DE102009033532A1

DE102009033532A1 - Extruder zur Herstellung eines Bauteils aus Leichtmetall

Info

Publication number: DE102009033532A1
Application number: DE102009033532A
Authority: DE
Inventors: Dieter Jungert; Tassilo Gilbert
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-11
Also published as: DE102009033532B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Extruder zur Herstellung eines Bauteils aus Leichtmetall mittels eines Semi-Solid-Verfahrens. Der Extruder weist einen Zylinder (2) und eine im Zylinder angeordnete Förderschnecke (3), einen Antrieb (4) für die Förderschnecke, eine Einrichtung (5) zum Beschicken des Zylinders mit einem zu extrudierenden Material, eine Auslassöffnung (6) zum Ausgeben des Materials aus dem Extruder sowie eine Heizeinrichtung (7) im Bereich des Zylinders auf. Bei einem solchen Extruder weist der Zylinder erfindungsgemäß mindestens eine Entgasungszone (18) auf, durch die in bereits verdichteten Materialbereichen befindliches Gas aus dem Zylinder entweichen kann. Da dieses Gas entweichen kann, weist das vom Extruder ausgegebene Material eine geringe Gasporosität auf und es besitzt das mittels dieses Materials hergestellte Bauteil gute mechanische Eigenschaften, somit eine gute Bauteilqualität.

