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Erklärung zu verwandten Fällen
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen Anmeldung Nr. 61/405 739, eingereicht am 22. Oktober 2010, mit dem Titel Sand Casting A Diesel Piston With An As-Cast, Undercut Combustion Bowl, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen und Verfahren zum Gießen von Motorkomponenten und im Spezielleren einen hoch entwickelten Dieselkolben mit komplexen Merkmalen und ein Verfahren zum Gießen desselben.
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Kolben, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden, bestehen typischerweise aus einem Kopf (auch als Kuppel bezeichnet), einem Schaft, einer oder mehreren Ringnuten und einem Steg zwischen den Nuten. Zunehmend strenge Abgas- und Effizienzanforderungen schreiben vor, dass in Zukunft Kolben näher bei stöchiometrischen Bedingungen, höheren Zylinderdrücken und in engeren Unterbringungseinheiten arbeiten werden müssen, was wiederum höhere Komponentenbelastungs- und Betriebstemperaturbedingungen notwendig macht. Dies trifft insbesondere auf Kolben zu, die in Dieselmotoren verwendet werden, welche außer, dass sie die vorherrschende Motorform für größere Nutzfahrzeuge darstellen, in zunehmendem Maß verwendet werden, um Personenkraftfahrzeuge zu betreiben. Gleichermaßen werden ausgereiftere Kuppelkonstruktionen entwickelt, um einen vollständigeren, effizienten Verbrennungsprozess zu erreichen, der die Temperaturen in dem Brennraum noch weiter erhöht. Diese ausgereiften Kuppelkonstruktionen mit ihren dreidimensionalen(3D)-Profilen erfordern komplexere Formfiguren, was die Schwierigkeit erhöht, die Kolben zu gießen, oder den Einsatz exzessiver maschineller Bearbeitung notwendig macht, um die erwünschte Kuppelgeometrie zu erreichen.
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Höhere Betriebstemperaturen erfordern den Einsatz von Materialien, die in der Lage sind, unter diesen Bedingungen zu arbeiten. Es wurden Kühlmaßnahmen als eine Möglichkeit verwendet, die Lebensdauer von Kolben und diesbezüglicher Hochtemperaturkomponenten zu verbessern. Eine Möglichkeit, um eine Kühlung zu erreichen, besteht darin, ein Motorkühlmittel, das bereits vorhanden ist, durch in dem Kolben gebildete Durchgänge hindurch zu leiten. Es besteht ein wesentlicher Vorteil darin, die Kuppel zu kühlen, da sie direkt dem Verbrennungsprozess ausgesetzt ist. Allerdings vergrößert das Hinzufügen von Kühlkanälen die Schwierigkeit, den Kolben zu gießen, weiter.
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Traditionelle, nicht selbstverzehrende Formen des Gießens wie z. B. das Kokillengießen, sind nicht gut geeignet, um komplexe Formgestalten zu bilden. Im Speziellen begrenzt die dauerhafte Natur der Form, verbunden mit den in einigen Formgestalten vorhandenen einspringenden Gebieten, wie z. B. den oben erläuterten 3D-Kuppel-Formgestalten, das Vermögen, das Teil zurückzuziehen, sobald das Gussteil erstarrt ist. Infolgedessen ist eine extensive maschinelle Bearbeitung des Gussteiles erforderlich, um die komplexen Formgestalten zu erzeugen. Diese zusätzliche maschinelle Bearbeitung trägt zu der Komplexität und den Kosten von Kokillengussansätzen bei. Beim Kokillenguss kann auch die Teilequalität leiden. Das Vorhandensein von Speisern kann die Mikrostruktur des Kolbens und das Ausmaß der Kornverfeinerung beeinflussen, die erzielbar ist. Beispielsweise neigt die relativ große Speichermasse der großen Speiser dazu, das Erstarren der Gusskomponente zu verlangsamen, während eine schnellere Abkühlung und die damit verbundenen verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie durch das Vorhandensein eines kleineren sekundären Dendritenarmabstandes (SDAS) zum Ausdruck gebracht, oft wünschenswert sind. Es kann ein Unterschied von sogar 20% in den mechanischen Eigenschaften beim Vergleich der Anordnung im Gießtrichter mit den Speiserseiten vorhanden sein.
