DE102015100861B4 - Heißkanal für eine Druckgussvorrichtung und Betriebsverfahren dafür - Google Patents

Abstract

Heißkanal (20) zum Transport einer Metallschmelze (S) aus Gießmetall, geeignet zum Einbau in die feste Werkzeughälfte einer Warmkammer-Druckgussvorrichtung für den Metalldruckguss, verbunden mit einem Düsenkanal (37) von mindestens einer Druckgussdüse (26), dadurch gekennzeichnet, dass jede Druckgussdüse (26) mit einem entlang der Achse ihres Düsenkanals (37) positionierten Heizelement ausgestattet ist, wobei ein Teil dieses Heizelements bis in den Bereich einer am Ende des Düsenkanals (37) befindlichen Angussöffnung (38) reicht, sodass der Düsenkanal (37) eine spaltförmige Gestalt mit dem Volumen Verhält, wobei der Heißkanal (20) als einteiliger, zweiteiliger oder mehrteiliger Einsatz (22, 24, 31) ausgeführt ist, der aus einem gegenüber der Metallschmelze chemisch resistenten Material mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht oder zumindest mit einem solchen Material ausgekleidet ist, wobei die Wandung des Düsenkanals (37) der mindestens einen Druckgussdüse (26) durch einen passgerecht in einer Aussparung des Einsatzes (22, 24, 31) positionierten hohlzylinderartigen Düseneinsatz (27) gebildet wird, welcher aus einem gegenüber der Metallschmelze chemisch resistenten Material mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit besteht und eine hohe thermische Dynamik des Gießmetalls im Düsenkanal (37) gewährleistet.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft den Metalldruckguss und umfasst einen Heißkanal für eine Warmkammer-Druckgussvorrichtung und ein Verfahren zu deren Betrieb.
• Stand der Technik
• Druckgießen erlaubt die Fertigung von Formteilen aus Nichteisen-Metallen mit kurzer Taktzeit und sehr guter Qualität. Gussteile beliebiger Gestalt, insbesondere dünnwandige Gussteile mit hoher Maßgenauigkeit, glatter Oberfläche und komplexer Geometrie sind unkompliziert herstellbar.
• Der Warmkammer-Metalldruckguss eignet sich für niedrigschmelzende Nichteisen-Metalle, insbesondere Zink, Magnesium, Blei und Zinn. Im Allgemeinen werden anstelle der reinen Metalle Legierungen derselben mit optimierten Eigenschaften eingesetzt, die geringe Mengen weiterer Elemente enthalten können. Die für den industriellen Einsatz zugelassenen Legierungen sind in europäischen und internationalen Normen geregelt. Insbesondere regelt die Norm EN 1774 die zugelassenen Zink-Legierungen, die als ZAMAK bekannt sind. Der Begriff Gießmetall umfasst in dieser Anmeldung sowohl reine Metalle als auch Legierungen.
• Bei bekannten Warmkammer-Druckgussverfahren wird das geschmolzene Gießmetall von einem Gießbehälter über einen Heißkanal, der in Verbindung mit mindestens einer Druckgussdüse steht, unter hohem Druck einer Gießform (gebildet durch eine feste und eine bewegliche Werkzeughälfte) zugeführt. Die Temperatur der Gießform liegt wesentlich unterhalb der Schmelztemperatur des Gießmetalls, sodass dieses in der Gießform erstarrt und das gewünschte feste Formteil bildet. Dieses wird nach Trennung der beiden Werkzeughälften aus der Gießform entfernt, z. B. als frei fallendes Formteil ausgestoßen. Die Werkzeughälften werden dann wieder zusammengeführt und ein neuer Gießvorgang gestartet. Typisehe Temperaturen sind 160°C für die feste und 120°C für die bewegliche Werkzeughälfte.
• Ebenso ist es möglich, die bewegliche Werkzeughälfte als geteilte Dauerform auszubilden. Hierbei wird die Gießform durch Teile der beweglichen Werkzeughälfte gebildet. Sie befindet sich also vollständig innerhalb der beweglichen Werkzeughälfte und weist einen Kanal auf, der beim Auffahren auf die feste Werkzeughälfte mit einer Angussöffnung der Druckgussdüse verbunden wird.
• Die Werkzeughälften sind aus Werkzeugstahl gefertigt. Dafür geeignete Stahlsorten umfassen die Warmarbeitsstähle X38CrMo5-1 (Böhler W400), X38CrMo5-3 (Böhler W403), X38CrMoV5-1 (Böhler W300), X40CrMoV5-1 (Böhler W302), X38CrMoV5-3 (Böhler W303), deren Wärmeleitfähigkeiten bei 400°C ca. 30 W/m·K betragen. Besonders geeignete Stähle sind X3NiCoMoTi18-9-5, X2NiCoMo18-9-5 und X3NiCoMo18-8-5, die von der Firma Böhler unter der Bezeichnung W720 ausdrücklich für Zink- und Aluminiumdruckgusswerkzeuge empfohlen werden. Sie weisen eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit von 19 W/m·K bei 500°C auf.
• Der Heißkanal wird zur Steigerung der Produktivität in der Regel als verzweigter Heißkanal ausgeführt. Ein Hauptkanal verzweigt sich dabei in mehrere Teilkanäle, die jeweils in einer Druckgussdüse enden. Solche verzweigten Heißkanäle sind vorteilhaft einsetzbar beim Zinkdruckguss sowie beim Druckguss kleiner Magnesiumteile im Warmkammerverfahren.
• Ein Nachteil der bekannten Verfahren ist der sogenannte Anguss, bestehend aus Gießmetall, das im düsennahen Bereich des Heißkanals, im Bereich der Druckgussdüse und in dem zur Gießform führenden Kanal erstarrt. Er kann 40 % bis 100 %, in manchen Fällen, z. B. bei kleinen Gussteilen, sogar ein Mehrfaches der Masse des Gussteils ausmachen. Der Anguss wird entweder verworfen oder nach erneutem Aufschmelzen dem Prozess wieder zugeführt. Beides ist mit einem unerwünscht hohen Material- bzw. Energieverbrauch verbunden. Auch eine Materialdegradation durch Schlacken- und/oder Oxidbildung ist möglich. (Beim Druckguss von Magnesium kann der Anguss nicht direkt wieder aufgeschmolzen werden, sondern muss aufwendig recycelt werden.) Es besteht daher ein dringender Bedarf für ein angussloses oder zumindest angussarmes Druckgussverfahren, das für alle im Metalldruckguss verwendeten Metalle einsetzbar ist.
• Im Stand der Technik wurden bereits mehrere Druckgussverfahren beschrieben, die darauf abzielen, den unerwünschten Anguss zu vermeiden oder zumindest so weit wie möglich zu reduzieren (angussloser Druckguss). Diese bekannten Verfahren und ihre Nachteile werden nachfolgend beschrieben.
• Im einfachsten Verfahren wird der in einer Druckgussdüse endende Heißkanal permanent beheizt, sodass es nicht zum Erstarren des Gießmetalls kommt. Das Gießmetall wird im Heißkanal und im Kanal der sich anschließenden Druckgussdüse permanent flüssiggehalten.
• Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass in der Zeitspanne, während der die beiden Werkzeughälften voneinander getrennt sind, Gießmetall aus der Angussöffnung der Druckgussdüse ausfließt, auf der Oberfläche der festen Werkzeughälfte erstarrt und deren Kontur verändert. Da die feste und die bewegliche Werkzeughälfte dann nicht mehr dichtschließend verbunden werden könnten, muss ein solches Ausfließen und Erstarren zuverlässig verhindert werden.
• Der unerwünschte Ausfluss von Gießmetall aus der Angussöffnung ist verhinderbar, wenn ein kleines Volumen von Gießmetall im Düsenkanal zum Erstarren gebracht wird und einen während der Trennung der beiden Werkzeughälften als Verschluss der Angussöffnung wirkenden Pfropfen bildet, der zu Beginn des nachfolgenden Gießvorgangs sofort wieder aufgeschmolzen wird. Es werden somit Vorrichtungen und Betriebsverfahren benötigt, die das schnelle wechselweise Erstarren und Aufschmelzen eines solchen Pfropfens gewährleisten.
• Vorrichtungen dazu wurden insbesondere in den Druckschriften DE 10 2005 042 867 A1 (Bühler Druckguss AG) und EP 1 201 335 A1 (Oskar Frech GmbH) dargelegt. Beide Schriften sehen jedoch keine gezielte Beheizung des Pfropfenbereichs im Düsenkanal vor. Die beschriebenen Vorrichtungen erreichen daher nicht die beim Metalldruckguss geforderten kurzen Taktzeiten.
• Die DE 33 35 280 A1 (Ewikon GmbH) beschreibt ein elektrisches Heizelement zur Beheizung einer Metallschmelze in einem Heißkanal. An der Spitze des Heizelements besteht ein direkter elektrischer Kontakt zur Schmelze, sodass ein elektrischer Strom durch die Schmelze fließen kann. Solche als Kurzschlussheizung oder Widerstandsdirektheizung bekannten Heizelemente haben sich im Metalldruckguss nicht bewährt. Gründe hierfür sind:
• - Bildung höherschmelzender intermetallischer Phasen durch die Reaktion des Gießmetalls mit dem Material des Heizelements, wodurch Düsenkanäle von an den Heißkanal angeschlossenen Druckgussdüsen irreversibel verschlossen werden können und der Heißkanal damit unbrauchbar werden kann,
• - nicht reproduzierbare zeitliche Temperaturgänge aufgrund sich ändernder Kontaktflächen im Spitzenbereich des Heizelements,
• - mangelnde Eignung für den zyklischen Betrieb, ein temporäres Verschließen des Heißkanals durch einen Pfropfen ist nicht vorgesehen.
• Die WO 2013/071926 A2 beschreibt eine mit einer Heizvorrichtung ausgestattete Druckgussdüse und ein zugehöriges Betriebsverfahren, welches das Aufschmelzen und Wiedererstarren eines die Düse temporär verschließenden Pfropfens bei kurzen, nicht näher quantifizierten, Taktzeiten gewährleistet. Nachteilig ist jedoch der teure, komplexe und störanfällige Aufbau der Heizvorrichtung, die aus drei Komponenten besteht: einer Heizpatrone, einem Düsenschaft sowie einer Düsenspitze, die unabhängig voneinander beheizbar sind. Diese Elemente sind teils metallisch, teils keramisch ausgeführt. Insbesondere weist die Heizpatrone metallische Heizleiter mit einer elektrisch isolierenden keramischen Ummantelung auf.
• Aufgrund der sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von metallischen und keramischen Materialien wird die keramische Ummantelung der Heizpatrone im Betrieb unter Zugspannung gesetzt, was zu einem Abplatzen der Keramik, gefolgt von einem Kurzschluss zwischen Heizleiter und metallisch leitfähiger Schmelze, führen kann. Insbesondere der Verbindungsbereich zwischen Heizpatrone und Düsenspitze ist durch solche Kurzschlüsse gefährdet. Bekannt sind außerdem schwerwiegende Dichtigkeitsprobleme, die beim Dauerbetrieb eines mit einer Druckgussdüse gemäß der WO 2013/071926 A2 ausgestatteten Heißkanals auftreten und zum Austreten von Gießmetall an den Grenzflächen zwischen Heißkanal und Druckgussdüse und somit zur Zerstörung des Heißkanals führen. Mit Druckgussdüsen gemäß der WO 2013/071926 A2 ausgestattete Heißkanäle weisen somit eine unzureichende Temperaturwechselbeständigkeit auf und erreichen daher nicht die für den industriellen Einsatz notwendige Zuverlässigkeit. Da die Heizvorrichtung, wie gemäß dem Stand der Technik üblich, mit 230-V-Netzspannung betrieben wird, müssen zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden, um Gefährdungen im Falle eines Kurzschlusses auszuschließen.
• Aufgabe der Erfindung
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und einen Heißkanal mit mindestens einer Druckgussdüse für eine Warmkammer-Druckgussvorrichtung anzugeben, dessen Einsatz im Metalldruckguss eine Produktivitäts- und Qualitätssteigerung bei gleichzeitiger Kostensenkung gewährleistet.
• Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein für den industriellen Einsatz geeignetes Verfahren zum Betrieb der Druckgussvorrichtung anzugeben.
• Lösung der Aufgabe
• Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Heißkanal gemäß dem Anspruch 1, ein Heizelement gemäß dem Anspruch 8 und ein Verfahren zum Betrieb einer Warmkammer-Druckgussvorrichtung gemäß dem Anspruch 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Detaillierte Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung
• Heißkanal mit mindestens einer durch ein Heizelement beheizbaren Druckgussdüse für den Warmkammer-Metalldruckguss
• Der erfindungsgemäße Heißkanal zum Transport von Metallschmelzen, der zum Einbau in die feste Werkzeughälfte einer Druckgussvorrichtung geeignet ist, ist als Einsatz ausgeführt, der vollständig aus einem geeigneten chemisch resistenten Material gefertigt ist oder zumindest eine Auskleidung mit einem solchen Material aufweist. Durch diese Maßnahme wird der direkte Kontakt zwischen der Metallschmelze und der aus Werkzeugstahl gefertigten festen Werkzeughälfte ausgeschlossen, sodass auch die Metalle Zink (ZAMAK-Legierungen) und Aluminium, die sehr aggressive Schmelzen bilden, transportiert werden können. Geeignete chemisch resistente Materialien umfassen Materialien, die nicht mit den eingesetzten Metallschmelzen reagieren und zusätzlich folgende Eigenschaften aufweisen:
• - eine hohe Druckfestigkeit, um der Druckwechselbelastung (beim Zinkdruckguss z. B. Druckaufbau von Normaldruck bis auf 160 bar und Rückführung auf Normaldruck innerhalb eines Gießtakts) zu widerstehen,
• - eine Wärmeleitfähigkeit λ, die ungefähr im Bereich von 40 W/m·K ≤ λ ≤ 165 W/m·K wählbar ist, sodass für den jeweils konkreten Anwendungsfall stets ein Material mit einem optimalen Wert aus diesem Intervall, z. B. mit A = 100 W/m·K, verfügbar ist.
