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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Metalltabletten für ein Gießverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen von Metallgussbauteilen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
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Für die Herstellung von Metallgussbauteilen in Gießprozessen wird verbreitet eine Metallschmelze, beispielsweise eine Aluminiumschmelze, in Schmelzeöfen durch das Einschmelzen von Metall in Form von Masseln oder Blöcken gemeinsam mit Kreislaufmaterial bereitgestellt. Üblicherweise ist das Ausgangsmaterial im festen Zustand, wird durch Energiezufuhr erschmolzen und warm gehalten. Alternativ dazu wird direkt Flüssigmetall angeliefert und in einem Gieß- beziehungsweise Warmhalteofen bereitgehalten.
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Bei der Bearbeitung von Metallbauteilen oder Metallrohlingen, insbesondere Aluminiumbauteilen oder Aluminiumrohlingen, fallen große Mengen von Metallspänen, insbesondere Aluminiumspänen, an, welche durch bei der Bearbeitung eingesetzte Kühlschmierstoffe (KSS) stark verunreinigt sind. Aus der großen Vielzahl von Reinigungs- und Aufbereitungsanlagen für derartige Metallspäne sind vor allem diejenigen zu nennen, welche grob gereinigte und zentrifugierte Metallspäne teilweise unter Ausnutzung der Wirkung der KSS zu so genannten Briketts verarbeiten (Brikettieranlagen). Die Briketts können dann in der Metall verarbeitenden Industrie weiterverwendet werden.
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Bislang sind Metallspäne und Briketts in Gießverfahren normalerweise gar nicht oder nur bedingt einsetzbar, da lose Metallspäne mit hohem Energieaufwand und umfassender Abwasseraufbereitung zur Vermeidung einer Umweltbelastung aufwendig gereinigt und komplett getrocknet werden müssen, damit eine ausreichend hohe Qualität der Metallschmelze mit nur wenig Schmelzenachbehandlung, wie beispielsweise Entgasung, Reinigung, Zumischung von Zusatzstoffen und Zulegierung weiterer Metalle, erreicht werden kann. Zudem ist das direkte Aufschmelzen von Metallspänen oder das Einfließen von Metallspänen in eine Metallschmelze nur eingeschränkt möglich, da die Metallspäne aufgrund ihrer großen Oberfläche sofort verbrennen und die Metallschmelze verunreinigen. Der Einsatz der erwähnten Briketts ist ebenfalls schwierig, da in diesen noch KSS vorhanden sind, welche zu einer Verunreinigung der Metallschmelze führen.
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Bezüglich der Aufbereitung von Metallspänen sind auch die folgenden Publikationen zu erwähnen:
Im Dokument
EP 1 260 613 A2 wird die Reinigung von Aluminiumschrott beschrieben, indem die auf den Oberflächen der Schrottteile anhaftenden Ölrückstände mittels eines wässrigen Entölungsmittels mit beigesetzten Tensiden und organischen Lösungsmitteln abgespült werden.
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Aus dem Dokument
DE 42 21 347 C2 ist ein Verfahren zur Behandlung ölverschmutzter Späne aus Magnesium oder aus einer Magnesiumlegierung bekannt. Zur Verdampfung der Ölverschmutzung werden die Partikel in Normalatmosphäre unter kontinuierlicher Bewegung auf Temperaturen unterhalb von 430 Grad Celsius ohne Zufuhr weiterer Luft erhitzt. Die Ölgase werden anschließend kondensiert. Da Magnesium pyrophor ist und mit Sauerstoff reagiert, kann zusätzlich Inertgas zugeführt werden.
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Das Dokument
DE 43 17 815 C1 betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Aluminiumspänen, die mit ölartigen Flüssigkeiten und Feststoffen kontaminiert sind. Die Späne werden in einem Waschaggregat mit einer wässrigen, basischen Waschflüssigkeit in Kontakt gebracht. Die eingesetzte Waschflüssigkeit wird abgeschieden und wiederaufbereitet. Beschrieben wird insbesondere die Zusammensetzung der zum Einsatz gelangenden Waschflüssigkeit.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Darreichungsform von Metallgussmaterial zu schaffen, welche direkt in ein Gießverfahren eingebracht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen von Metalltabletten mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von Metalltabletten für ein Gießverfahren durch Aufbereitung von Metallspänen werden verunreinigte Metallspäne gereinigt und zu Metalltabletten verpresst. Es wird die Oberfläche der gereinigten Metallspäne angeschmolzen, bevor die gereinigten Metallspäne mit angeschmolzener Oberfläche zu einer Metalltablette verpresst werden. Die erhaltene Metalltablette wird abgekühlt, so dass nach der Abkühlung die Metallspäne in der Metalltablette verbunden sind.
