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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines aus einem schmelzbaren Formmaterial gebildeten Gussformrohlings, insbesondere eines Gussformrohlings zur Ausbildung einer Gussform zum Vergießen von Spulen einer rotierenden elektrischen Maschine oder einer Magnetresonanzeinrichtung.
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Im Rahmen des Vergusses, insbesondere Vakuumvergusses, von Spulen, insbesondere supraleitenden Spulen, einer rotierenden elektrischen Maschine oder einer Magnetresonanzeinrichtung kommt insbesondere der Maßhaltigkeit und Formstabilität, allgemein der Güte und Qualität, entsprechender Gussformen eine entscheidende Bedeutung zu, da die hiermit hergestellten Spulen passgenau in eine Maschine oder Vorrichtung eingebaut werden müssen. Die Gussform definiert dabei die Geometrie der gewünschten vergossenen Spulen.
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Entsprechende Gussformen zum Vergießen von Spulen einer Magnetresonanzeinrichtung können z. B. durch mechanische Nachbearbeitung von aus schmelzbaren Formmaterialien gebildeten Gussformrohlingen gefertigt werden.
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Bei der im Rahmen der Herstellung solcher Gussformrohlinge erfolgenden Abkühlung und Erstarrung einer entsprechenden Formmaterialschmelze ergeben sich regelmäßig diverse Problemkreise. So kann es, insbesondere material- und prozessbedingt, zu starken Schrumpfungen des Formmaterials kommen, was die Ausbildung stark deformierter Gussformrohlinge bedingt. Hieraus resultieren typischerweise auch Schwierigkeiten im Hinblick auf eine maßhaltige mechanische Nachbearbeitung der hergestellten Gussformrohlinge. Ein weiterer Problemkreis ist die Bildung von Einschlüssen, Hohlräumen etc., welche sich negativ auf die Maßhaltigkeit der späteren Gussform auswirken.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung wenigstens eines aus einem schmelzbaren Formmaterial gebildeten Gussformrohlings, insbesondere eines Gussformrohlings zur Ausbildung einer Gussform zum Vergießen von Spulen einer rotierenden elektrischen Maschine oder einer Magnetresonanzeinrichtung, anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines aus einem schmelzbaren Formmaterial gebildeten Gussformrohlings, insbesondere eines Gussformrohlings zur Ausbildung einer Gussform zum Vergießen von Spulen einer rotierenden elektrischen Maschine oder einer Magnetresonanzeinrichtung, gelöst, welches sich erfindungsgemäß durch die Schritte: Aufschmelzen eines schmelzbaren Formmaterials unter Ausbildung einer Formmaterialschmelze, und Abkühlen der Formmaterialschmelze in einer formgebenden Kavität eines Formwerkzeugs zur Ausbildung des Gussformrohlings, wobei zur gezielten Beeinflussung der Erstarrung der Formmaterialschmelze ein die Erstarrung der Formmaterialschmelze beeinflussender Temperaturgradient ausgebildet wird, auszeichnet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft sonach einen besonderen technischen Ansatz zur Herstellung von aus einem schmelzbaren bzw. schmelzfähigen Formmaterial gebildeten Gussformrohlingen. Mit entsprechenden Gussformrohlingen sind insbesondere Gussformrohlinge zur Ausbildung einer Gussform zum Vergießen von Spulen, insbesondere supraleitenden Spulen, einer rotierenden elektrischen Maschine oder einer Magnetresonanzeinrichtung gemeint. Entsprechende Gussformen sind bzw. werden im Rahmen des Vergusses, insbesondere des Vakuumvergusses, entsprechender Spulen üblicherweise in eine äußere Rahmenstruktur eingebracht.
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In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Aufschmelzen eines schmelzbaren bzw. schmelzfähigen Formmaterials unter Ausbildung einer Formmaterialschmelze. In dem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird sonach durch Einbringung von Energie, d.h. insbesondere thermischer Energie, in das schmelzbare bzw. schmelzfähige Formmaterial ein Aufschmelzen dieses durchgeführt, was die Überführung des Formmaterials von einem festen in einen flüssigen, d.h. insbesondere schmelzeförmigen, Zustand und somit die Ausbildung einer Formmaterialschmelze bedingt.
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Das Aufschmelzen kann bereits innerhalb einer formgebenden Kavität eines Formwerkzeugs erfolgen. Selbstverständlich geht dem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens hier typischerweise ein, wenigstens teilweises, typischerweise vollständiges, Befüllen der formgebenden Kavität des Formwerkzeugs mit einem entsprechenden schmelzbaren Formmaterial voraus.
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Denkbar ist es jedoch auch, das Formmaterial außerhalb des Formwerkzeugs respektive einer formwerkzeugseitigen formgebenden Kavität aufzuschmelzen und eine entsprechende Formmaterialschmelze im Weiteren in eine, vorzugsweise oberhalb der Erstarrungstemperatur des Formmaterials vorgeheizte, formwerkzeugseitige formgebende Kavität einzubringen.
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Bei dem Formwerkzeug kann es sich zweckmäßig bereits um die vorgenannte, die äußeren geometrischen Abmessungen der zu vergießenden Spulen abbildende bzw. umschließende äußere Rahmenstruktur handeln.
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Bei dem schmelzbaren Formmaterial kann es sich beispielsweise um ein, typischerweise rieselfähiges, Granulat handeln. Unter dem Begriff „Formmaterial“ ist selbstverständlich auch eine Mischung mehrerer, chemisch unterschiedlicher Formmaterialien zu verstehen. Der Schmelz- bzw. Erstarrungspunkt des verwendeten Formmaterials liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 40 und 200°C, insbesondere in einem Bereich zwischen 50 und 80°C. Selbstverständlich sind hier Ausnahmen denkbar.