• Bevorzugte Materialien zur Ausführung des Einsatzes sind Molybdän (Mo), Wolfram (W), Legierungen auf der Basis dieser Metalle (MoW), und Elektrografit. Elektrografit ist in einer Vielzahl kommerzieller Produkte verfügbar, deren Wärmeleitfähigkeiten A den gesamten o. g. Bereich 40 W/m·K ≤ λ ≤ 165 W/m·K überstreichen. Allerdings weisen Elektrografite mit einer Wärmeleitfähigkeit oberhalb 100 W/m·K eine mangelnde Festigkeit auf, die ihren Einsatz im Metalldruckguss limitiert (geringerer maximaler Gießdruck, geringere Druckwechselbeständigkeit). Bevorzugt ist daher Elektrografit mit λ ≈ 100 W/m·K, der eine gute Wärmeleitfähigkeit mit ausreichender Festigkeit kombiniert.
• Es ist möglich, den gesamten Einsatz aus einem solchen Material auszuführen. Alternativ kann der Grundkörper des Einsatzes (d. h. sein äußerer Teil), bei zweiteiligen Einsätzen zumindest der Grundkörper eines Teils, aus einem Werkzeugstahl hergestellt sein, sodass der Heißkanal lediglich mit einem Material, das die vorgenannten Eigenschaften aufweist, z. B. Elektrografit, ausgekleidet ist. Diese Auskleidung bildet eine Hülle, die die im Heißkanal strömende aggressive Metallschmelze zuverlässig von den aus Werkzeugstahl bestehenden Komponenten trennt.
• Dadurch wird gewährleistet, dass das flüssige Gießmetall beim Durchströmen des Heißkanals einen monotonen, langsamen Temperaturabfall erfährt. Der dabei auftretende Temperaturgradient ΔT/Δa (wobei a eine Ortskoordinate in Richtung des Heißkanals ist), der von den Abmessungen der festen Werkzeughälfte, der Temperatur, auf der diese gehalten wird , und den Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Materialien abhängt, ist bekannt oder vom Fachmann leicht durch Messungen zu ermitteln. Somit ist der Fachmann in der Lage, die Temperatur des flüssigen Gießmetalls im Vorratsbehälter so zu wählen, dass das Gießmetall im Heißkanal zuverlässig im flüssigen Zustand bleibt. Abrupte Temperaturschwankungen des flüssigen Gießmetalls im Heißkanal werden vermieden. Der Heißkanal zeichnet sich also entlang seiner gesamten Länge bis hin zum Bereich der Druckgussdüsen durch eine hohe thermische Trägheit aus.
• Der erfindungsgemäße Heißkanal ist als Einsatz in die feste Werkzeughälfte jeder bekannten Warmkammer-Druckgussvorrichtung einbaubar, indem seine konstruktiven Parameter (Kanaldurchmesser, Kanallänge) den Abmessungen der festen Werkzeughälfte entsprechend gewählt werden. Wird ein verzweigter Heißkanal gewählt, so kann ein zweiteiliger Einsatz verwendet werden, wobei der Hauptkanal als zentrale Zuführung in einem ersten Teil des Einsatzes angeordnet ist, während die Teilkanäle, die vorzugsweise als gleichlange rechtwinklige Abzweigungen vom Hauptkanal ausgebildet sind, bevorzugt in einem zweiten, als flacher Zylinder ausgeführten, Teil des Einsatzes untergebracht sind. Beide Teile des Einsatzes sind dichtschließend, aber lösbar miteinander verbunden. Die feste Werkzeughälfte weist eine passgerechte Aufnahme auf, die es erlaubt, den Einsatz dichtschließend in die feste Werkzeughälfte einzusetzen. Es ist auch möglich, jedoch fertigungstechnisch schwieriger, den Einsatz eines verzweigten Heißkanals einteilig (monolithisch) auszuführen. Bei unverzweigter Ausführung verbindet der Heißkanal den Vorratsbehälter mit flüssigem Gießmetall direkt mit einer Druckgussdüse, aus deren Angussöffnung das unter hohen Druck versetzte Gießmetall in eine Gießform einschießen kann. Bei verzweigter Ausführung ist jeder Teilkanal mit einer solchen Druckgussdüse verbunden. Bevorzugt weisen die Teilkanäle unmittelbar vor der Druckgussdüse eine weitere bevorzugt rechtwinklige Umlenkung auf, sodass die ursprüngliche Strömungsrichtung wiederhergestellt wird und die Angussöffnungen der Druckgussdüsen auf der Peripherie eines Kreises auf der Außenseite des als flacher Zylinder ausgeführten Teils des Einsatzes angeordnet sind. Die unten detalliert beschriebene effiziente Beheizung des Heißkanals erlaubt große Kreisdurchmesser bis zu ca. 250 mm.
• Durch den Einbau des als Einsatz ausgeführten Heißkanals in eine passgerechte Aufnahme in der festen Werkzeughälfte wird gesichert, dass der Heißkanal dem hohen Druck des flüssigen Gießmetalls widersteht.
• Ausführung der Druckgussdüse und des zugehörigen Heizelements
• Der erfindungsgemäße Heißkanal ist mit mindestens einer Druckgussdüse verbunden. Jede Druckgussdüse weist einen Düsenkanal auf, der den Heißkanal (im Falle eines verzweigten Heißkanals den zugehörigen Teilkanal) mit einer Angussöffnung verbindet. Vorzugsweise weist der Querschnitt des Düsenkanals in Richtung der Angussöffnung eine Verjüngung auf. Es werden Druckgussdüsen mit einem geringen Durchmesser x des Düsenkanals verwendet. Geeignet sind Durchmesser x ≤ 7 mm, bevorzugt x ≤ 5 mm. Besonders bevorzugt sind Druckgussdüsen, deren Düsenkanal einen Durchmesser x ≤ 3 mm aufweist. Sie werden in dieser Anmeldung als miniaturisierte Druckgussdüsen bezeichnet.
• Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Wandung des Düsenkanals durch einen thermisch isolierenden, hohlzylinderartigen Düseneinsatz gebildet wird, der passgerecht in eine Aussparung des (bevorzugt aus Elektrografit mit einer guten Wärmeleitfähigkeit λ ≈ 100 W/m·K gefertigten) Heißkanaleinsatzes eingesetzt ist. Als Material für den Düseneinsatz wird ein gegen die aggressive Schmelze resistentes Material mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit gewählt, vorzugsweise Hartkohle (λ ≈ 4 W/m·K). Andere Materialien sind ebenfalls verwendbar, jedoch weniger bevorzugt, z. B. kann der Düseneinsatz auch aus Kohlenstoffgrafit mit geringfügig höherer Wärmeleitfähigkeit (λ = 8-17 W/m·K) gefertigt werden. Es ist vorteilhaft, die Innenseite des Düseneinsatzes mit einer hochfesten, gut wärmeleitenden Beschichtung zu versehen, vorzugsweise mit einer keramischen Schicht aus Siliziumkarbid (SiC).
