaden-Spritzgussverfahrens
auf ein Semi-Solid-Verfahren, insbesondere auf das Magnesium-Thixomolding-Verfahren
vor. Ziel des Kaskaden-Spritzgießens von Leichtmetalllegierungen
ist die Herstellung von großflächigen Bauteilen
mit den mehreren Anspritzpunkten im Bereich der Heißkanaldüsenaustritte 1 bis 5 mit
der Reduktion von Kaltfließstellen. Durch die mehreren
zeitabhängig gesteuerten Düsen des Heißkanalsystems
wird die Gussform 10 bzw. das Werkzeug nach Vorgabe befüllt.
In der Regel beginnt das Füllen der Gussform 10 über eine Düse,
vorliegend die dem Heißkanaldüsenaustritt 1 zugeordnete
Düse. Die nächsten Düsen werden nach
Bedarf sukzessiv geöffnet und wieder verschlossen. Somit
können Bindenähte des durch Gießen erzeugten
Bauteils in bestimmte Bereiche verschoben werden, insbesondere in
niedrig belastete Bauteilbereiche oder in Nicht-Sichtbereiche des
Bauteils.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1281459
A2 [0004]
- - US 6745818 B1 [0004]