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Bevorzugt wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein natürliches oder synthetisches Paraffin und/oder Wachs als Formmaterial verwendet. Das im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Formmaterial ist also allgemein organischer Natur und weist einen vergleichsweise niedrigen Schmelz- bzw. Erstarrungspunkt, typischerweise unterhalb 100°C, auf. Die Verwendung von Paraffinen bzw. Wachsen als Formmaterial kann deshalb insbesondere im Hinblick auf den für das Aufschmelzen erforderlichen Energieaufwand zweckmäßig sein. Gleichermaßen ergeben sich durch die Verwendung von Paraffinen bzw. Wachsen Vorteile im Hinblick auf die mechanische Nachbearbeitung des Gussformrohlings sowie im Hinblick auf den Einsatz einer aus dem Gussformrohling gefertigten Gussform im Rahmen des Vergusses bzw. der Fertigung entsprechender Spulen von rotierenden elektrischen Maschinen oder Magnetresonanzeinrichtungen.
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In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Abkühlen und Erstarren der Formmaterialschmelze zur Ausbildung des Gussformrohlings, wobei zur gezielten Beeinflussung der Erstarrung der Formmaterialschmelze ein die Erstarrung der Formmaterialschmelze beeinflussender Temperaturgradient ausgebildet wird. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also eine gezielte und kontrollierte Abkühlung bzw. Erstarrung der Formmaterialschmelze vorgesehen, welche über die Ausbildung eines die Erstarrung der Formmaterialschmelze beeinflussenden Temperaturgradienten realisiert wird.
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Erfindungsgemäß wird also innerhalb des Formwerkzeugs bzw. innerhalb der Formmaterialschmelze ein das Erstarren der Formmaterialschmelze gezielt bzw. kontrolliert beeinflussender Temperaturgradient ausgebildet. Mit anderen Worten wird ein gezieltes bzw. kontrolliertes Erstarren der Formmaterialschmelze erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass das Abkühlen der Formmaterialschmelze auf Basis wenigstens eines vorgebbaren oder vorgegebenen Temperaturgradienten gezielt und kontrolliert durchgeführt wird. Die Ausbildung eines entsprechenden Temperaturgradienten ermöglicht insbesondere eine dem Temperaturgradienten folgende, insbesondere von wenigstens einer die formgebenden Kavität zumindest abschnittsweise begrenzenden Wandung des Formwerkzeugs in das Innere der formgebenden Kavität des Formwerkzeugs, kurz von außen nach innen gerichtete Erstarrung der Formmaterialschmelze.
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Durch die Ausbildung eines entsprechenden Temperaturgradienten lässt sich also der Problemkreis der starken Schrumpfung des Formmaterials bei dessen Abkühlung und Erstarrung sowie der Problemkreis der Bildung von Einschlüssen, Hohlräumen etc., Herr werden, was insgesamt zu der Ausbildung qualitativ hochwertiger Gussformrohlinge führt.
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Die konkrete Ausbildung des Temperaturgradienten, d.h. insbesondere die Festlegung bestimmter oberer und unterer Temperaturgrenzen, welche typischerweise in entsprechenden Hoch- und Tieftemperaturbereichen vorliegen, des Verlaufs des Temperaturgradienten durch das Formwerkzeug bzw. die Formmaterialschmelze, entsprechender Heiz- und/oder Kühlrampen etc., ist insbesondere in Abhängigkeit der Materialeigenschaften eines konkret verwendeten Formmaterials sowie der Abmessungen des herzustellenden Gussformrohlings auszuwählen.
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Der Temperaturgradient kann sich grundsätzlich beliebig innerhalb des Formwerkzeugs bzw. beliebig innerhalb der Formmaterialschmelze erstrecken, so dass prinzipiell eine im Hinblick auf eine gewünschte Gefügestruktur des abgekühlten bzw. erstarrten Formmaterials und somit des hergestellten Gussformrohlings bedarfsgerechte Abkühlung bzw. Erstarrung der Formmaterialschmelze realisierbar ist.
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Grundsätzlich gilt, dass der Temperaturgradient über eine gezielte und kontrollierte Temperierung des Formwerkzeugs realisiert wird. Hierfür ist bzw. wird dem Formwerkzeug typischerweise wenigstens eine Temperiereinrichtung, d.h. wenigstens eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung, zugeordnet. Der Temperaturgradient wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens also typischerweise über wenigstens eine dem Formwerkzeug zuordenbare oder zugeordnete Temperiereinrichtung, welche zur Ausbildung des Temperaturgradienten eingerichtet ist, ausgebildet.
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Für den Fall, dass ein zu einer Seite offenes Formwerkzeug verwendet wird, wird ein zwischen einem Tieftemperaturbereich in einem Bereich einer die formgebende Kavität bodenseitig begrenzenden Bodenwandung und/oder in einem Bereich von die formgebende Kavität seitlich begrenzenden Seitenwandungen zu einem Hochtemperaturbereich in einem Bereich der freien Enden von die formgebende Kavität seitlich begrenzenden Seitenwandungen oder zu einem Hochtemperaturbereich in einem Bereich oberhalb der Öffnung des Formwerkzeugs verlaufender Temperaturgradient ausgebildet. Derart kann insbesondere sichergestellt werden, dass eine gerichtete Erstarrung der Formmaterialschmelze ausgehend von dem Bereich der Bodenwandung und/oder den Bereichen entsprechender Seitenwandungen in Richtung eines Bereichs der Öffnung des Formwerkzeugs möglich ist.
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Bezogen auf einen U-förmigen Querschnitt eines verwendeten Formwerkzeugs kann z.B. eine entsprechende die formgebende Kavität bodenseitig begrenzende Bodenwandung anders, d.h. typischerweise niedriger, temperiert werden als entsprechende die formgebende Kavität seitlich begrenzende Seitenwandungen. Die demzufolge einen Tieftemperaturbereich bildende bzw. darstellende Bodenwandung ist sonach kühler als die jeweilige Hochtemperaturbereiche bildenden bzw. darstellenden Seitenwandungen.
