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Die Erfindung betrifft eine wiederverwendbare Druckgussform bzw. ein Druckgusswerkzeug in Schalenbauweise zur Herstellung metallischer Druckgussbauteile, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Druckgussformen in Schalenbauweise bekannt, die eine die Kontur des herzustellenden Druckgussbauteils abbildende Schale bzw. Maske aufweisen. Solche Druckgussformen werden auch als Schalengießwerkzeuge bezeichnet und haben gegenüber konventionellen Druckgussformen zahlreiche Vorteile. Zum Stand der Technik wird auf die Patentschriften
DE 10 2011 111 583 A1 und
DE 10 2012 024 051 A1 hingewiesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Druckgussform in Schalenbauweise anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Druckgussform entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Druckgussform ergeben sich sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Die erfindungsgemäße Druckgussform zur Herstellung metallischer Druckgussbauteile weist wenigstens ein den Formhohlraum begrenzendes sowie konturvorgebendes (d. h. die Kontur wenigstens eines herzustellendenden Druckgussbauteil abbildendes) Schalenelement auf, sowie wenigstens eine Tragstruktur, an der das Schalenelement befestigt ist. Das Schalenelement weist einen Schichtaufbau auf, mit zwei aus unterschiedlichen Materialien gebildeten und miteinander verbundenen Schichten, wobei die direkt mit der Metallschmelze in Kontakt gelangende obere Schicht bzw. Deckschicht aus einem verschleißfesten Material und die darunter befindliche untere Schicht bzw. Trägerschicht aus einem Material mit guten Wärmeleitungseigenschaften gebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Druckgussform kann in an und für sich bekannter Weise mehrere zueinander relativbewegliche Werkzeugteile aufweisen, die zwischen sich den Formhohlraum bilden, wobei durch Trennung der Werkzeugteile Zugang zum Formhohlraum ermöglicht wird. Jedes der Werkzeugteile kann wenigstens ein mit entsprechendem Schichtaufbau ausgebildetes Schalenelement und wenigstens eine dieses Schalenelement tragende Tragstruktur aufweisen. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Druckgussform in einer Druckgussmaschine eingebaut.
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Unter einem Schalenelement wird ein die Schale bildendes, formgebendes Konturelement verstanden, das formstabil und in Bezug auf die formvorgebende Schalenoberfläche vergleichsweise dünn ausgebildet ist. Die Schale und ein die Schale bildendes Schalenelement weist bspw. eine maximale Dicke von 80 mm, bevorzugt 60 mm, besonders bevorzugt 50 mm und insbesondere 40 mm auf.
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Unter einer Tragstruktur wird eine das Schalenelement aufnehmende und abstützende Stützstruktur verstanden. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen Grundkörper und insbesondere um einen Grundkörper mit Rippenstruktur (bspw. wie aus der
DE 10 2012 024 051 A1 und der
DE 10 2011 111 583 A1 bekannt).
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Bevorzugt ist die Schale der erfindungsgemäßen Druckgussform bzw. sind die die Schale bildenden Schalenelemente durch wenigstens eine zur Druckgussform gehörende Kühleinrichtung aktiv kühlbar, um eine definierte Abkühlung der in den Formhohlraum eingefüllten Metallschmelze zu ermöglichen. Eine Kühleinrichtung kann bspw. ein in der Tragstruktur angeordneter Kühlkanal oder eine Kühlbohrung sein. Ebenso kann es sich auch um eine Sprüheinrichtung handeln, mit der die Rückseite (die Rückseite ist die von der mit der Metallschmelze in Kontakt bzw. in Berührung gelangende Oberseite abgewandte Seite) der Schale bzw. des Schalenelements mit Kühlfluid (bspw. Luft und insbesondere Wasser) beaufschlagbar ist, wozu die Tragstruktur entsprechend ausgebildet ist. Aus dem Stand der Technik sind weitere Kühleinrichtungen bekannt. Die erfindungsgemäße Druckgussform kann insofern auch als kühlbare Druckgussform bezeichnet werden.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Schalenelement und sind bevorzugt alle die Schale bildenden Schalenelemente (d. h. die gesamte Schale) mit einem zweischichtigen Schichtaufbau bzw. Sandwichaufbau ausgebildet, derart, dass die direkt mit der Metallschmelze in Kontakt gelangende Deckschicht aus einem verschleißfesten Material bzw. Werkstoff und die darunter befindliche Trägerschicht aus einem anderen Material bzw. Werkstoff mit guten und insbesondere hervorragenden Wärmeleitungseigenschaften gebildet ist. Unter einem Material mit guten Wärmeleitungseigenschaften wird insbesondere ein Material verstanden, das bezüglich des die Deckschicht bildenden Materials wenigstens die 3-fache, bevorzugt wenigstens die 5-fache und insbesondere wenigstens die 7-fache Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Ein solches Schalenelement besteht demnach aus einem zweilagigen Werkstoffverbund, wobei die Materiallagen bzw. Schichten im Wesentlichen vollflächig (d. h. über ihre gesamten einander zugewandten Kontaktflächen bzw. über die gesamte Verbindungsfläche) durch Kraft-, Form- und/oder Stoffschluss miteinander verbunden sein können, wie nachfolgend noch näher erläutert, um eine optimale Wärmeübertragung zu gewährleisten und eine Luftspaltbildung zu vermeiden. Beide Schichten, d. h. sowohl die Deckschicht als auch die Trägerschicht, sind aus einem unter Betriebsbedingungen (d. h. bei Arbeitstemperatur) festen Materialien gebildet, wofür nachfolgend im Zusammenhang mit bevorzugten Weiterbildungen und Ausgestaltungen noch einige Beispiele genannt werden. Bevorzugt weist das Schalenelement und insbesondere die gesamte Schale eine homogene Dicke auf.