Description

Die Erfindung betrifft einen Extruder zur Herstellung eines Bauteils aus Leichtmetall mittels eines Semi-Solid-Verfahrens, mit einem Zylinder und einer im Zylinder angeordneten Förderschnecke, einem Antrieb für die Förderschnecke, einer Einrichtung zum Beschicken des Zylinders mit einem zu extrudierenden Material, einer Auslassöffnung zum Ausgeben des Materials aus dem Extruder sowie mit einer Heizeinrichtung im Bereich des Zylinders.
Beispielsweise im Fahrzeugbau werden Bauteile aus Leichtmetall, insbesondere aus Magnesium- oder Aluminiumwerkstoffen hergestellt. Ein Anwendungsgebiet im Fahrzeugbau betrifft beispielsweise die Herstellung von Sitzen unter Verwendung von Bauteilen aus Leichtmetall. Hierbei finden Semi-Solid-Verfahren Anwendung, bei denen 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 der verringerten Viskosität des Materials, unter Einwirkung von Scherkräften, die Schmelze optimal aus dem Extruder gefördert und in die Gussform eingebracht werden kann.
Bei dem beim Extruder Anwendung findenden Semi-Solid-Verfahren, auch Thixo-Spritzgießverfahren genannt, werden Leichtmetalle, insbesondere Aluminium- oder Magnesiumlegierungen in einer inerten Atmosphäre dem Schneckenextruder zugeführt, wobei die Legierung unter Erwärmung und Scherung auf eine Temperatur zwischen der Solidus-Temperatur und der Liquidus-Temperatur in dem thixotropen Zustand der Schnecke einer Speicherzone zugeführt wird, aus der sie mittels der Schnecke über eine in aller Regel als Düse ausgestaltete Auslassöffnung ausgestoßen wird.
Ein Extruder der eingangs genannten Art ist aus der EP 1 281 459 A1 bekannt. Bei diesem ist die Heizeinrichtung, die beispielsweise als Heizbänder ausgebildet ist, in den Zylinder des Extruders integriert. Die Einrichtung zum Beschicken des Zylinders mit dem zu extrudierenden Material ist als Trichter ausgebildet. Durch diesen wird das in Granulatform vorliegende, zu extrudierende Material dem Zylinder zugeführt. Das Granulat befindet sich dort, in kaltem Zustand, in einer Eingangszone des Schneckenzylinders. Im Zylinder wird das Granulat mittels der Heizeinrichtung auf die Temperatur zwischen der Solidus-Temperatur und der Liquidus-Temperatur erwärmt und mittels der Förderschnecke komprimiert. An die Kompressionszone schließt sich eine Austragszone des Extruders an, die für einen homogenen Materialstrom zum Formwerkzeug sorgt.
Nachteilig ist bei dem bekannten Extruder, dass, zusammen mit dem als Schüttgut vorliegenden Granulat, im Schüttgut befindliche Luft, somit Gas, mit in den Zylinder des Extruders eingeführt wird und demzufolge das später im thixotropen Zustand vorliegende Material einen nicht gewünschten Gasanteil besitzt. Das extrudierte Material weist somit eine relativ hohe Gasporosität auf, mit der Folge nachteiliger mechanischer Eigenschaften des erzeugten Gussteils.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Extruder der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass das vom Extruder ausgegebene Material eine geringe Gasporosität und damit gute mechanische Eigenschaften aufweist.
Gelöst wird die Aufgabe bei dem Extruder der eingangs genannten Art dadurch, dass der Zylinder mindestens eine Entgasungszone aufweist, durch die in bereits verdichteten Materialbereichen befindliches Gas aus dem Zylinder entweichen kann.
Gas gelangt somit zwar zwangsläufig beim Materialeintrag über die Einrichtung zum Beschicken des Zylinders in den Zylinder, wird aber wegen der erfindungsgemäßen Gestaltung des Extruders nicht dem Formwerkzeug zugeführt, sondern kann durch die mindestens eine Entgasungszone aus dem Zylinder entweichen. Das Gas wird beim Befördern durch den Zylinder mittels der Förderschnecke verdichtet, sodass die mindestens eine Entgasungszone in jedem Bereich des Zylinders angeordnet sein kann, der aufgrund des Druckgefälles vom Zylinderinneren zum Zylinderäußeren einen Durchtritt des Gases gestattet. Dies kann in Bereichen des Zylinders sein, in denen die Verdichtung des Gases aufgrund der Verdichtung des noch nicht in den Semi-Solid-Zustand überführten Leichtmetalls erfolgt ist, aber durchaus auch zu einem späteren Zeitpunkt, in dem sich das Leichtmetall bereits im thixotropen Zustand befindet und Gas von diesem Material aufgenommen wird. Auch in diesem Fall ist es grundsätzlich möglich, dass das unter hohem Druck stehende Gas aus dem im thixotropen Zustand vorliegende Material austritt und durch die Entgasungszone aus dem Zylinder entweicht.
Bei dem Gas handelt es sich einerseits um Luft, die beim Materialeintrag über die Einrichtung zum Beschicken des Zylinders in diesen eingetragen wird. Wird beim Extrusionsvorgang ein Schutzgas verwendet, dient die Entgasungszone auch dem Entgasen des im Extruder befindlichen Materials bezüglich des Schutzgases. Handelt es sich bei dem Schutzgas beispielsweise um recht teures Argon, bietet sich die Möglichkeit, über die Entgasungszone aus dem Zylinder entweichendes Argon-Gas aufzuarbeiten.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zylinder im Bereich der Entgasungszone mit mindestens einer semipermeablen Membran versehen ist. Im Bereich der Entgasungszone entweicht das Gas somit durch die semipermeable Membran aus dem Zylinder.
Der Zylinder ist insbesondere mit mehreren semipermeablen Membranen versehen. Die Membranen können einerseits über den Umfang des Zylinders verteilt sein, andererseits in Längsrichtung des Zylinders angeordnet sein. Es ist durchaus denkbar, die Membranen sowohl über den Umfang als auch in Längsrichtung des Zylinders verteilt anzuordnen.
Ziel ist, aufgrund der Gestaltung des Extruders mit der mindestens einen Entgasungszone bzw. der mindestens einen semipermeablen Membran Material aus dem Extruder in das Formwerkzeug auszugeben, das eine geringe Gasporosität aufweist und damit das Gussteil gute mechanische Eigenschaften besitzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Extruder dient die Einrichtung zum Beschicken des Zylinders insbesondere der Aufnahme von kleinteiligem, zu extrudierenden Material, insbesondere der Aufnahme von Granulat. Vorteilhaft dient die Einrichtung zum Beschicken des Zylinders der Aufnahme von zu extrudierendem Material in Form von Schüttgut. Solches kleinteilige Material bzw. Schüttgut lässt sich einfach handhaben.
Bei einem Extruder, der eine Einzugszone, eine Kompressionszone und eine Austragszone aufweist, ist die mindestens eine Entgasungszone bzw. die mindestens eine semipermeable Membran vorzugsweise im Bereich der Kompressionszone angeordnet. Dort wird der Druck im Extruder aufgebaut und in diesem Bereich entweicht unmittelbar die Luft bzw. das Gas aus dem Zylinder.
Die Heizeinrichtung ist vorzugsweise als Induktions- oder Widerstands-Heizeinrichtung ausgebildet. Eine derart ausgebildete Heizeinrichtung lässt sich mit baulich geringem Aufwand herstellen.
Bei dem Semi-Solid-Verfahren handelt es sich insbesondere um ein Thixomording- oder Thixocasting-Verfahren. Diese Verfahren ermöglichen die Herstellung qualitativ besonders hochwertiger Strukturbauteile.
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.
Es zeigt die 1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Extruders mit diesem zugeführten Material sowie einem Werkzeug zur Aufnahme des vom Extruder ausgegebenen Materials.
Der Extruder 1 weist einen Zylinder 2, eine im Zylinder 2 angeordnete und in diesem gelagerte Förderschnecke 3, einen Antrieb 4 für die Förderschnecke 3, eine Einrichtung 5 zum Beschicken des Zylinders 2 mit dem zu extrudierenden Material, eine Auslassöffnung 6, die als Düse ausgebildet ist, zum Ausgeben des Materials aus dem Extruder 1, sowie eine Heizeinrichtung 7 im Bereich des Zylinders 2 auf. Diese Heizeinrichtung 7 erstreckt sich über den gesamten Umfang des Zylinders 2 und im Wesentlichen über dessen gesamte Länge. Bei der Heizeinrichtung 7 handelt es sich um eine Widerstands- oder Induktionsheizung.
Der Extruder 1 weist eine Einzugszone 8, anschließend eine Kompressionszone 9 und anschließend eine Austragszone 10 auf.
Mit dem Zylinder 2 ist die Einrichtung 5 verbunden. Diese Einrichtung weist einen Trichter 11 zur Aufnahme des zu extrudierenden Materials auf. Hierbei handelt es sich um ein als Schüttgut vorliegendes Granulat, vorzugsweise einer Leichtmetalllegierung, insbesondere aus Magnesium- oder Aluminiumwerkstoffen. Das Granulat gelangt über die Einrichtung 5 zur Eingangszone 8 des Extruders 1, wird von dort weitergefördert in den Bereich der Kompressionszone 9 und von dort in den Bereich der Austragszone 10. Mittels der Heizeinrichtung 7 wird das zu extrudierende Material im Zylinder 2 erwärmt und zwar auf eine Temperatur zwischen der Solidus-Temperatur und der Liquidus-Temperatur des Granulatmaterials, womit dieses Material in den thixotropen Zustand überführt wird. In diesem thixotropen Zustand wird das Material durch die Düse 6 des Extruders 1 in ein mit dem Extruder 1 verbundenes Werkzeug 12 gespritzt. Dieses Werkzeug 12 ist bezüglich seiner beiden Werkzeughälften verdeutlicht. Das in Granulatform vorliegende Material ist mit der Bezugsziffer 13, das in thixotropem Zustand befindliche Material mit der Bezugsziffer 14 bezeichnet.
Da das Schüttgut Lufteinschlüsse aufweist und demzufolge Luft sowie zusätzlich ein Schutzgas der Eingangszone 8 des Extruders 1 zugeführt und zusammen mit dem Leichtmetall mittels der Förderschnecke 3 durch den Zylinder 2 gefördert wird, ist, um die eingetragene Luft bzw. Gas dem Prozess zu entziehen, vorgesehen, dass der Zylinder 2 mindestens eine Entgasungszone 18 aufweist, durch die im Bereich verdichteter Materialbereiche befindliche Luft bzw. Gas aus dem Zylinder 2 entweichen kann. Hierbei ist die Entgasungszone 18 mit einer semipermeablen Membran 15 versehen, durch die das Gas aus dem Zylinder 2 entweichen kann. Veranschaulicht ist nur eine semipermeable Membran 15 im Bereich der Kompressionszone 9 des Extruders 1. Der Pfeil 16 verdeutlicht aus dem Zylinder 2 entweichendes Gas bzw. entweichende Luft, die durch die semipermeable Membran 15 hindurch tritt und durch einen mit dem Zylinder 2 verbundenen Auslass 17 ausströmt. Das aus der Auslassöffnung 6 des Extruders 1 austretende Material in thixotropem Zustand besitzt somit eine reduzierte Gasporosität und in der Konsequenz weist das Gussteil verbesserte mechanische Eigenschaften auf. Das Gussteil zeichnet sich somit durch erhöhte Bauteilqualität aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1281459 A1 [0004]