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Selbstverständlich kann, grundsätzlich unabhängig von der Querschnittsgeometrie des Formwerkzeugs, auch innerhalb entsprechender formwerkzeugseitiger Wandungen ein entsprechender Temperaturgradient gebildet werden; es ist also z. B. möglich, auch innerhalb entsprechender Seitenwandungen einen Hochtemperaturbereich und einen Tieftemperaturbereich auszubilden, so dass die Temperatur der Seitenwandungen z.B. von einem einer Bodenwandung zugewandten Abschnitt zu einem einer Bodenwandung abgewandten Abschnitt hin ansteigt. Gleiches gilt selbstverständlich für alle anderen, die formgebende Kavität begrenzenden Wandungen des Formwerkzeugs.
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Ganz allgemein ist bevorzugt, dass ein zwischen einem Tieftemperaturbereich in einem Bereich der in einem Bereich einer die formgebende Kavität bodenseitig begrenzenden Bodenwandung und/oder in einem Bereich von die formgebende Kavität seitlich begrenzenden Seitenwandungen erstarrenden Formmaterialschmelze oder in einem Bereich des in einem Bereich einer die formgebende Kavität bodenseitig begrenzenden Bodenwandung und/oder in einem Bereich von die formgebende Kavität seitlich begrenzenden Seitenwandungen erstarrten Formmaterials und einem Hochtemperaturbereich in einem Bereich der noch nicht erstarrten Formmaterialschmelze verlaufender Temperaturgradient ausgebildet wird. Hierdurch ist die weiter oben erwähnte, insbesondere von entsprechenden Wandungen des Formwerkzeugs in das Innere der formgebenden Kavität des Formwerkzeugs, gerichtete Erstarrung der Formmaterialschmelze ermöglicht. Dabei ist es möglich, dass der Temperaturgradient, d.h. insbesondere entsprechende Hoch- und/oder Tieftemperaturbereiche, in Abhängigkeit des jeweiligen Erstarrungsgrads der Formmaterialschmelze gegebenenfalls durch die Formmaterialschmelze „wandert“.
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Hinsichtlich der vorgenannten Hoch- und Tieftemperaturbereiche ist es grundsätzlich zweckmäßig, wenn in dem Hochtemperaturbereich eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Formmaterials und in dem Tieftemperaturbereich eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Formmaterials gewählt wird.
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Um den Auswirkungen von die Qualität des herzustellenden Gussformrohlings negativ beeinflussenden Schrumpfungen des Formmaterials beim Erstarren Rechnung zu tragen, kann ein Formwerkzeug mit wenigstens einem auf den freien Enden von die formgebende Kavität seitlich begrenzenden Seitenwandungen, diese verlängernd, anordenbaren oder angeordneten Seitenwandungsaufsatz verwendet werden. Über den Seitenwandungsaufsatz kann das Volumen der formgebenden Kavität des Formwerkzeugs gezielt vergrößert werden. Das Formwerkzeug kann sonach bis in den Bereich des Seitenwandungsaufsatzes und somit über einen durch das eigentliche Volumen der formgebenden Kavität definierten „maximalen Füllpegel des Formwerkzeugs“ mit dem Formmaterial befüllt werden. Mithin ist auch nach dem Erstarren der Formmaterialschmelze und der damit einhergehenden Schrumpfung des Formmaterials eine hinreichende, insbesondere vollständige, Befüllung der formgebenden Kavität des Formwerkzeugs gegeben, was eine durch die beschriebene mechanische Nachbearbeitung des Gussformrohlings erfolgende Fertigung einer maßhaltigen Gussform für den Verguss, insbesondere den Vakuumverguss, entsprechender Spulen für eine rotierende elektrische Maschine oder eine Magnetresonanzeinrichtung erlaubt. Selbstverständlich können zwischen dem Formwerkzeug, d.h. zwischen entsprechenden freien Enden entsprechender Seitenwandungen, und dem Seitenwandungsaufsatz geeignete Dichtelemente, wie z.B. Dichtringe, vorgesehen werden, welche einen unerwünschten Austritt von Formmaterialschmelze aus dem Formwerkzeug verhindern. Selbstverständlich können auch zwischen gegebenenfalls vorhandenen Einzelsegmenten eines segmentierten Seitenwandungsaufsatzes Dichtelemente vorgesehen sein.
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Im Bereich des Seitenwandungsaufsatzes befindliches erstarrtes Formmaterial wird typischerweise vor bzw. gegebenenfalls im Rahmen mit der Fertigung einer Gussform einhergehenden mechanischen Nachbearbeitung des Gussformrohlings entfernt.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung wenigstens eines aus einem schmelzbaren bzw. schmelzfähigen Formmaterial gebildeten Gussformrohlings, insbesondere wenigstens eines Gussformrohlings zur Ausbildung einer Gussform zum Vergießen von Spulen einer rotierenden elektrischen Maschine oder einer Magnetresonanzeinrichtung. Die Vorrichtung zeichnet sich durch wenigstens eine formgebende Kavität umfassendes Formwerkzeug und wenigstens eine dem Formwerkzeug zuordenbare oder zugeordnete Temperiereinrichtung, welche zur Ausbildung eines Temperaturgradienten innerhalb einer in der formgebenden Kavität befindlichen Formmaterialschmelze zur gezielten Beeinflussung der Erstarrung der Formmaterialschmelze eingerichtet ist, aus.
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Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, weshalb sämtliche vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren analog für die erfindungsgemäße Vorrichtung gelten.
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Das Formwerkzeug, bei welchem es sich zweckmäßig bereits um eine vorgenannte, die äußeren geometrischen Abmessungen der zu vergießenden Spulen umschließende äußere Rahmenstruktur handelt, kann zu einer Seite offen sein, wobei der Temperaturgradient zwischen einem Tieftemperaturbereich in einem Bereich der die formgebende Kavität bodenseitig begrenzenden Bodenwandung und/oder in einem Bereich von die formgebende Kavität seitlich begrenzenden Seitenwandungen zu einem Hochtemperaturbereich in einem Bereich der freien Enden von die formgebende Kavität seitlich begrenzenden Seitenwandungen oder in einem Bereich oberhalb der Öffnung des Formwerkzeugs verlaufend ausbildbar oder ausgebildet sein kann.