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Ein zweischichtiger Schalenaufbau ermöglicht die Bereitstellung einer mit der Metallschmelze in Kontakt gelangenden Formhohlraumoberfläche mit einer hervorragenden Verschleißfestigkeit, worunter insbesondere eine Rissfestigkeit, Druckfestigkeit, Hitzebeständigkeit (bspw. kann eine in den Formhohlraum eingefüllte Aluminiumschmelze eine Temperatur von ca. 700° C aufweisen), Temperaturwechselbeständigkeit, Abrasionsbeständigkeit, chemische Beständigkeit und dergleichen verstanden wird. Da die für die Deckschicht geeigneten Materialien gegebenenfalls nur eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen, ist eine Trägerschicht aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit vorgesehen, mit der eine schlechte Wärmeleitfähigkeit der Deckschicht kompensiert und/oder die Wärmeleitung durch beide Schichten gegenüber einem konventionellen Schalenaufbau sogar noch verbessert wird, so dass hohe Abkühlgeschwindigkeiten und kurze Taktzeiten ermöglicht werden. Ferner werden auch eine gleichmäßigere Abkühlung des Druckgussbauteils bzw. Gusswerkstücks und eine insgesamt geringere Werkzeugbelastung erreicht. Aufgrund des zweischichtigen Aufbaus, wobei die untere Schicht quasi als Trägerschicht für die Deckschicht fungiert, hält die Schale bzw. das Schalenelement zudem hohen Gießdrücken stand und ist äußerst formstabil. Dies ist keine abschließende Aufzählung von Vorteilen, die mit der Erfindung einhergehen.
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Die Erfindung ist prinzipiell auch für Kunststoff-Spritzgießwerkzeuge geeignet, wobei die erfindungsgemäßen Vorteile aufgrund der insgesamt geringeren Werkzeugbelastung nur in einem verminderten Umfang eintreten.
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Die Deckschicht ist bevorzugt aus einem keramischen Material oder aus einem Stahlmaterial gebildet. Das verwendete Stahlmaterial weist insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, bspw. von mindestens 60 W/(m·K). Die Deckschicht weist bevorzugt eine maximale Dicke von 20 mm, bevorzugt 15 mm und insbesondere 10 mm auf. Die Trägerschicht weist bevorzugt eine hiervor abweichende Dicke auf, so dass die Schichten bevorzugt mit unterschiedlicher Dicke (worunter gegebenenfalls auch eine gemittelte Dicke verstanden wird) ausgebildet sind.
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Die Trägerschicht ist bevorzugt aus einem Kupfermaterial gebildet, das insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 300 W/(m·K) bei hinreichender Festigkeit aufweist. Bei dem Kupfermaterial kann es sich auch um eine Kupferlegierung, wie bspw. eine Kupfer-Beryllium-Legierung oder Kupfer-Nickel-Legierung handeln. Die Trägerschicht kann außerdem aus einem Wolfram- oder Molybdänmaterial gebildet sein.