Claims

Extruder (1) zur Herstellung eines Bauteils aus Leichtmetall mittels eines Semi-Solid-Verfahrens, mit einem Zylinder (2) und einer im Zylinder (2) angeordneten Förderschnecke (3), einem Antrieb (4) für die Förderschnecke (3), einer Einrichtung (5) zum Beschicken des Zylinders (2) mit einem zu extrudierenden Material, einer Auslassöffnung (6) zum Ausgeben des Materials aus dem Extruder (1) sowie mit einer Heizeinrichtung (7) im Bereich des Zylinders (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (2) mindestens eine Entgasungszone (18) aufweist, durch die in bereits verdichteten Materialbereichen befindliches Gas aus dem Zylinder (2) entweichen kann.
Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (2) im Bereich der Entgasungszone (18) mit mindestens einer semipermeablen Membran (15) versehen ist.
Extruder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (2) mit mehreren semipermeablen Membranen (15) versehen ist.
Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (5) zum Beschicken des Zylinders (2) der Aufnahme von kleinteiligem, zu extrudierendem Material (13), insbesondere der Aufnahme von Granulat dient.
Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (5) zum Beschicken des Zylinders (2) der Aufnahme von zu extrudierendem Material (13) in Form von Schüttgut dient.
Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (5) zum Beschicken des Zylinders (2) einen Trichter (11) aufweist.
Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (2) eine Einzugszone (8), eine Kompressionszone (9) und eine Austragszone (10) aufweist, und die Entgasungszone (18) im Bereich der Kompressionszone (9) angeordnet ist.