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Die Ausbildung des Temperaturgradienten erfolgt über dem Formwerkzeug zuordenbare oder zugeordnete Temperiereinrichtungen, d. h. insbesondere Heiz- und/oder Kühleinrichtungen. Die Temperiereinrichtungen stellen also ebenso einen Teil der Vorrichtung dar.
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Im Weiteren werden einige beispielhafte Anordnungsmöglichkeiten entsprechender Temperiereinrichtungen an oder in dem Formwerkzeug, respektive innerhalb oder außerhalb des Formwerkzeugs genannt.
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So ist es beispielsweise in einer betreffend die Anordnung der Temperiereinrichtung ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, dass wenigstens eine Temperiereinrichtung in bzw. innerhalb einer die formgebende Kavität bodenseitig begrenzenden Bodenwandung des Formwerkzeugs integriert ist und/oder wenigstens eine Temperiereinrichtung in bzw. innerhalb wenigstens einer die formgebende Kavität seitlich begrenzenden Seitenwandung des Formwerkzeugs integriert ist. Die Integration entsprechender Temperiereinrichtung in entsprechende Wandungen des Formwerkzeugs bedingt typischerweise einen vergleichsweise kompakten Aufbau des Formwerkzeugs sowie einen verbesserten Wärmeaustausch zwischen der Temperiereinrichtung und einem in der formwerkzeugseitigen formgebenden Kavität befindlichen Formmaterial bzw. einer in der formwerkzeugseitigen formgebenden Kavität befindlichen Formmaterialschmelze.
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Eine in eine entsprechende Wandung integrierte Temperiereinrichtung kann z. B. als Widerstandsheizelement ausgebildet sein oder ein solches umfassen, oder als Strahlungselement zur Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung ausgebildet sein oder ein solches umfassen, oder als eine von einem Temperierfluid durchströmbarer oder durchströmter Fluidkanalstruktur ausgebildet sein oder eine solche umfassen. Je nachdem, ob die Fluidkanalstruktur als Heiz- oder Kühleinrichtung genutzt werden soll, kann es sich bei dem Temperierfluid um ein Heizfluid, wie z. B. Heißdampf oder heißes Wasser (Heißwasser), oder ein Kühlfluid, wie z. B. kühles Gas (Kühlgas) oder Kühlwasser, handeln. Typischerweise ist die Fluidkanalstruktur aus einem thermisch gut leitfähigen, insbesondere metallischen, Material, wie z. B. Kupfer, gebildet.
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In einer betreffend die Anordnung der Temperiereinrichtung zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es denkbar, dass wenigstens eine Temperiereinrichtung an einer der formgebenden Kavität abgewandten Außenseite, insbesondere an der der formgebenden Kavität abgewandten Außenseite einer die formgebende Kavität bodenseitig begrenzenden Bodenwandung und/oder an einer der formgebenden Kavität abgewandten Außenseite wenigstens einer die formgebende Kavität seitlich begrenzenden Seitenwandung, angeordnet ist. Mithin kann das Formwerkzeug außenseitig zumindest abschnittsweise mit wenigstens einer entsprechenden Temperiereinrichtung versehen sein, was eine – beispielsweise im Falle von Servicearbeiten nützliche – gute Zugänglichkeit zu den Temperiereinrichtungen erlaubt.
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Zweckmäßig kann wenigstens eine Temperiereinrichtung, insbesondere eine Heizeinrichtung, der Öffnung des Formwerkzeugs gegenüber liegend gelagert anordenbar oder angeordnet sein. Derart ist eine im Hinblick auf eine entsprechend gerichtete Erstarrung der Formmaterialschmelze vorteilhafte Ausbildung eines zwischen einer entsprechenden Bodenwandung und entsprechenden Seitenwandungen des Formwerkzeugs ausgebildeten Temperaturgradienten möglich.
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Die der Öffnung des Formwerkzeugs gegenüber liegend gelagert anordenbare oder angeordnete Temperiereinrichtung kann zudem relativ zu dem Formwerkzeug bewegbar gelagert angeordnet sein. Die Temperiereinrichtung kann sonach auch in bzw. innerhalb der Formmaterialschmelze bewegt werden, und so je nachdem, ob sie als Heiz- oder Kühleinrichtung ausgebildet ist bzw. betrieben wird, bedarfsgerecht zu einem, gegebenenfalls bereichsweisen bzw. lokalen, Erstarren der Formmaterialschmelze oder zu einem, gegebenenfalls bereichsweisen bzw. lokalen, (Wieder-)Aufschmelzen von Formmaterial genutzt werden.
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Die Anordnung einer Temperiereinrichtung, d. h. insbesondere einer der Öffnung des Formwerkzeugs gegenüber liegend gelagert anordenbaren oder angeordneten Temperiereinrichtung, wie insbesondere auch die bewegbare Anordnung einer entsprechenden Temperiereinrichtung, erfolgt typischerweise über wenigstens eine, gegebenenfalls mit entsprechenden translatorischen und/oder rotatorischen Bewegungsfreiheitsgraden versehene, Lagereinrichtung.
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In dieser betreffend die Anordnung der Temperiereinrichtung zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Temperiereinrichtung z. B. als Heizeinrichtung, insbesondere als Heizgebläse oder als Widerstandsheizeinrichtung, ausgebildet sein oder eine solche umfassen, oder als eine von einem Temperierfluid durchströmbare oder durchströmte Fluidkanalstruktur ausgebildet sein oder eine solche umfassen. Hinsichtlich der Ausführung der Temperiereinrichtung als Fluidkanalstruktur gilt auch hier, dass diese, je nachdem, ob sie als Heiz- oder Kühleinrichtung genutzt werden soll, es sich bei dem Temperierfluid um ein Heizfluid, wie z.B. Heißdampf oder heißes Wasser (Heißwasser), oder ein Kühlfluid, wie z. B. kühles Gas (Kühlgas) oder Kühlwasser, handeln kann. Typischerweise ist die Fluidkanalstruktur aus einem thermisch gut leitfähigen, insbesondere metallischen, Material, wie z. B. Kupfer, gebildet.