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Eine Ausführungsform der Draufsicht eine Kolbens im Gusszustand ist in 1 gezeigt. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Kolbens nach der maschinellen Bearbeitung und unterstreicht deutlich die extensive maschinelle Bearbeitung, die erforderlich ist, um die Kuppel zu erzeugen.
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Um die Formgestalteinschränkungen des Kokillengusses zu überwinden, können andere Ansätze einschließlich verschiedener Formen des Gießens mit selbstverzehrenden Formen wie z. B. das Investment (oder Wachsausschmelz)-Gießen, das Sandgießen oder dergleichen verwendet werden. Eine Variante des Sandgießansatzes, das als Salzkerngießen bekannt ist, verwendet Techniken, die allgemein dem Sandgießen ähnlich sind, außer dass ein wasserlösliches Salz anstelle von Nass- oder Trockensand für die inneren Formgeometrien verwendet wird. Sobald das Teil hergestellt ist, kann die Sandform mit Wasser weggewaschen werden, ohne das Teil irgendwelchen zusätzlich thermischen Belastungen zu unterwerfen. Ein Salzkerngussteil hat Aufbewahrungs- und Handhabungsprobleme, die sein Aussehen vermindern.
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Ein anderer Ansatz, der verwendet wurde, um eine Kuppel im Gusszustand zu erzeugen, ist der Halbkokillenguss. Dieser Ansatz erfordert immer noch, dass die Brennraummulde maschinell bearbeitet wird. Wie bei dem oben erläuterten Kokillenguss, ist auch ein beträchtliches Ausmaß an Trennen der Kuppel von dem Speisersystem erforderlich. Des Weiteren können Kolben mit einem höheren Leistungsausgang (also Hochleistungskolben) auch ein Muldenrandumschmelzen erfordern. Diese zusätzlichen Prozesse tragen wesentlich zu den Kosten des Kolbens bei. Dies trifft insbesondere auf Umschmelzarbeits- und maschinelle Muldenbearbeitungskosten und in noch größerem Ausmaß auf Kolben zu, die ausgebildet sind, um unter hohen Temperatur- und Druckbedingungen wie z. B. Dieselkolben mit hohem Leistungsausgang zu arbeiten. Solche Kolben können bei etwa 200 bar Zylinderdruck und etwa 400°C arbeiten und den Einsatz von Stahlschmieden mit einem noch erheblicheren Kosteneinfluss beinhalten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Dieselkolbens. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass ein Muster für den Kolben vorgesehen wird, wobei das Muster eine Kuppel und eine einspringende Mulde umfasst; eine Kolbenform um das Muster herum gebildet wird, wobei die Form ein Kornmaterial und ein Bindemittel umfasst; das Muster aus der Kolbenform entfernt wird; eine Metallschmelze in die Kolbenform eingeleitet wird; die Kolbenform mit einem Lösungsmittel für das Bindemittel in Kontakt gebracht wird und das Bindemittel und das Korn entfernt werden; die Metallschmelze abgekühlt wird; und die Metallschmelze erstarren gelassen wird, um den Kolben mit der Kuppel und der einspringenden Mulde ohne Notwendigkeit einer Verarbeitung nach dem Gießen zu bilden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
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1 eine Draufsicht eines Dieselkolbens der vorliegenden Erfindung im aktuellen Gusszustand ist, wobei die Kuppel vollständig übergossen ist, die übermäßige Speiser zeigt; und
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2 eine perspektivische Darstellung des Dieselkolbens von 1 nach der maschinellen Endbearbeitung ist.