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Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Herstellung von Metalltabletten, welche direkt für einen Gießprozess einsetzbar sind. Auf dem erfindungsgemäßen Wege können Metalltabletten mit ausreichend hoher Qualität für ein Gießverfahren hergestellt werden. Das Verpressen der Metallspäne ist damit umweltfreundlich gestaltet.
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Die Metallspäne in der Metalltablette können wenigstens teilweise fest, formschlüssig oder kraftschlüssig verbunden sein. Sie können verschmolzen, aneinander geschmolzen, verschweißt oder aneinander geschweißt sein. Die Metallspäne können auch als Metallpartikel oder Metallstückchen bezeichnet werden.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet für Metallspäne aus einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder Magnesium, oder aus einer Magnesiumlegierung, Aluminiumlegierung oder einer Aluminium-Magnesium-Legierung.
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Offensichtlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Metalltabletten wiederholt und/oder parallel mehrfach ausgeführt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren einen oder mehrere Reinigungsvorgänge. Insbesondere kann bei der Reinigung der verunreinigten Metallspäne in wenigstens einem Reinigungsvorgang Heißdampf, insbesondere mit einer Temperatur über 100 Grad Celsius, eingesetzt werden. Bei diesem oder einem davon verschiedenen Reinigungsvorgang kann auch ein Reinigungsmittel, insbesondere ein wässriges Lösungsmittel mit einem Tensid, bevorzugt alkoholfrei, verwendet werden. Vorteilhafte Reinigungsmittel können von den Firmen Bachmann und Petroguss bezogen werden. In einer bevorzugten Ausprägung können beim Reinigen mit Heißdampf die verunreinigten Metallspäne auf einer mit Durchbrüchen versehenen Trägerfläche gelagert werden, so dass der Heißdampf gut die gesamte Oberfläche der Metallspäne erreicht und Kondensat durch die Durchbrüche ablaufen kann. Die Reinigung kann damit in vorteilhafter Weise umweltfreundlich erfolgen.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn zum Anschmelzen der Oberfläche der gereinigten Metallspäne induktiv Wärme in den Metallspänen und/oder in einem Ofen erzeugt wird. Die induktive Wärme kann gesteuert oder geregelt in die Metallspäne eingebracht werden. Es wird eine effiziente Energiezufuhr bereitgestellt.
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Des Weiteren oder alternativ dazu können die Metallspäne nach dem Reinigen und vor dem Anschmelzen der Oberfläche getrocknet werden. Die Trocknung kann aber auch unmittelbar vor dem Anschmelzen der Oberfläche mittels derselben Vorrichtung zum Energieeintrag erreicht werden, da die sich auf der Oberfläche befindenden Substanzen verdampfen, bevor das Anschmelzen einsetzt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Verpressen der Metallspäne direkt und/oder unmittelbar nach dem Anschmelzen. Des Weiteren können die Metallspäne mit angeschmolzener Oberfläche mittels eines Stempels in einer Form oder einem formgebenden Teil zu einer Metalltablette verpresst werden.
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In einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gereinigten Metallspäne komplett aufgeschmolzen und die entstehenden Schmelzetropfen auf einer Fläche, zum Beispiel einer Keramikplatte, gesammelt und zu kleinen Portionen abgekühlt, bevor die Verpressung zu einer Metalltablette erfolgt.