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Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zudem wenigstens einen auf den freien Enden von die formgebende Kavität seitlich begrenzenden Seitenwandungen, diese, insbesondere axial, verlängernd, anordenbaren oder angeordneten Seitenwandungsaufsatz. Wie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits beschrieben, kann über einen entsprechenden Seitenwandungsaufsatz, welcher gegebenenfalls, wie es im Übrigen hinsichtlich des Formwerkzeugs in allgemeiner Weise auch möglich ist, mehrteilig ausgeführt sein kann, das Volumen des Formwerkzeugs gezielt vergrößert werden. Derart kann sichergestellt werden, dass auch nach dem Erstarren einer Formmaterialschmelze und der damit einhergehenden Schrumpfung des Formmaterials eine hinreichende, insbesondere vollständige, Befüllung der formgebenden Kavität des Formwerkzeugs gegeben ist. Zwischen dem Formwerkzeug und dem Seitenwandungsaufsatz können Dichtelemente, wie z. B. Dichtringe, angeordnet sein, welche einen unerwünschten Austritt von Formmaterialschmelze aus dem Formwerkzeug verhindern. Selbstverständlich können Dichtelemente auch zwischen gegebenenfalls vorhandenen Einzelsegmenten eines segmentierten Seitenwandungsaufsatzes vorgesehen sein.
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Um eine gezielte und kontrollierte Ausbildung eines entsprechenden Temperaturgradienten zu ermöglichen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zweckmäßig eine Steuereinrichtung umfassen, welche, insbesondere auf Grundlage wenigstens einer ermittelten, wenigstens einen Zustandsparameter, insbesondere die Temperatur, eines innerhalb der formgebenden Kavität befindlichen Formmaterials oder einer innerhalb der formgebenden Kavität befindlichen Formmaterialschmelze beschreibenden Zustandsinformation, zur gezielten Einstellung des Temperaturgradienten eingerichtet ist. Eine entsprechende Zustandsinformation kann beispielsweise basierend auf entsprechende Zustandsparameter beschreibenden Sensorinformationen, welche beispielsweise von formwerkzeugseitigen Sensoren, insbesondere Temperatursensoren, geliefert werden, ermittelt werden. Die Einstellung eines entsprechenden Temperaturgradienten umfasst dabei insbesondere eine Steuerung der Heiz- und/oder Kühlleistung entsprechender Temperiereinrichtungen. In diesem Zusammenhang kann auf Grundlage entsprechender in der Steuereinrichtung erzeugter Steuerbefehle beispielsweise eine Einstellung einer bestimmten Durchflussmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit oder der Temperatur eines durch eine Fluidkanalstruktur strömenden Temperierfluids erfolgen. Gleichermaßen kann auf Grundlage entsprechender in der Steuereinrichtung erzeugter Steuerbefehle ein gezielter Betrieb von Heizeinrichtungen, d. h. insbesondere Widerstandsheizelementen, erfolgen.
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Um einen guten Wärmeaustausch zwischen dem Formwerkzeug und einem innerhalb der formwerkzeugseitigen formgebenden Kavität befindlichen Formmaterial bzw. einer innerhalb der formgebenden Kavität befindlichen Formmaterialschmelze zu ermöglichen, ist das Formwerkzeug zweckmäßig aus einem thermisch gut leitfähigen, insbesondere metallischen, Material gebildet. Demzufolge kann das Formwerkzeug beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumverbindung oder Magnesium oder einer Magnesiumverbindung gebildet sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Herstellung wenigstens eines aus einem schmelzbaren Formmaterial gebildeten Gussformrohlings, insbesondere eines Gussformrohlings zur Ausbildung einer Gussform zum Vergießen von Spulen einer rotierenden elektrischen Maschine oder einer Magnetresonanzeinrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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2 eine Schnittansicht durch die in 1 gezeigte Vorrichtung.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung 1 zur Herstellung wenigstens eines aus einem schmelzbaren Formmaterial bzw. einer Formmaterialschmelze 2 gebildeten Gussformrohlings, insbesondere eines Gussformrohlings zur Ausbildung einer Gussform zum Vergießen von Spulen, insbesondere supraleitenden Spulen, einer rotierenden elektrischen Maschine oder einer Magnetresonanzeinrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Ausbildung einer solchen Gussform aus einem entsprechenden Gussformrohling erfolgt insbesondere durch mechanische Nachbearbeitung, d. h. beispielsweise Fräsen, eines entsprechenden Gussformrohlings.
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Die in 1 in einer perspektivischen Ansicht dargestellte Vorrichtung 1 umfasst ein querschnittlich U-förmiges Formwerkzeug 3 aus einem thermisch gut leitfähigen Material, wie z. B. Aluminium oder einer Aluminiumverbindung. Das Formwerkzeug 3 begrenzt durch eine Bodenwandung 4 und von dieser winklig, d. h. im Wesentlichen lotrecht, abragende Seitenwandungen 5, eine formgebende Kavität 6.
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Das Formwerkzeug 3 ist gleichermaßen als eine an die äußeren geometrischen Abmessungen von zu vergießenden oder vergossenen Spulen einer rotierenden elektrischen Maschine oder einer Magnetresonanzeinrichtung abbildende äußere Rahmenstruktur nutzbar bzw. wird als solche Rahmenstruktur genutzt. Mit anderen Worten kann auch eine solche Rahmenstruktur als Formwerkzeug 3 verwendet werden.
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2 zeigt eine Schnittansicht durch die in 1 gezeigte Vorrichtung 1. In der in 2 gezeigten Schnittansicht befindet sich innerhalb der formwerkzeugseitigen Kavität 6 eine auf einem Paraffin basierende Formmaterialschmelze 2.