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Die beiden Schichten des Schalenelements können an der Verbindungsfläche mittels ineinandergreifender Verrippungen formschlüssig miteinander gefügt sein. Diese Art einer formschlüssigen Verbindung zwischen den Schichten erfolgt vorzugsweise mittels einer Vielzahl von Verrippungselementen, die verteilt und insbesondere gleichmäßig verteilt an den einander zugewandten Kontaktflächen der Schichten ausgebildet sind. Bevorzugt sind die beiden Schichten mittels Presspassung zwischen den Verrippungselementen auch kraftschlüssig miteinander gefügt. Durch die ineinandergreifenden Verrippungen wird die zur Verfügung stehende Wärmeübertragungsfläche zwischen den beiden Schichten vergrößert. Ferner werden die Verrippungselemente aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schichtmaterialien unter Betriebsbedingungen (d. h. bei Arbeitstemperatur) miteinander verpresst (d. h. Herbeiführung eines Kraftschlusses), wodurch eine Luftspaltbildung zwischen den Schichten äußerst effektiv verhindert wird. Bevorzugt wird die Geometrie der Verrippungselemente so gewählt, dass ein einfaches Verbinden der Schichten, bspw. durch Aufschrumpfen (unter Berücksichtigung der Arbeitstemperatur, um ein Lösen im Betrieb zur verhindern), möglich ist. Die Verrippungselemente können im Querschnitt bspw. rechteckig (quaderförmig), dreieckig (sägezahnförmig), bogen- bzw. halbkreisförmig oder dergleichen ausgebildet sein. Der mit den Verrippungselementen herbeigeführte Formschluss kann im Übrigen aber auch hinterschnittig ausgebildet sein.
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Zwischen den beiden Schichten des Schalenelements kann eine pastöse Wärmeleitschicht bzw. Wärmeleitpaste (oder dergleichen) eingebracht sein, die den Wärmeübergangswiderstand verringert und/oder ein Luftziehen (Luftspaltbildung) verhindert. Bevorzugt handelt es sich um ein dilatantes Fluid, das sich je nach thermischer Belastung der Form so anpasst, dass keine Luftspaltbildung auftritt.
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Die beiden Schichten des Schalenelements können an der Verbindungsfläche, insbesondere vollflächig, miteinander stoffschlüssig gefügt sein, was insbesondere auch ergänzend zu einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung erfolgen kann. Eine stoffschlüssige Fügeverbindung ist insbesondere eine zwischen den Schichten ausgebildete Diffusionsschicht.
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Die Trägerschicht eines Schalenelements kann aus mehreren Segmenten gebildet sein. Insbesondere bei einer komplexen Geometrie (bspw. bei starken Flächenkrümmungen) kann dadurch die Herstellung oder gegebenenfalls auch Reparatur des Schalenelements vereinfacht werden.
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Bevorzugt ist die durch die Trägerschicht gebildete Rückseite des Schalenelements für eine bestmögliche Wärmeabgabe, insbesondere für eine Kühlung mittels Sprüheinrichtung oder dergleichen, ausgebildet, wozu die Rückseite bspw. angeformte Rippen, eine raue Oberfläche und/oder eine poröse Oberflächenstruktur aufweisen kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die schematischen und nicht maßstabsgerechten Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können einzeln oder in Kombination, auch unabhängig von gezeigten Merkmalskombinationen, den Erfindungsgegenstand weiterbilden.
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1 zeigt in einer Schnittdarstellung ein zu einer erfindungsgemäßen Druckgussform gehörendes Werkzeugteil.
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2 zeigt in einer Schnittdarstellung eine erste Ausführungsmöglichkeit für ein zweischichtiges Schalenelement.
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3 zeigt in einer Schnittdarstellung eine zweite Ausführungsmöglichkeit für ein zweischichtiges Schalenelement.
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1 zeigt ein zu einer erfindungsgemäßen Druckgussform gehörendes Werkzeugteil 100, das ein Schalenelement 110 und eine Tragstruktur 120, an der das Schalenelement 110 befestigt ist, aufweist. Das Schalenelement 110 ist mittels Kühleinrichtungen, wobei es sich bspw. um Kühlkanäle 131 oder um Sprüheinrichtungen 132 handeln kann, kühlbar. Die Druckgussform kann ferner ein nicht gezeigtes Gieß- bzw. Angusssystem sowie Auswerfer für das Druckgussbauteil aufweisen.
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Das Schalenelement 110 weist einen Schichtaufbau auf, mit zwei aus unterschiedlichen Materialien gebildeten und miteinander verbundenen Schichten 112 und 113, wobei die direkt mit der Metallschmelze in Kontakt gelangende Deckschicht bzw. Oberschicht 112 aus einem verschleißfesten Material und die darunter befindliche Trägerschicht bzw. Unterschicht 113 aus einem Material mit guten Wärmeleitungseigenschaften gebildet ist. Dadurch können unterschiedliche Eigenschaften (bspw. mechanische Festigkeit, Hitzebeständigkeit, Temperaturwechsel- und Thermoschockbeständigkeit, Wärmeleitungsvermögen und dergleichen) verschiedener Materialien bzw. Werkstoffe durch Kombination ideal genutzt werden. Die miteinander verbundenen Schichten 112 und 113 können auch als Oberschale und Unterschale bezeichnet werden.