• Die auf einer im Vergleich zur Metallschmelze niedrigen Temperatur gehaltene bewegliche Werkzeughälfte weist eine Führung auf, die es erlaubt, die bewegliche Werkzeughälfte zyklisch so zu bewegen, dass sie auf die feste Werkzeughälfte auffahrbar und wieder zurückfahrbar ist. Im aufgefahrenen Zustand besteht ein dichtschließender flächiger Kontakt zu dem die Angussöffnung umschließenden Düseneinsatz der Druckgussdüse, wobei die Angussöffnung selbst mit einem Kanal in der beweglichen Werkzeughälfte verbunden ist. Aufgrund des dichtschließenden flächigen Kontakts zum Düseneinsatz und der großen Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem flüssigen Gießmetall und der beweglichen Werkzeughälfte wirkt die bewegliche Werkzeughälfte im aufgefahrenen Zustand als effiziente Wärmesenke im Bereich der Angussöffnung. Beispielsweise wird beim Zinkdruckguss eine flüssige ZAMAK-Legierung mit einer Temperatur T ≈ 420°C in den Düsenbereich geleitet, während die bewegliche Werkzeughälfte auf einer Temperatur von ca. 120°C gehalten wird. ΔT beträgt somit ca. 300 K. Ein im Bereich der Angussöffnung befindliches Gießmetall, z. B. eine ZAMAK-Legierung, ist somit mit hoher Effizienz kühlbar. Die wärmesenkende Wirkung kann noch verstärkt werden, indem der Düseneinsatz so geformt ist, dass er aus der festen Werkzeughälfte herausragt, sodass die Kontaktfläche zu einer invers geformten Kontur der beweglichen Werkzeughälfte vergrößert wird.
• Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass mindestens ein elektrisches Heizelement im Heißkanal installiert wird, das eine gezielte zyklische Beheizung einer Druckgussdüse ermöglicht, wobei die maximale Heizleistung in den vom niedrigwärmeleitenden Düseneinsatz umgebenen Düsenkanal einbringbar ist. Im Falle eines verzweigten Heißkanals ist für jede Druckgussdüse ein solches Heizelement vorgesehen.
• Erfindungsgemäß kommen elektrische Heizelemente zum Einsatz, bei denen ein elektrischer Heizleiter, z. B. eine Heizspirale oder Heizwendel aus Metall oder Leiterkeramik, durch eine hermetische Ummantelung von der Metallschmelze elektrisch isoliert ist. Diese elektrisch isolierende hermetische Ummantelung besteht bevorzugt aus einem keramischen Material, besonders bevorzugt aus Siliziumnitrid. Das Heizelement ist so konstruiert, dass es an seiner Spitze die größte Heizleistung und damit die höchste Temperatur erreicht.
• Die Heizelemente sind stabförmig ausgeführt und weisen ihre größte Wärmeleistung im Bereich ihrer Stabspitze auf, sodass sie dort eine hohe maximale Oberflächentemperatur, bevorzugt T > 1000°C, besonders bevorzugt T ≈ 1350°C, und eine hohe Aufheizgeschwindigkeit, bevorzugt ΔT/Δt > 600 K/s, erreichen. Die Heizelemente sind so eingebaut, dass ihre stabförmige Achse auf der (verlängerten) Düsenachse verläuft. Bei hinreichend großen Druckgussdüsen, deren Düsenkanal einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser des stabförmigen Heizelements, wird das Heizelement in einer ersten Ausführungsform der Erfindung so eingebaut, dass seine Stabspitze in der Druckgussdüse endet. Bevorzugt wird die Stabspitze in der Angussöffnung platziert. Die Angussöffnung erhält somit eine Angusskontur in Form eines Ringes. Ein im Bereich der Angussöffnung befindliches Gießmetall, z. B. eine ZAMAK-Legierung, ist somit mit hoher Effizienz beheizbar. Anders geformte Angusskonturen sind möglich. Diese erste Ausführungsform weist jedoch Nachteile beim Wechsel eines defekten Heizelements auf. Es ist daher vorteilhaft, eine zweite, verbesserte, Ausführungsform einzusetzen, bei der die nachfolgend genannte konstruktive Ergänzung durch eine Hülse verwendet wird.
• Bei Druckgussdüsen, deren Düsenkanal einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der als der Durchmesser des stabförmigen Heizelements, wird das Heizelement erfindungsgemäß mit einer Hülse mit aufgesetzter Hülsenspitze ausgestattet, um die effiziente Beheizung im Bereich der Angussöffnung zu gewährleisten. Diese vorteilhafte konstruktive Erweiterung wird unten detailliert beschrieben.
• Auswahl geeigneter elektrischer Heizelemente
• Wegen des getakteten Druckgussverfahrens müssen die benötigten elektrischen Heizelemente eine extreme Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen. Die komplette Neuentwicklung solcher Heizelemente ist äußerst aufwendig. Schon die Materialauswahl ist eine Herausforderung, da für Heizspirale und Ummantelung Materialien verwendet werden müssen, die in einem mehrere 100 K breiten Temperaturbereich exakt aufeinander abgestimmte thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
• Es ist daher zweckmäßig, anstelle einer Neuentwicklung die Verwendbarkeit kommerziell verfügbarer Heizelemente aus anderen, auch weit entfernt liegenden, technologischen Bereichen zu prüfen.
• Messreihen an einer Vielzahl von kommerziell verfügbaren stabförmigen Heizelementen, darunter Heizpatronen von Watlow, Stabheizelemente von Rauschert sowie verschiedenartige Typen von Glühkerzen für die Dieselmotorentechnik, haben gezeigt, dass überrascherweise PKW-Dieselmotoren-Glühkerzen mit keramisch ummanteltem Glühstift die typischen Anforderungen im Metalldruckguss sehr gut erfüllen. In dem keramisch ummantelten Glühstift ist ein metallischer oder keramischer Heizleiter angeordnet. Solche Glühkerzen zeichnen sich durch sehr hohe Aufheizgeschwindigkeiten aus, wobei an der Spitze ihres Glühstifts die maximale Heizleistung erreicht wird. Sie eignen sich daher optimal zur Spitzenbeheizung einer Druckgussdüse, d. h. zur effizienten Beheizung eines kleinen Volumens von Gießmetall im Bereich des Düsenkanals.
• Als besonders geeignet erwiesen sich dabei Glühkerzen mit vollkeramischem Glühstift, bei denen eine elektrisch leitfähige, als Heizleiter wirkende, Keramik mit einer elektrisch isolierenden Keramik ummantelt ist. Solche Glühkerzen werden als vollkeramische Glühkerzen bezeichnet.