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Im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Metalltablette steht auch ein Verfahren zum Herstellen von Metallgussbauteilen. Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von Metallgussbauteilen wird fließfähiges Gießmaterial durch Schmelzen von Festkörpermaterial zur Verfügung gestellt und ein Metallgussbauteil gegossen. Dabei werden Metalltabletten nach einem Verfahren mit Merkmalen gemäß dieser Darstellung hergestellt. Die hergestellten Metalltabletten werden im Gießmaterial aufgeschmolzen, und/oder das Gießmaterial wird durch Aufschmelzen der Metalltabletten erhalten. Mit anderen Worten, in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Metallgussteilen gelangen die erfindungsgemäß hergestellten Metalltabletten zum Einsatz und werden aufgeschmolzen. Die Metallgussbauteile können insbesondere Strukturbauteile sein.
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Das Verfahren kann insbesondere ein Druckgussverfahren sein.
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In bevorzugter Ausführungsform handelt es sich beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von Metallgussbauteilen um ein so genannten semi-solid Gießverfahren oder Rheogussverfahren, in denen ein halbfester oder fest-flüssiger Gießbrei verarbeitet wird. Zu diesem Zweck wird eine Metallschmelze auf eine Temperatur unterhalb der Liquidustemperatur herabgekühlt und parallel dazu durch intensives Bewegen, beispielsweise Rühren, ein globulitisches Gefüge des Festkörperanteils im Gießbrei zur verbesserten Fließfähigkeit der unterkühlten Schmelze erzeugt. Mit anderen Worten, bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von Metallgussbauteilen das fließfähige Gießmaterial in einem halbfesten Zustand als ein Gießschlicker, auch als halbfester Gießbrei zu bezeichnen, mit Festkörperanteil vergossen. Die Metallschmelze kann fluid, insbesondere fließfähig, flüssig, breiig, schlammig, teigig oder pastös, sein. Mit anderen Worten, bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren die Metallschmelze zu einem halbfesten (semi-solid) Gießbrei verarbeitet. Insbesondere wird die Metallschmelze, während sie bewegt, bevorzugt gerührt, wird, auf eine Temperatur unter die Liquidus-Temperatur abgekühlt. Die verarbeitete Metallschmelze kann thixotrop sein. Durch die Behandlung können insbesondere globulitische und/oder nicht-dendritische Festkörper, beispielsweise sphäroide oder ellipsoide Festkörper, im flüssigen Phasenanteil erzeugt werden.
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Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung einer Metallschmelze ist in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2010 051 342.3 offenbart. Deren Inhalt wird durch explizite Bezugnahme hiermit vollständig in den Offenbarungsgehalt dieser Darstellung aufgenommen. Besonders bevorzugt gelangt der in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2010 051 341.5 beschriebene Gießschmelzebehälter zur Aufnahme einer Metallschmelze und das ebenfalls in dieser Patentanmeldung beschriebene Verfahren zur Behandlung von Metallschmelzen zum Einsatz. Der Inhalt dieses Dokuments wird durch explizite Bezugnahme hiermit vollständig in den Offenbarungsgehalt dieser Darstellung aufgenommen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
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1 eine Ausführungsform einer Reinigungsanlage zur Durchführung der erfindungsgemäßen Reinigung der Metallspäne,
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2 eine Serie von Teilbildern A bis D einer Ausführungsform einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Anschmelzens und Verpressens der Metallspäne, und
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3 eine Ausführungsform eines Gießbehälters mit erfindungsgemäß erhaltenen Metalltabletten.
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Die 1 zeigt eine Ausführungsform einer Reinigungsanlage 10, mit welcher die erfindungsgemäße Reinigung von verschmutzten Metallspänen, vorzugsweise Aluminiumspänen oder Aluminiumlegierungsspänen, durchführbar ist. Die Reinigungsanlage 10 verfügt in einem Innenraum über Sprühdüsen 12, welche im äußeren Bereich des Innenraums eines Gehäuses oder Behälters angeordnet und auf den inneren Bereich des Innenraums gerichtet sind. In diesem befinden sich die zu reinigenden, zunächst verschmutzten Metallspäne 14 in einer Trommel 16. Die Trommel 16 ist drehbar in Drehrichtung 18 um eine Drehachse 20. Die Wand der Trommel 16 weist siebartig oder gitterartig eine Mehrzahl von Durchbrüchen auf (Lochblech), deren Größe derart klein ist, dass die Metallspäne 14 im Inneren der Trommel 16 zurückgehalten werden. Mit anderen Worten, bei der Reinigung in der Reinigungsanlage 10 befinden sich die Metallspäne 14 auf einer mit Durchbrüchen versehenen – hier in diesem Ausführungsbeispiel gekrümmten – Trägerfläche.