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Anhand von 2 ist zu erkennen, dass das Formwerkzeug 3 mit einer Anzahl an Temperiereinrichtungen 7 zur Temperierung, d. h. Beheizung und/oder Kühlung, eines in der formgebenden Kavität 6 befindlichen Formmaterials bzw. einer in der formgebenden Kavität 6 befindlichen Formmaterialschmelze versehen ist. Zu den Temperiereinrichtungen 7 im Einzelnen:
Eine als Kühleinrichtung dienende Temperiereinrichtung 7 ist durch eine in einer Bodenplatte 8 ausgebildete, einen oder mehrere, insbesondere miteinander kommunizierende, Fluidkanäle umfassende Fluidkanalstruktur 9 gebildet. Die Fluidkanalstruktur 9 dient insbesondere der Kühlung einer in der formgebenden Kavität 6 befindlichen Formmaterialschmelze 2.
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Die Bodenplatte 8 ist form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig, d. h. in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Schraubverbindung, an der der formgebenden Kavität 6 abgewandten Außenseite der formwerkzeugseitigen Bodenwandung 4 befestigt. Die Bodenplatte 8 ist ebenso aus einem thermisch gut leitfähigen Material, d. h., wie auch das Formwerkzeug 3, aus Aluminium, gebildet. Die Fluidkanalstruktur 9 ist bzw. wird von einem Kühlfluid, insbesondere Kühlwasser, durchströmt. Selbstverständlich wäre es alternativ oder ergänzend auch denkbar, eine entsprechende Fluidkanalstruktur 9 innerhalb der formwerkzeugseitigen Bodenwandung 4 auszubilden und somit in das Formwerkzeug 3 zu integrieren.
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Bei einer Durchströmung der Fluidkanalstruktur 9 mit heißem Dampf oder heißem Wasser kann diese prinzipiell auch als Heizeinrichtung, insbesondere zum Aufschmelzen des Formmaterials in der formgebenden Kavität 6, verwendet werden.
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Als Heizeinrichtungen dienende Temperiereinrichtungen 7 sind jeweils als Widerstandsheizelemente 10 ausgebildet. Die Widerstandsheizelemente 10 dienen insbesondere der Beheizung eines in der formgebenden Kavität 6 befindlichen Formmaterials und sonach dem Aufschmelzen eines selbigen. Die Widerstandsheizelemente 10 können ebenso der Temperierung einer in der formgebenden Kavität 6 befindlichen Formmaterialschmelze 2 dienen.
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Die Widerstandsheizelemente 10 sind jeweils form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig, d. h. in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Klebeverbindung, an der formgebenden Kavität 6 abgewandten Außenseiten der formwerkzeugseitigen Seitenwandungen 5 befestigt.
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Entsprechende Widerstandsheizelemente 10 können alternativ oder zusätzlich auch in Form von Heizpatronen in Bohrungen der formgebenden Kavität 6 vorliegen.
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Eine ebenso als Heizeinrichtung dienende weitere Fluidkanalstruktur 11 ist gegenüber liegend der offenen Seite des Formwerkzeugs 3 und somit gegenüber liegend der der formgebenden Kavität 6 zugewandten Innenseite der Bodenwandung 4 angeordnet. Die weitere Fluidkanalstruktur 11 dient insbesondere der Beheizung einer innerhalb der formgebenden Kavität 6 befindlichen Formmaterialschmelze 2. Die weitere Fluidkanalstruktur 11 ist bzw. wird deshalb typischerweise von einem beheizten Fluid, insbesondere heißem Wasser(dampf), durchströmt.
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Die weitere Fluidkanalstruktur 11 ist über eine Lagereinerichtung 12 gelagert. Wie durch das Koordinatensystem angedeutet, ist die weitere Fluidkanalstruktur 11 über die Lagereinrichtung 12 in unterschiedlichen translatorischen und/oder rotatorischen Bewegungsfreiheitsgraden bewegbar gelagert angeordnet. Die weitere Fluidkanalstruktur 11 ist sonach relativ zu dem Formwerkzeug 3 bewegbar gelagert angeordnet. Die weitere Fluidkanalstruktur 11 kann sonach prinzipiell nach oben, unten, links, rechts, vorne, hinten bewegt werden. Die weitere Fluidkanalstruktur 11 ist aus einem thermisch gut leitfähigen Material, wie z. B. Kupfer, gebildet. In einfacher konzipierten Ausführungsbeispielen kann die weitere Fluidkanalstruktur 11 jedoch auch lagefest, d. h. unbewegbar gelagert angeordnet, sein.
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Der Betrieb sämtlicher Temperiereinrichtungen 7 erfolgt in koordinierter Weise über eine mit diesen kommunizierende Steuereinrichtung (nicht gezeigt). Die Steuereinrichtung ist dabei insbesondere dazu eingerichtet, den Betrieb der Temperiereinrichtungen 7 auf Grundlage wenigstens einer ermittelten, wenigstens einen Zustandsparameter, insbesondere die Temperatur, einer innerhalb der formgebenden Kavität 6 befindlichen Formmaterialschmelze 2 beschreibenden Zustandsinformation zu steuern. Selbstverständlich sind in der Steuereinrichtung hierfür geeignete Steuerungsalgorithmen hinterlegt. Eine entsprechende Zustandsinformation kann beispielsweise basierend auf entsprechende Zustandsparameter beschreibenden Sensorinformationen, welche beispielsweise von formwerkzeugseitigen Sensoren (nicht gezeigt), insbesondere Temperatursensoren, geliefert werden, ermittelt werden. Selbstverständlich kann der Betrieb einzelner, mehrerer oder aller Temperiereinrichtungen 7 auch manuell gesteuert erfolgen.
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Die Steuerung der Temperiereinrichtungen 7 umfasst dabei insbesondere eine Steuerung der Heiz- und/oder Kühlleistung entsprechender Temperiereinrichtungen. Auf Grundlage entsprechender in der Steuereinrichtung erzeugter Steuerbefehle kann beispielsweise eine Einstellung einer bestimmten Durchflussmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit oder der Temperatur eines durch eine Fluidkanalstruktur 9, 11 strömenden Temperierfluids erfolgen.