• Getestet wurde insbesondere eine für PKW bestimmte vollkeramische Hochtemperatur-Glühkerze der Firma NGK (NHTC-Glühkerze: New High Temperature Ceramic). Sie erreicht an der Spitze ihres Glühstifts innerhalb von 2 s eine Temperatur von 1350°C, was einer Aufheizgeschwindigkeit von 675 K/s entspricht. Drei NHTC-Glühkerzen wurden einem Langzeittest im Pulsbetrieb unterzogen, wobei sie dauerhaft von einer flüssigen ZAMAK-Legierung des Typs Z410 mit einer Temperatur von 400°C umgeben waren. Sie durchliefen hierbei mehr als 50.000 Zyklen mit einer Taktzeit von 10 s, was einem Dauereinsatz von mehr als 140 h entspricht. Innerhalb jedes Takts/Zyklus wurden sie 7 s mit einer Gleichspannung von 1 V (Grundlast) betrieben, der ein Spannungspuls mit einer Amplitude von 13 V und 3 s Dauer folgte. Eine vierte NHTC-Glühkerze wurde wie zuvor beschrieben belastet, gefolgt von einer zusätzlichen Belastung (insgesamt weitere 70.000 Zyklen), wobei die Amplitude der Spannungspulse nach jeweils 14.000 Zyklen in Schritten von je 1 V auf 18 V erhöht wurde. In diesen Tests wurden keinerlei Schädigungen bzw. Leistungseinbußen der Glühkerzen festgestellt. Die getesteten Glühkerzen erfüllen voll und ganz die Anforderungen für den industriellen Einsatz in Druckgussvorrichtungen.
• Bei der Herstellung dünnwandiger Gusswerkstücke kommen bevorzugt miniaturisierte Druckgussdüsen zum Einsatz, die einen Düsenkanal mit einem Durchmesser x ≤ 3 mm aufweisen. Der Glühstiftdurchmesser von Glühkerzen ist zu groß, um den Glühstift bis in den Bereich der Angussöffnung solcher miniaturisierter Druckgussdüsen vorschieben zu können. Dieses Hindernis wird beseitigt durch die oben bereits erwähnte Ausstattung des Heizelements, hier der Glühkerze, mit einer Hülse mit aufgesetzter Hülsenspitze. Diese für jedes stabförmige Heizelement einsetzbare konstruktive Ergänzung wird nachfolgend am Beispiel der Glühkerze detailliert erläutert. Selbstverständlich ist diese konstruktive Ergänzung für jede Art eines stabförmigen Heizelements einsetzbar.
• Bei Druckgussdüsen mit hinreichend großem Düsenkanaldurchmesser (nichtminiaturisierte Druckgussdüsen) kann die Glühkerze in einer ersten Ausführungsform der Erfindung so positioniert werden, dass sich die Spitze ihres Glühstifts im Bereich der Angussöffnung befindet. Es ist jedoch vorteilhaft, eine verbesserte Ausführungsform einzusetzen, bei der die Glühkerze mit einer Hülse ausgestattet wird, die in den Bereich der Angussöffnung vorgeschoben wird. Wegen des hinreichend großen Düsenkanaldurchmessers ist eine Hülsenspitze hier nicht erforderlich.
• In einem Heißkanal können miniaturisierte und nichtminiaturisierte Druckgussdüsen kombiniert werden.
• Ausführung der Hülse mit optionaler Hülsenspitze
• Die Hülse besteht aus einem hochschmelzenden, hochwärmeleitenden und gegenüber der Metallschmelze chemisch resistenten Material. Sie wird über den Glühstift der Glühkerze gestülpt, wobei ein wenige Zehntel Millimeter breiter Spalt zwischen der Oberfläche des Glühstifts und der Hülse verbleibt. Die Wärmeübertragung vom Glühstift zur Hülse erfolgt durch Wärmestrahlung. Die Hülse wird dichtschließend in den Heißkanaleinsatz eingesetzt, sodass sie in den Bereich der Druckgussdüse hineinreicht. Der Schaft der Glühkerze und die Hülse sind durch eine Steckverbindung verbunden. Durch einen Federmechanismus wird eine Kraft auf die Glühkerze und die Hülse ausgeübt, die die Hülse in einem Dichtsitz im Heißkanaleinsatz fixiert. Bevorzugt wirkt unabhängig davon einen zweite fixierende Kraft ausschließlich auf die Hülse. Indem die erste Kraft auf null reduziert, die zweite Kraft aber aufrechterhalten bleibt, sind die Glühkerze und die Hülse auch bei einem auf Betriebstemperatur befindlichen Heißkanal leicht voneinander trennbar. Dadurch ist es möglich, eine Glühkerze bei einem Defekt oder bei Erreichen einer vorgegebenen maximalen Standzeit (planmäßige Wartung) rasch zu wechseln. Zum sicheren Wechsel der Glühkerze wird die Temperatur des Heißkanals auf einen Wert, der geringfügig, bevorzugt 5 -10 K, unterhalb des Schmelzbereichs der verwendeten Druckgusslegierung liegt, abgesenkt, sodass die Metallschmelze im Heißkanal erstarrt und dabei die Hülse umschließt und fixiert. Somit kann die defekte Glühkerze leicht aus der fixierten Hülse herausgezogen und durch eine neue Glühkerze ersetzt werden. Während dieses Wechsels, der nur wenige Minuten beansprucht, sinkt die Temperatur des Heißkanals nur geringfügig, typischerweise um weitere 5-10 K, ab, bleibt also in der Nähe des Schmelzbereichs. Somit wird eine schnelle und energiesparende Wiederaufheizung und Verflüssigung des Gießmetalls realisiert. Durch diese Minimierung des Zeitaufwands für Wartung und Instandsetzung wird die Produktivität des Gießprozesses erheblich gesteigert. Die Hülse selbst muss nur sehr selten gewechselt werden, denn aufgrund ihrer Resistenz gegenüber der flüssigen Metallschmelze weist sie eine sehr hohe Standzeit auf, welche die Standzeit der Glühkerze um ein Vielfaches übertrifft. Durch den Wechsel der Hülse bedingte Ausfallzeiten sind vernachlässigbar.
• Typischerweise befindet sich der Heißkanal beim Zinkdruckguss mit der ZAMAK-Legierung Z410, deren Schmelzbereich laut Datenblatt der Firma Roto Frank Austria zwischen 379°C und 388°C liegt, auf einer Temperatur von ca. 420°C. Zum Herausziehen einer defekten Glühkerze aus ihrer Hülse wird der Heißkanal auf eine Temperatur nahe unterhalb des Schmelzbereichs, bevorzugt 370°C bis 375°C, heruntergekühlt, sodass die Hülse vom erstarrten Gießmetall umschlossen und fixiert wird. Während des nun folgenden Austauschs der Glühkerze, der nur wenige Minuten erfordert, sinkt die Temperatur weiter ab, ist aber problemlos oberhalb von 360°C zu halten. Ein zeitaufwendiges Ausschmelzen des Gießmetalls und ein zeitaufwendiges Abkühlen des Heißkanals auf handhabbare Temperaturen entfallen.