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Eine grobe Reinigung der verschmutzten Metallspäne 14 erfolgt durch von den Sprühdüsen 12 austretenden Heißdampf 22, überhitzten Wasserdampf mit einer Temperatur größer als 120 Grad Celsius. Dieses umweltfreundliche Verfahren kommt ohne zusätzliche Reinigungsmittel in großen Mengen aus. Während die Maschenbreite der Durchbrüche so fein ist, dass keine Metallspäne 14 herausfallen können, sind die Durchbrüche dennoch möglichst maximal groß gewählt. Auf diese Weise kann eine optimale Durchmischung der zu reinigenden Metallspäne 14 mit der Heißluft, dem Heißdampf 22, erfolgen. Im kondensierten Schmutzwasser 24, das durch die Durchbrüche der Trommel 16 abläuft, befinden sich dann die von den Metallspänen 14 abgelösten Kühl-Schmierstoffe (KSS). Das Schmutzwasser 24 wird in einer Auffangwanne 26 gesammelt. Die KSS werden dann abgeschieden: Der nach Ausdampfung verbleibende Schmutz wird abgetragen.
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In dieser vorteilhaften Ausführungsform erfolgt anschließend in einem weiteren Vorgang eine feine Reinigung mit Hilfe geringer Mengen eines Spezialreinigers der Firma Petroguss. Anschließend werden die gereinigten Metallspäne in einem Heißluft-Wirbelofen restgetrocknet.
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Im Gegensatz zu bekannten Reinigungsverfahren werden die Metallspäne nicht zentrifugiert, die Trommel 16 dreht sich nur waschmaschinenartig, auch intermittierend oder in den Drehrichtungen alternierend, nicht aber zentrifugenartig insbesondere nicht mit hoher Winkelgeschwindigkeit. Die Reinigung erfolgt vor allem durch die Heißluft, gegebenenfalls durch das Reinigungsmittel, unter Ausnutzung der Restfeuchte.
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Alternativ zur in der 1 gezeigten Situation, dabei aber nicht zeichnerisch dargestellt, kann anstatt einer drehbaren Trommel 16 auch ein Lineartransportmittel, zum Beispiel ein Rollband, genutzt werden, auf welches die verunreinigten Metallspäne 14 liegend durch die Reinigungsanlage an den Sprühdüsen 12 vorbei gefördert werden.
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Die 2 ist eine Serie von Teilbildern A bis D einer Ausführungsform einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Anschmelzens und Verpressens der Metallspäne. Wie auf dem Teilbild A gezeigt wird, umfasst die Anlage einen Schmelzrohrofen 28 in vertikaler Orientierung des Rohres. Entlang der Wand des Rohres sind Induktionsheizungsleitungen 30 angeordnet. Nach erfolgter Reinigung und Trocknung der Metallspäne werden die gereinigten Metallspäne 32 in das Rohr von oben eingebracht. Das Rohr wird induktiv erwärmt, und die gereinigten Metallspäne 32 werden ebenfalls erhitzt, so dass sie portionsweise miteinander zusammenschmelzen, bevor sie in eine Auffangwanne 34 gelangen.
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Im Teilbild B der 2 ist die Situation dargestellt, dass nach Passage des Bereichs, in welchem ein Energieeintrag erfolgt, sich Metallspäne 36 mit angeschmolzener Oberfläche in unteren Bereich des Rohres zusammenlagern. Zusammengeschmolzene Portionen gelangen nach Austritt aus dem verschließbaren unteren Ende des Rohrs in eine Auffangwanne 34. In der Auffangwanne 34 horizontal geführt wird ein Stempel 38, der die zusammengeschmolzenen Portionen zusammenkehrt und in Richtung eines Formteils 40 der Auffangwanne 34 drückt.