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Ersichtlich ist bzw. sind auf den freien Enden der formwerkzeugseitigen Seitenwandungen 5, diese axial bzw. nach oben hin verlängernd, ein bzw. einzelne Seitenwandungsaufsätze 13 angeordnet. Über die Seitenwandungsaufsätze 13 wird das Volumen der formgebenden Kavität 6 des Formwerkzeugs 3 gezielt vergrößert. Dies ist im Hinblick auf das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zweckmäßig. Zwischen den freien Enden der Seitenwandungen 5 und den Seitenwandungsaufsätzen 13 sind Dichtungen 14 angeordnet, welche einen unerwünschten Austritt von Formmaterialschmelze 2 aus dem Formwerkzeug 3 verhindern.
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Die in den Fig. dargestellte und vorstehend beschriebene Vorrichtung 1 ist funktionell wie auch strukturell zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung wenigstens eines aus einem schmelzbaren Formmaterial gebildeten Gussformrohlings, insbesondere eines Gussformrohlings zur Ausbildung einer Gussform zum Vergießen von Spulen einer rotierenden elektrischen Maschine oder einer Magnetresonanzeinrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet.
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Das Verfahren umfasst die Schritte: Aufschmelzen eines schmelzbaren Formmaterials innerhalb oder außerhalb der formgebenden Kavität 6 des Formwerkzeugs 3 unter Ausbildung einer Formmaterialschmelze 2 und Abkühlen der Formmaterialschmelze 2 in der formgebenden Kavität 6 des Formwerkzeugs 3 zur Ausbildung des Gussformrohlings, wobei zur gezielten Beeinflussung der Erstarrung der Formmaterialschmelze 2 ein die Erstarrung der Formmaterialschmelze 2 beeinflussender Temperaturgradient ausgebildet wird. Der Temperaturgradient wird durch eine über die Steuereinrichtung realisierbare oder realisierte besondere Ansteuerung der formwerkzeugseitigen Temperiereinrichtungen 7 gebildet bzw. gesteuert.
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Wie durch die Symbolik „T↑“ angedeutet, wird in Richtung der Pfeile ein zwischen einem Tieftemperaturbereich in einem Bereich der die formgebende Kavität 6 bodenseitig begrenzenden Bodenwandung 4 bzw. den die formgebende Kavität 6 seitlich begrenzenden Seitenwandungen 5 zu einem Hochtemperaturbereich in einem Bereich oberhalb der Öffnung des Formwerkzeugs 3 verlaufender Temperaturgradient ausgebildet.
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Die in dem Tieftemperaturbereich bzw. dem Hochtemperaturbereich konkret herrschenden Temperaturen hängen im Wesentlichen von dem Schmelzpunkt des aufzuschmelzenden Formmaterials bzw. dem Erstarrungspunkt der Formmaterialschmelze 2 ab. Grundsätzlich gilt dabei, dass die Temperatur in dem Tieftemperaturbereich unterhalb des Schmelz- bzw. unterhalb des Erstarrungspunkts und in dem Hochtemperaturbereich oberhalb des Schmelz- und sonach oberhalb des Erstarrungspunkts liegt.
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Im Rahmen des Verfahrens wird also, insbesondere während der Abkühlung der Formmaterialschmelze 2, innerhalb des Formwerkzeugs 3 bzw. innerhalb der Formmaterialschmelze 2 ein das Erstarren der Formmaterialschmelze 2 gezielt bzw. kontrolliert beeinflussender Temperaturgradient ausgebildet. Mit anderen Worten wird ein gezieltes bzw. kontrolliertes Erstarren der Formmaterialschmelze 2 erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass das Abkühlen der Formmaterialschmelze 2 auf Basis wenigstens eines vorgebbaren oder vorgegebenen Temperaturgradienten erfolgt.
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Die Ausbildung eines entsprechenden Temperaturgradienten ermöglicht insbesondere eine dem Temperaturgradienten folgende gerichtete Erstarrung der Formmaterialschmelze 2. Wie durch die Pfeile im Zusammenhang mit der Symbolik „T↑“ angedeutet, wird eine gerichtete Erstarrung der Formmaterialschmelze 2 ausgehend von dem Bereich der Bodenwandung 4 bzw. dem Bereich der Seitenwandungen 5 in Richtung des Bereichs der Öffnung des Formwerkzeugs 3 realisiert.
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Durch die Ausbildung eines entsprechenden Temperaturgradienten lässt sich der Problemkreise der starken Schrumpfung des Formmaterials bei dessen Abkühlung und Erstarrung sowie der Bildung von Einschlüssen, Hohlräumen etc., Herr werden, was insgesamt die Ausbildung qualitativ hochwertiger Gussformrohlinge ermöglicht.
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Bezogen auf den U-förmigen Querschnitt des Formwerkzeugs 3 wird die die formgebende Kavität 6 bodenseitig begrenzende Bodenwandung 4 anders, d. h. niedriger, temperiert werden als die die formgebende Kavität 6 seitlich begrenzenden Seitenwandungen 5. Die Bodenwandung 4 wird im Rahmen der Abkühlung und Erstarrung der Formmaterialschmelze 2 sonach gekühlt. Durch Wärmeleitung werden dabei auch die Seitenwandungen 5 zumindest bereichsweise gekühlt. Demnach kann z. B. auch innerhalb der Seitenwandungen 5 ein Temperaturgradient und sonach ein Hochtemperaturbereich und ein Tieftemperaturbereich ausgebildet werden, so dass die Temperatur der Seitenwandungen 5 z. B. von einem einer Bodenwandung 4 zugewandten Abschnitt zu einem einer Bodenwandung 4 abgewandten Abschnitt hin ansteigt.