• Speziell für den Fall von Druckgussdüsen mit kleinem Durchmesser des Düsenkanals (miniaturisierte Druckgussdüsen) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hülse in einer ebenfalls aus einem hochschmelzenden, hochwärmeleitenden und chemisch resistenten Metall bestehenden Hülsenspitze ausläuft, wobei Hülse und Hülsenspitze aus dem gleichen Material bestehen können. Der Durchmesser der in ihrer einfachsten Form einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Hülsenspitze wird kleiner als der Durchmesser des Düsenkanals gewählt. Die Glühkerze wird so positioniert, dass sich die Hülsenspitze in den Düsenkanal hineinreicht und in der Ebene der Angussöffnung endet, sodass (im Falle einer kreisförmigen Angussöffnung) eine Angusskontur in Form eines Ringes und ein ringspaltförmiger Düsenkanal gebildet werden. Neben dem kreisförmigen kann die Hülsenspitze auch anders geformte Querschnitte aufweisen, die zu entsprechend modifizierten spaltförmigen Düsenkanälen führen. Geeignet ist insbesondere ein sternförmiger Querschnitt der Hülsenspitze, der eine vorteilhaft vergrößerte wärmeabgebende Oberfläche der Hülsenspitze bei gleichzeitig verringertem Volumen des aufzuschmelzenden Gießmetalls bedingt.
• Als hochschmelzende, hochwärmeleitende und gegenüber Metallschmelzen chemisch resistente Materialien zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hülse und ihrer Hülsenspitze sind insbesondere Refraktärmetalle oder Legierungen aus Refraktärmetallen geeignet. Refraktärmetalle weisen einen hohen Schmelzpunkt (oberhalb dem von Platin bei 1770°C), eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem von Keramiken nahekommt, auf. Ein besonders geeignetes Refraktärmetall ist Wolfram, da es im für den Zinkdruckguss genutzten Temperaturbereich nicht mit dem geschmolzenen Gießmetall reagiert. Besonders geeignete Legierungen sind TZM (Titan-Zirkonium-Molybdän) und MoW mit 20-50 Masse-% W-Anteil. Zum Schutz gegen die aggressive Metallschmelze können die Hülsen und Hülsenspitzen auch mit geeigneten Materialien wie z. B. Kohlenstoff, insbesondere DLC-Schichten (diamond-like carbon) vom Typ ta-C (tetraedrische amorphe wasserstofffreie Kohlenstoffschichten), oder Al-CrN (z. B. ALCRONA von Fa. Balzers) beschichtet werden. Die Beständigkeit von Wolfram gegenüber einer ZAMAK-Schmelze wird dadurch von 750°C auf deutlich über 1000°C gesteigert.
• Ein weiteres besonders geeignetes Material zur Beschichtung der aus Wolfram oder TZM bestehenden Hülse und Hülsenspitze ist Siliziumkarbid (SiC). Es schützt Hülse und Hülsenspitze vor dem direkten Kontakt mit aggressiven Metallschmelzen wie ZAMAK. Vorteilhaft ist es, wenn auch alle Innenwandungen des Grafitkörpers, also der Hauptkanal und die Teilkanäle, sowie die bevorzugt aus Hartkohle bestehenden Düseneinsätze eine SiC-Beschichtung aufweisen. Eine solche SiC-Beschichtung ist herstellbar, indem Silan als Silizium-Trägergas bei ca. 800°C durch den Heißkanal geleitet wird. Die dabei auf den Innenwandungen des Heißkanals und des Düseneinsatzes erzeugte SiC-Schicht schützt beide Baugruppen gegen Abrasion durch die schnell fließende Schmelze.
• Die vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Ausstattung der Glühkerze mit der vorangehend beschriebenen Hülse mit optionaler Hülsenspitze seien hier noch einmal zusammengefasst:
• - Der Glühstift der Glühkerze wird zuverlässig vor einem direkten Kontakt mit der aggressiven Schmelze geschützt.
• - Die Standzeit der Glühkerze erhöht sich, da die Glühkerze selbst einer geringeren Temperaturwechselbelastung ΔT/Δt und einem geringeren Temperaturgradienten ΔT/Δr (in radialer Richtung) ausgesetzt wird. (Ein extrem hoher Temperaturgradient ΔT/Δr tritt nur in dem wenige Zehntel Millimeter breiten Luftspalt zwischen der Hülse und dem Glühstift auf. Ohne Hülse würde dieser Temperaturgradient direkt auf den Glühstift wirken, was zu dessen Zerstörung durch thermomechanische Spannungen führen könnte.)
• - Die Bildung hochschmelzender intermetallischer Phasen, Nitrid- oder Karbidphasen, die zu Verstopfungen des Heißkanalsystems führen könnten, wird zuverlässig vermieden.
• - Die Hülse weist eine wesentlich höhere Standzeit als die Glühkerze auf.
• - Defekte Heizelemente sind durch Austausch der Glühkerze leicht instand zu setzen, ohne die Temperatur des Heißkanals herunterzufahren.
• - Wärmeenergie ist über die Hülsenspitze gezielt auch in den Düsenkanal miniaturisierter Druckgussdüsen effizient einbringbar.
• Die Glühkerze mit Hülse und Hülsenspitze bildet somit eine erfindungsgemäße Mikroheizpatrone, die zur effizienten Beheizung kleinster Volumina, insbesondere zur Beheizung des Düsenkanals einer miniaturisierten Druckgussdüse, geeignet ist.
• Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bereits eine einzige Glühkerze bzw. eine einzige Mikroheizpatrone auf Basis einer Glühkerze zur Beheizung einer Druckgussdüse ausreicht, wobei eine kombinierte Kanal- und Spitzenheizung realisiert wird: Über die Spitze des Glühstifts bzw. die Hülsenspitze erfolgt eine effiziente Beheizung des Düsenkanals der Druckgussdüse mit maximaler Heizleistung, während der stabförmige Glühstift, dessen Oberflächentemperatur in Richtung der Glühstiftspitze im Betrieb gleichmäßig zunimmt, eine gleichmäßige Beheizung des die Schmelze zuführenden Heißkanals gewährleistet, bei der die Metallschmelze im Heißkanal auf einer nahezu konstanten Temperatur oberhalb ihres Schmelzbereichs gehalten wird.
• Wie oben beschrieben, kann der Glühstift einer Glühkerze im Falle einer Druckgussdüse mit hinreichend großem Kanaldurchmesser auch direkt bis in den Bereich der Angussöffnung vorgeschoben werden, wobei auf die Hülse mit optionaler Hülsenspitze verzichtet wird. Diese Ausführungsform ist aber mit Nachteilen beim Wechsel einer defekten Glühkerze verbunden. Das Gießmetall muss beim Entfernen der Glühkerze flüssig sein. Es ist ein Ausschmelzen des Heißkanals bei einer hohen Temperatur (beim Zinkdruckguss typischerweise 420°C) erforderlich, um die defekte Glühkerze austauschen zu können. Da die Glühkerze direkt nach dem Ausschmelzen wegen dieser hohen Temperatur nicht handhabbar ist, ist dieser Vorgang zeitaufwendig und wegen des damit verbundenen Produktionsstillstands kostenintensiv.
• Es ist daher vorteilhaft, die Glühkerze auch im Falle einer Druckgussdüse mit hinreichend großem Kanaldurchmesser mit einer Hülse auszustatten.