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Wie aus dem Teilbild C der 2 ersichtlich, werden die zusammengeschmolzenen Portionen der Metallspäne 36 mit angeschmolzener Oberfläche mittels des Stempels 38 in Bewegungsrichtung 42 komprimiert. Das Formteil 40 dient als Gegendruckelement. Es entsteht ein Körper von zusammengelagerten Metallspänen 44. Oberhalb der Auffangwanne 34 befinden sich bereits weitere Portionen von Metallspänen 36 mit angeschmolzener Oberfläche oberhalb des Verschlusses.
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Die Kompression wird fortgesetzt: Die Verpressung dient der Verringerung der Oberfläche und der Verhinderung eines zu starken Abbrands bei der Verwendung zum Gießen. In Teilbild D der 2 ist gezeigt, wie bei fortgeschrittener Kompression gegen das Formteil 40 eine Metalltablette 46, im Wesentlichen in Form eines Zylinders, entsteht. Nach Entfernung der Metalltablette 46 und der Verlagerung des Stempels 38 zurück in die Ausgangsposition, kann der Verschluss am unteren Ende des Rohres geöffnet werden, so dass für die Wiederholung des Pressvorgangs erneut Portionen von Metallspänen 36 mit angeschmolzener Oberfläche in die Auffangwanne 34 gelangen.
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An dieser Stelle sei betont, dass die praktisch sinnvolle Größe der Metalltabletten 46 durch die geplante anschließende Verwendung zum Gießen bedingt ist. Damit eine fließfähige Schüttung für die Beschickung eines Gießbehälters, zum Beispiel eines Gießlöffels, möglich ist, sollte eine maximale Größe nicht überschritten werden. Die durch die Verpressung erreichte Packungsdichte ist, insbesondere im Vergleich zu Briketts, gering, damit das spätere Wiederaufschmelzen bereits mit geringer Energiezufuhr möglich ist.
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Die
3 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Gießbehälters
50 mit erfindungsgemäß erhaltenen Metalltabletten
46 dar. In dieser Ausführungsform handelt es sich um einen Gießlöffel, wie er für die Durchführung eines Gießverfahrens mit einem halbfesten Gießbrei, einem Gießschlicker, beispielsweise gemäß
DE 10 2010 051 342.3 und/oder
DE 10 2010 051 341.5 , zum Einsatz gelangt. Im Gießlöffel befindet sich ein Gießmaterial in Form einer Metallschmelze. Es kann eine Schmelzebehandlung durchgeführt werden. Insbesondere kann die Schmelzebehandlung der Herstellung einer Gießschlickers für ein semi-solid Gießverfahren, bevorzugt einen semi-solid pressure die casting process (SSPDC-Prozess), erfolgen.
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Die Metalltabletten 46 werden über ein hier nicht zeichnerisch dargestelltes Förderband, alternativ eine Rutsche, dem Gießbehälter zum Wiederaufschmelzen, zur Schmelzebehandlung, zugeführt. Aufgrund der hohen Porosität beziehungsweise der geringen Packungsdichte der Metalltabletten 46 und der Tatsache, dass sie im warmen Zustand gehalten werden, schmelzen die Metalltabletten 46 im flüssigen Gießmaterial 48, einer Metallschmelze, schnell auf. In vorteilhafter Weise ist der Energieaufwand deutlich geringer als bei Briketts. Zudem kann während des Wiederaufschmelzens der semi-solid Zustand der Metallschmelze im Gießlöffel schnell und effektiv für einen Semi-Solid-Druckgießprozess erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Reinigungsanlage
- 12
- Sprühdüsen
- 14
- Metallspäne
- 16
- Trommel
- 18
- Drehrichtung
- 20
- Drehachse
- 22
- Heißdampf
- 24
- Schmutzwasser
- 26
- Auffangwanne
- 28
- Schmelzrohrofen
- 30
- Induktionsheizungsleitung
- 32
- gereinigte Metallspäne
- 34
- Auffangwanne
- 36
- Metallspäne mit angeschmolzener Oberfläche
- 38
- Stempel
- 40
- Formteil
- 42
- Bewegungsrichtung des Stempels
- 44
- zusammengelagerte Metallspäne
- 46
- Metalltablette
- 48
- Gießmaterial
- 50
- Gießbehälter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1260613 A2 [0005]
- DE 4221347 C2 [0006]
- DE 4317815 C1 [0007]
- DE 102010051342 [0023, 0038]
- DE 102010051341 [0023, 0038]