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Es kann ein Ablationsgießansatz verwendet werden, um einen Kolben mit einer Kuppel, die eine einspringende Mulde im Gusszustand und einen optionalen inneren Kühldurchgang beinhaltet, herzustellen. Das Ablationsgießen verwendet anorganische (d. h. wasserlösliche) Kerne, und es wird Wasser auf die Form gesprüht, welches langsam hinwegspült (daher der Ausdruck „Ablation”) und das Gussteil schnell abkühlt. Die schnelle Abkühlung hat bessere Materialeigenschaften zur Folge. Das Ablationsgießen gestattet die Erzeugung von komplexen Teilen mit einer feinen Erstarrungsmikrostruktur. Die Anwendung von Wasser erlaubt es, das Erstarren und Abkühlen der Komponente getrennt voneinander zu steuern (z. B. indem Wasser auf spezifische Gebiete des Gussteiles vor anderen angewendet wird oder indem unterschiedliche Mengen an Wasser auf unterschiedliche Gebiete angewendet werden). Durch Bereitstellung der hohen Erstarrungsraten und der verfeinerten Mikrostruktur, die oft erforderlich sind, um die besseren mechanischen Eigenschaften durch den Querschnitt (wie z. B. Zug- und Ermüdungseigenschaften bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen) zu erzielen, gestattet es das Ablationsgießen, sowohl komplexe Teile wie z. B. jene, die dünne wie auch dicke Teilstücke kombinieren, als auch jene mit komplexen inneren Kernen zu bilden. Die Eigenschaften durch den Querschnitt sind überlegen im Vergleich zu jenen, die mit einem Umschmelzen des Muldenrandes hergestellt werden, was nur für die wünschenswerte feine Mikrostruktur bis zu einer Tiefe nur geringfügig unter der Oberfläche (z. B. wenige mm) sorgt.
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Das Ablationsgießverfahren ist allgemein in dem
U.S.-Patent Nr, 7 121 318 beschrieben, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Es wird ein Muster aus einem Material gebildet und es wird eine Form um zumindest einen Abschnitt des Musters herum gebildet. Die Form besteht aus einem Kornmaterial und einem Bindemittel. Das Muster wird aus der Form entfernt und danach wird eine Metallschmelze in die Form eingeleitet. Die Form wird mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht und die Metallschmelze wird abgekühlt, sodass sie zumindest teilweise erstarrt, um ein Gussteil zu bilden. Der Abkühlschritt umfasst, dass eine Hülle aus erstarrtem Metall um die Metallschmelze herum mit dem Lösungsmittel in Kontakt gebracht wird.
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Das Ablationsgießen wurde nicht zum Gießen von Dieselkolben im Allgemeinen und im Spezielleren von Dieselkolben mit einer einspringenden Mulde verwendet.
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Die Verwendung des Ablationsgießens bietet die Möglichkeit, den Kolben mit einer endformnahen Kuppel ohne die beträchtliche Behandlung und/oder maschinelle Bearbeitung nach dem Gießen, welche andere Verfahren erfordern, zu gießen. Somit können die Kuppel und die Brennraummulde gleichzeitig gegossen werden. In einer speziellen Form würden die einspringenden Mulde und die inneren Durchgänge mithilfe einer Einmal-Kornform hergestellt werden, die mittels herkömmlicher Kerntechnologie mit zurückziehbaren Werkzeugen in dem Formwerkzeug hergestellt werden könnte. Im gegenständlichen Kontext umfasst die Kornform des Formmediums Quarzsand, Zirkonsand, Chromitsand, keramische Mikrokugeln oder dergleichen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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Die Vorteile in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf eines oder mehrere der Folgenden: reduzierte Kosten für die maschinelle Bearbeitung, eine verfeinerte Mikrostruktur im Gusszustand für verbesserte mechanische Eigenschaften, wobei die Vorteile eines Sandformgebungs (oder eines verwandten)-Verfahrens genutzt werden, um ein einspringendes Gebiet in der Kuppel maßzuschneidern, das Gussteilgewicht zu reduzieren und die Notwendigkeit eines inneren Salzkerns zu eliminieren. Der traditionelle Salzkern könnte durch einen Kornkern aus dem gleichen Material wie die Kolbenform ersetzt sein.
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In einer Form kann das Sandgießen verwendet werden, um den Kolben der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Dieser Prozess würde die massiven Speiser, die typischerweise beim Kokillengießen verwendet werden, deutlich reduzieren, was eine verbesserte Materialausbeute zur Folge hat.