• Der Glühstift (mit der in seinem Inneren angeordneten Heizwendel) wirkt aktiv (wärmegenerierend) und beheizt über Wärmestrahlung unmittelbar die von ihm nur über einen wenige Zehntel Millimeter breiten Luftspalt entfernte Hülse. Diese Art der Beheizung der Hülse wird als aktive Beheizung bezeichnet. Die Hülse selbst wirkt passiv, denn sie generiert keine Wärme, sondern leitet die vom Glühstift empfangene Wärmeenergie lediglich an die Hülsenspitze weiter. Die Beheizung der Hülsenspitze durch Festkörperwärmeleitung aus der Hülse wird deshalb als passive Beheizung bezeichnet.
• Neben der passiven Beheizung der Hülsenspitze bewirkt die Hülse auch eine passive Beheizung des zugehörigen Teilkanals. Wärmeverluste der Schmelze beim Durchlaufen des Teilkanals werden dadurch kompensiert.
• Druckgussverfahren mit minimiertem Anguss
• Die vorab beschriebenen erfindungsgemäßen Komponenten erlauben es nun, mit einer damit ausgestatteten Druckgussvorrichtung ein Druckgussverfahren mit minimiertem Anguss und kurzer Taktzeit zu realisieren, wobei die Angussöffnung der mindestens einen Druckgussdüse während jedes Gießtakts temporär durch einen im Düsenkanal gebildeten Pfropfen aus erstarrtem Gießmetall verschlossen wird.
• Die erfinderische Grundidee des Verfahrens besteht darin, einem zyklisch im Heißkanal strömenden Gießmetall entlang des Heißkanals bis in den Bereich der Druckgussdüse ein thermisch träges Verhalten aufzuprägen, welches dann in einem kleinen Volumen im Bereich des zur Angussöffnung führenden Düsenkanals abrupt in ein thermisch dynamisches Verhalten umschlägt.
• Unter thermisch trägem Verhalten ist zu verstehen, dass das Gießmetall beim Durchströmen des Heißkanals (entlang einer Ortskoordinate a) einen monotonen Temperaturverlauf mit kleinem Temperaturgradienten ΔT/Δa zeigt, wobei seine Temperatur zuverlässig oberhalb des Schmelzbereichs der jeweils verwendeten Gießmetall-Legierung gehalten wird.
• Unter thermisch dynamischem Verhalten ist zu verstehen, dass das Gießmetall in sehr kurzer Zeit eine große Wärmemenge aufnimmt und wieder abgibt. Die Aufnahme und Abgabe dieser Wärmemenge erfolgt dabei innerhalb jedes Gießtakts. Die Dauer beider Vorgänge entspricht daher ungefähr jeweils einer halben Taktzeit τ.
• Dieses thermisch dynamische Verhalten ist auf ein kleines ringförmiges Volumen V_R beschränkt, das durch den Düsenkanal mit der zentral eingeführten Hülsenspitze gebildet wird.
• Durch ein koordiniertes Zusammenwirken des Heizelements (als Wärmequelle) und der beweglichen Werkzeughälfte (als Wärmesenke) wird gewährleistet, dass innerhalb eines Gießtakts (dessen Anfangspunkt willkürlich festgelegt werden kann) das Gießmetall in dem kleinen Volumen V_R zum Erstarren (Pfropfenbildung) und zum Wiederaufschmelzen (vollständige Auflösung des Pfropfens) gebracht wird. Durch die Pfropfenbildung wird die Angussöffnung während eines vorgewählten Abschnitts des Gießtakts zuverlässig verschlossen, sodass kein Gießmetall aus dem Kanal ausfließen kann. Dadurch wird das Gießmetall vollständig genutzt und sichergestellt, dass kein ausfließendes Gießmetall an der Oberfläche der festen Werkzeughälfte erstarrt. Erstarrtes Gießmetall würde ein dichtschließendes Auffahren der beweglichen Werkzeughälfte unmöglich machen, wodurch die Druckgussvorrichtung funktionsunfähig würde.
• Als Anfangspunkt zur Beschreibung der Abläufe während eines Gießtakts wird ein Zeitpunkt gewählt, zu dem durch Auffahren der beweglichen Werkzeughälfte der Kontakt beider Werkzeughälften hergestellt und das elektrische Heizelement auf maximale Leistung (Spitzenwert P₁) geschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist das kleine Volumen V_R mit einem Pfropfen aus erstarrtem Gießmetall gefüllt.
• In dem zu diesem Zeitpunkt beginnenden ersten Taktabschnitt τ₁ erfolgt der Wärmeeintrag in das kleine Volumen V_R (mit einem Pfropfen aus erstarrtem Gießmetall), wobei die bewegliche Werkzeughälfte auf die feste Werkzeughälfte aufgefahren bleibt und das elektrische Heizelement (hier der Glühstift der Glühkerze) auf seiner maximalen Leistung gehalten wird. Da der Düseneinsatz aus einem Material mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht, ist der Abfluss von Wärmeenergie aus dem kleinen Volumen V_R in die feste Werkzeughälfte vernachlässigbar. Die aufgefahrene bewegliche Werkzeughälfte übt zwar eine wärmesenkende Wirkung auf das kleine Volumen V_R aus, jedoch wird diese durch den auf maximale Leistung geschalteten Glühstift stark überkompensiert. Die entlang der Achse des kleinen ringförmigen Volumens V_R angeordnete passiv beheizte Hülsenspitze überträgt die vom Glühstift über die Hülse zur Hülsenspitze transportierte Wärmeenergie auf den im Volumen V_R befindlichen Pfropfen. Diese Wärmeenergie wird genutzt, um die Temperatur des Pfropfens zunächst bis zur unteren Grenze des Schmelzbereichs zu erhöhen, sodann die latente Wärme (in diesem Fall die Schmelzwärme) einzubringen, wobei die Temperatur bis zur oberen Grenze des Schmelzbereichs ansteigt und der Pfropfen vollständig aufgeschmolzen wird, und schließlich die Temperatur auf eine vorgewählte Zieltemperatur oberhalb der oberen Grenze des Schmelzbereichs zu bringen.
• Sobald das Aufschmelzen abgeschlossen ist, wird im nun folgenden zweiten Taktabschnitt τ₂ das elektrische Heizelement auf minimale Leistung (Basiswert P₀) geschaltet und durch den Gießkolben der Gießdruck aufgebaut, sodass die Metallschmelze mit hoher Geschwindigkeit in die Gießform einschießt und diese vollständig füllt. Sobald die Gießform innerhalb eines vernachlässigbar kurzen Zeitraums gefüllt ist, kommt die inkompressible Metallschmelze im Heißkanal und damit auch im Volumen V_R zum Stehen, obwohl der Gießdruck in einer sogenannten Nachdrückphase noch aufrechterhalten wird. Diese Nachdrückphase kann bis zum Ende des zweiten Taktabschnitts ausgedehnt werden. Aufgrund der effektiven Wärmeabführung über die bewegliche Werkzeughälfte, deren wärmesenkende Wirkung wegen der stehenden Schmelze nun voll zum Tragen kommt, sinkt die Temperatur des flüssigen Gießmetalls im kleinen Volumen V_R zunächst von der beim vorangehenden Heizvorgang erreichten Zieltemperatur bis zur oberen Grenztemperatur des Schmelzbereichs der verwendeten Legierung ab. Bei Erreichen dieser oberen Grenztemperatur setzt ein Erstarrungsprozess ein (Abführung latenter Wärme, in diesem Fall Erstarrungswärme), wobei die Temperatur weiter absinkt, bis bei Erreichen der unteren Grenztemperatur des Schmelzbereichs das Gießmetall in dem kleinen Volumen V_R vollständig erstarrt ist und einen Pfropfen bildet, der den Düsenkanal ausfüllt und die Angussöffnung zuverlässig verschließt.