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2 zeigt eine erste Ausführungsmöglichkeit eines zweischichtigen Schalenelements 110, wobei nur ein Ausschnitt entsprechend dem in 1 mit A gekennzeichneten Bereich dargestellt ist. Die obere Schicht 112 ist bspw. aus einem Stahlmaterial gebildet und die untere Schicht 113 ist bspw. aus einem Kupfermaterial gebildet. Die durch die Deckschicht 112 gebildete Oberseite 111 bildet einen Teil der Formhohlraumoberfläche. Die durch die Trägerschicht 113 gebildete Rückseite 114 kann für eine bestmögliche Wärmeabgabe ausgebildet sein, um die durch das Schalenelement 110 durchgeleitete Wärme Q, insbesondere durch Kühlung mittels Sprüheinrichtung 132, optimal abführen zu können, wozu die Rückseite 114 bspw. eine Rippenanordnung (oder dergleichen), eine raue Oberfläche und/oder eine poröse Oberflächenstruktur aufweisen kann. Ferner ist die Trägerschicht 113 segmentiert ausgebildet und umfasst mehrere Segmente 113a und 113b.
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Die beiden Schichten 112 und 113 sind mittels formschlüssig ineinandergreifender Verrippungen verzahnungsartig miteinander gefügt. Die sich im Wesentlichen über die gesamte Verbindungsfläche erstreckenden Verrippungselemente sind quaderförmig bzw. im Querschnitt rechteckig ausgebildet. Durch die ineinandergreifenden Verrippungselemente wird die zur Verfügung stehende Wärmeübertragungsfläche zwischen den beiden Schichten 112 und 113 vergrößert. Ferner werden die Verrippungselemente aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schichtmaterialien unter Betriebsbedingungen miteinander verpresst (wobei insbesondere ein Kraftschluss quer zur Wärmedurchtrittsrichtung Q herbeigeführt wird), wodurch eine Luftspaltbildung zwischen den Schichten 112 und 113 äußerst effektiv unterbunden wird. Da die Trägerschicht 113 aufgrund der Verzahnung an vielen Stellen bis nah an die Oberseite 111 heranreicht, wird eine sehr gute Wärmeableitung und Kühlung ermöglicht.
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Ergänzend kann sich zwischen den beiden Schichten 112 und 113 des Schalenelements 110 eine Wärmeleitpaste 115 oder dergleichen befinden. Ebenso können die beiden Schichten 112 und 113 des Schalenelements 110 an der Verbindungsfläche und insbesondere im Wesentlichen über die gesamte Verbindungsfläche stoffschlüssig gefügt sein, wie mit dem Bezugszeichen 116 angedeutet.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsmöglichkeit, bei der die die Schichten 112 und 113 formschlüssig verbindenden Verrippungselemente im Querschnitt dreieckig bzw. sägezahnförmig ausgebildet sind. Im Übrigen gelten analog die vorausgehenden Erläuterungen in Bezug auf die in 2 gezeigte Ausführungsmöglichkeit.
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Die Vorteile der Erfindung sind u. a. eine verbesserte Wärmeabfuhr (insbesondere über der gesamten Schale, d. h. nicht nur lokal) und geringe Taktzeiten, sowie ein geringer Verschleiß bei einer hohen Schalen- und Werkzeugfestigkeit, die zumindest herkömmlichen Druckgussformen bzw. Druckgusswerkzeugen entspricht. Durch die verbesserte Wärmeabfuhr kann außerdem die Erstarrung genauer beeinflusst, die Nachspeisung verbessert und Schwindungsporosität am Druckgussbauteil verringert werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus der Möglichkeit, lediglich eine verschlissene oder defekte Deckschicht austauschen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Werkzeugteil (Druckgussform)
- 110
- Schalenelement (Schale)
- 111
- Oberseite
- 112
- Deckschicht (Oberschicht)
- 113
- Trägerschicht (Unterschicht)
- 114
- Rückseite
- 115
- Wärmeleitpaste
- 116
- stoffschlüssige Verbindung
- 120
- Tragstruktur
- 131
- Kühleinrichtung
- 132
- Kühleinrichtung
- Q
- Wärme (Wärmestrom)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011111583 A1 [0002, 0008]
- DE 102012024051 A1 [0002, 0008]