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Im Rahmen des Verfahrens ist es allgemein bevorzugt, dass ein zwischen einem Tieftemperaturbereich der in einem Bereich der Bodenwandung 4 bzw. der Seitenwandungen 5 erstarrenden Formmaterialschmelze 2 bzw. des in einem Bereich der Bodenwandung 4 bzw. in einem Bereich der Seitenwandungen 5 erstarrten Formmaterials und einem Hochtemperaturbereich in einem Bereich der noch nicht erstarrten Formmaterialschmelze 2 verlaufender Temperaturgradient ausgebildet wird. Hierdurch ist die erwähnte gerichtete Erstarrung der Formmaterialschmelze 2 möglich. Gleichermaßen kann der Temperaturgradient, d.h. insbesondere entsprechende Hoch- und/oder Tieftemperaturbereiche, in Abhängigkeit des jeweiligen Erstarrungsgrads der Formmaterialschmelze 2 gegebenenfalls durch die Formmaterialschmelze 2 „wandern“.
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Das im Rahmen der Abkühlung bzw. der Erstarrung der Formmaterialschmelze 2 erfolgende Kühlen der Bodenwandung 4 bzw. allgemein bodenwandungsseitiger Bereiche des Formwerkzeugs 3 respektive der Seitenwandungen 5 bzw. seitenwandungsseitiger Bereiche des Formwerkzeugs 3 bedingt, dass die Formmaterialschmelze 2 hier zuerst erstarrt. Dadurch kann die Volumenabnahme des Formmaterials durch nachfließendes Material aus im Vergleich wärmeren Bereichen kompensiert werden, ohne dass das bereits erstarrte Formmaterial mechanische Spannungen erfährt und deformiert wird. Insbesondere kann derart auch eine schrumpfungsbedingte Spaltbildung zwischen dem erstarrten Formmaterial und den Wandungen des Formwerkzeugs 3 unterbunden bzw. zumindest reduziert werden.
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Das im Rahmen der Abkühlung bzw. der Erstarrung der Formmaterialschmelze 2 erfolgende Beheizen des oder eines Teils der Formmaterialschmelze 2 bedingt, dass ein Teil, d. h. insbesondere der obere Teil, der Formmaterialschmelze 2 bis zur vollständigen Abkühlung bzw. Erstarrung der Formmaterialschmelze 2 flüssig bleibt. Die freiliegende Deckschicht der Formmaterialschmelze 2 wird sonach zuletzt abgekühlt bzw. erstarrt zuletzt. Derart kann die ansonsten unvermeidliche Ausbildung von Einschlüssen, Hohlräumen etc. unterbunden bzw. zumindest reduziert werden.
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Im Rahmen des Verfahrens wird typischerweise ein natürliches oder synthetisches Paraffin oder Wachs als Formmaterial zur Herstellung des Gussformrohlings verwendet, da Paraffine bzw. Wachse Vorteile im Hinblick auf die mechanische Nachbearbeitung eines hergestellten Gussformrohlings sowie im Hinblick auf den Einsatz einer aus einem Gussformrohling gefertigten Gussform im Rahmen des Vergusses entsprechender Spulen von rotierenden elektrischen Maschinen oder Magnetresonanzeinrichtungen zeigen.
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Um den Auswirkungen von die Qualität des herzustellenden Gussformrohlings negativ beeinflussenden Schrumpfungen des Formmaterials beim Abkühlen bzw. Erstarren der Formmaterialschmelze 2 Rechnung zu tragen, werden im Rahmen des Verfahrens auf den freien Enden der formwerkzeugseitigen Seitenwandungen 5, diese axial bzw. vertikal verlängernd, Seitenwandungsaufsätze 13 angeordnet. Wie erwähnt, kann das Volumen der formgebenden Kavität 6 des Formwerkzeugs 3 über entsprechende Seitenwandungsaufsätze 13 gezielt vergrößert werden.
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Das Formwerkzeug 3 kann sonach über die formgebende Kavität 6 hinaus bis in den Bereich des Seitenwandungsaufsatzes 13 mit dem Formmaterial und somit über einen durch das eigentliche Volumen der formgebenden Kavität 6 definierten „maximalen Füllpegel“ des Formwerkzeugs 3 befüllt werden. Mithin ist auch nach dem Erstarren der Formmaterialschmelze 2 und der damit einhergehenden Schrumpfung des Formmaterials eine hinreichende, insbesondere vollständige, Befüllung der formgebenden Kavität 6 gegeben, was eine durch eine mechanische Nachbearbeitung des hergestellten Gussformrohlings erfolgende Fertigung einer maßhaltigen Gussform für den Verguss, insbesondere den Vakuumverguss, entsprechender Spulen für eine rotierende elektrische Maschine oder eine Magnetresonanzeinrichtung erlaubt.
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Im Bereich des Seitenwandungsaufsatzes 13 befindliches erstarrtes Formmaterial wird typischerweise vor bzw. gegebenenfalls im Rahmen der mit der Fertigung der Gussform einhergehenden mechanischen Nachbearbeitung des Gussformrohlings entfernt.
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Ersichtlich befindet sich auch die weitere Fluidkanalstruktur 11 in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 im Bereich des Seitenwandungsaufsatzes 13 und somit oberhalb der eigentlichen formgebenden Kavität 6 des Formwerkzeugs 3. Derart kann eine möglicherweise vorhandene, durch die weitere Fluidkanalstruktur 11 in die Deckschicht des erstarrten Formmaterials eingebrachte, die Außenkontur der weiteren Fluidkanalstruktur 11 abbildende muldenartige Vertiefung in einem Bereich des Gussformrohlings gebildet werden, welcher Bereich im Rahmen der mechanischen Nachbearbeitung des Gussformrohlings zur Fertigung der Gussform ohnehin entfernt wird.
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Das über die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 implementierbare erfindungsgemäße Verfahren erlaubt sonach die Herstellung von qualitativ hochwertigen Gussformrohlingen. Die aus den Gussformrohlingen gefertigten Gussformen sind für den Vakuumverguss von Spulen für rotierende elektrische Maschinen oder Magnetresonanzeinrichtungen geeignet.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