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Des Weiteren macht es die beim Ablationsgießen dazugehörende hohe Abkühlrate einfacher, den Prozess maßzuschneidern, um eine verfeinerte Mikrostruktur mit verbesserten Materialeigenschaften zu erzielen. Diese verbesserten Materialeigenschaften sollten einen festeren Kolben insgesamt wie auch die benötigte Kolbenmuldenrandfestigkeit (ohne diesen Bereich umschmelzen zu müssen) bereitstellen, um strenge Kopfdichtungsprüftests konsequent zu bestehen.
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In einer speziellen Form kann die Form aus Sand gebildet sein, der zum Ablationsgießen geeignet ist, sodass komplexe Kuppelformen einschließlich jener mit Hinterschneidungs- und inneren Kühldurchgangsmerkmalen einfach und kostengünstig gefertigt werden können. Als solche kann eine Sandform als Teil des Ablationsverfahrens verwendet werden.
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Eine verbesserte Materialausbeute kann realisiert werden, indem die großen Speiser eliminiert werden, die oft als Teil eines Kokillengießschrittes verwendet werden. Im Speziellen kann durch Verwenden eines Ablationsgießansatzes die inhärent hohe Abkühlrate zulassen, dass der Kolben, der gebildet wird, eine homogene Mikrostruktur und zugehörige strukturelle Eigenschaften aufweist.
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Zusätzlich zu der feineren Mikrostruktur und den verbesserten Kolbeneigenschaften gestattet es die Verwendung des Ablationsverfahrens, viel feinere Details einschließlich komplizierter Kühlkanäle in das Teil zu gießen. Der Prozess reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit einer maschinellen Bearbeitung nach dem Gießen in dem Bereich um die Kuppel herum, insbesondere was das einspringenden Gebiet betrifft. Da das Ablationsgießen serienreif ist, ist die Übertragung auf die Fertigung großer Kolbenmengen oder verwandter Komponenten vergleichsweise einfach. Es könnte eine Einmal-Kornform verwendet werden, um zuzulassen, dass die Brennraummulde der Kolbenkuppel und eine Schmier- und Kühlölgalerie als Teil des Gussteiles gebildet werden.
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Die Verwendung des Ablationsgießens für Dieselkolben ist dabei hilfreich, eine beträchtliche mikrostrukturelle Verfeinerung durch Reduzieren oder Eliminieren der Notwendigkeit einer kostspieligen sekundären Bearbeitung wie z. B. maschinelles Bearbeiten oder Umschmelzen nach dem Gießen zu erreichen. In Fällen, in denen eine verfeinerte Mikrostruktur erwünscht ist, wie z. B. bei der Muldenkante oder anderen komplexen 3D-Gebieten des Kolbens, kann ein Wolfram-Inertgas (WIG)- oder Laserumschmelzen lokal (in dem einspringenden Kuppelgebiet) durchgeführt werden. Eine nachfolgende maschinelle Bearbeitung wie z. B., um eine einwandfreie Form der Muldenkante zu erhalten, kann ebenso reduziert oder eliminiert werden.
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Diese Erfindung nutzt das Ablationsgießverfahren, um die Notwendigkeit großer Speiser an der Kolbenkuppel zu eliminieren. Das Vermögen, die Kuppel rascher und gleichmäßiger abzukühlen, sollte die mechanischen Eigenschaften verbessern. Insbesondere die Einmal-Kornform sollte es zulassen, dass die Brennraummulde im Gusszustand gebildet wird. Des Weiteren kann das Kornformmaterial auch verwendet werden, um die Ölgalerie hinter der oberen Ringnut zu bilden, um die Notwendigkeit eines Salzkerns zu eliminieren. Dies gestattet auch eine rasche Prototypherstellung von Kolben, was allgemeine Entwicklungstests verbessern kann.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und Einzelkomponenten unabhängig davon zu repräsentieren, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert sind. Eine „Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, in dem eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist, etc. umfassen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „im Wesentlichen” hierin verwendet wird, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
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Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
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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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- US 7121318 [0014]
- US 7164963 [0016]
- US 7618823 [0016]
- US 7225049 [0016]