• Sobald die weiter absinkende Temperatur einen vorgewählten Wert erreicht hat, wird in einem dritten Taktabschnitt τ₃ die bewegliche Werkzeughälfte von der festen Werkzeughälfte zurückgefahren, die gefertigten Druckgussteile werden ausgeworfen und nach einem Sprühkühlen der beiden Werkzeughälften durch erneutes Auffahren der beweglichen Werkzeughälfte auf die feste Werkzeughälfte und Schalten des Heizelements auf maximale Leistung der Anfangszustand wiederhergestellt und der Zyklus geschlossen.
• Ein Herausreißen des Pfropfens aus der Angussöffnung bei der Trennung der Werkzeughälften und dem Auswerfen des Druckgusswerkstücks wird durch eine Verjüngung des Düsenkanals in Richtung der Angussöffnung verhindert. An der Angussöffnung wird eine Sollbruchstelle gebildet, an welcher der verbliebene Anguss abreißt, während der in dem kleinen Volumen V_R erstarrte Pfropfen in der Düsenspitze zurückgehalten und im nächsten Gießtakt wieder vollständig aufgeschmolzen und in den Gießprozess zurückgeführt wird. Der Anguss wird somit auf den Bereich der Kanäle in der beweglichen Werkzeughälfte reduziert und dadurch minimiert.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Taktzeit τ eines Gießtakts gegenüber dem Stand der Technik deutlich zu verkürzen. Es sind Taktzeiten τ ≤ 10 s, bevorzugt τ ≤ 6 s, besonders bevorzugt τ ≤ 5 s, erreichbar. Das kleine Volumen V_R (Bereich der Pfropfenbildung) wird dazu bis auf Werte kleiner 20 mm³, bevorzugt kleiner 10 mm³, reduziert, was beim Zinkdruckguss einer Masse < 70 mg, bevorzugt < 35 mg, einer ZAMAK-Legierung entspricht. Diese Reduktion ist Voraussetzung für die kurzen Taktzeiten, da wegen der hohen spezifischen Energieumsätze beim Aufschmelzen und Erstarren nur in einem sehr kleinen Volumen die gewünschte hohe thermische Dynamik erreichbar ist. Je kleiner das Volumen V_R, desto kürzere Taktzeiten sind realisierbar.
• Eine Verlängerung der Taktzeiten, z. B. τ ≤ 15 s, τ ≤ 20 s, ist selbstverständlich problemlos möglich.
• Figurenliste
• 1: Draufsicht eines als flacher Zylinder ausgeführten Bauteils eines verzweigten Heißkanals.
• 2: Schnitt durch einen verzweigten Heißkanal.
• 3: Vergrößerter Schnitt durch einen Teilbereich des Heißkanals mit Druckgussdüse und Heizelement (Glühkerze).
• 4: Pulsregime eines Heizelements zur Beheizung einer Druckgussdüse (zeitlicher Verlauf von Heizleistung P und Druck p).
• 5: Schnitt durch einen verzweigten Heißkanal mit zentral beheiztem Hauptkanal (in 2 Ausführungsformen).
• 6: Schnitt durch einen verzweigten Heißkanal mit symmetrisch von außen beheiztem Hauptkanal.
• Ausführungsbeispiel 1
• Druckgussvorrichtung mit einem verzweigten Heißkanal für den Zinkdruckguss mit passiver Spitzenbeheizung der Druckgussdüsen, Verfahren zum Betrieb dieser Druckgussvorrichtung
• Die Vorteile der Erfindung werden bestmöglich ausgenutzt, wenn der Heißkanal als verzweigter Heißkanal ausgeführt wird.
• Aufbau des Heißkanals
• Eine schematische (nicht maßstabgerechte) Darstellung eines erfindungsgemäßen Heißkanals 20 zeigen die 1 - 3.
• Die feste Werkzeughälfte (in den Figuren nicht dargestellt) einer Druckgussvorrichtung ist mit einem Heißkanal 20 ausgestattet, der einen ersten Abschnitt (Hauptkanal 23) aufweist. Dieser Hauptkanal 23 ist in eine passgenaue Aufnahme der festen Werkzeughälfte der Druckgussvorrichtung eingesetzt. Das vordere Ende dieses Abschnitts ist mit einem (nicht dargestellten) Vorratsbehälter, der eine ZAMAK-Schmelze (Z410) enthält, verbunden. Die ZAMAK-Schmelze S ist dem Hauptkanal 23 zuführbar.
• Das hintere Ende des Hauptkanals 23 verzweigt sich, jeweils unter einem rechten Winkel, sternförmig in 12 Teilkanäle, davon 8 längere Teilkanäle 25A-25H und 8 kürzere Teilkanäle 25a-25h, die in einem als flacher Zylinder 21 ausgeführten Bauteil untergebracht sind.
• 1 zeigt in Draufsicht das als flacher Zylinder ausgeführte Bauteil 21 mit der Anordnung der von dem (senkrecht zur Zeichenebene stehenden Hauptkanal 23 mit der Symmetrieachse A) ausgehenden Teilkanäle. Die 8 längeren Teilkanäle 25A-25H weisen eine Länge von 80 mm auf, wobei benachbarte Teilkanäle jeweils um 45° zueinander versetzt sind. Die 8 kürzeren Teilkanäle 25a-25h weisen eine Länge von 40 mm auf, wobei benachbarte Teilkanäle jeweils um 45° zueinander versetzt sind. Die Symmetrieachse A ist somit eine 8-zählige Symmetrieachse. Die kürzeren Teilkanäle sind zudem so angeordnet, dass sie den von zwei benachbarten längeren Teilkanälen aufgespannten Winkel von 45° halbieren. (Durch die gestrichelte Darstellung wird verdeutlicht, dass die Teilkanäle vollständig im Inneren des Bauteils 21 verlaufen.
• Die Enden aller Teilkanäle weisen eine Umlenkung um 90° auf, die der ersten Umlenkung entgegengesetzt ist, und münden jeweils in eine Druckgussdüse 26. Die Druckgussdüsen 26 weisen jeweils einen Düsenkanal auf, der in einer Angussöffnung 38 auf der kreisförmigen äußeren Oberfläche des zylindrischen Bauteils 21 endet. In der unteren Hälfte von 1 sind die Angussöffnungen 38 von sieben Druckgussdüsen 26 vereinfacht als Kreise dargestellt. Außerdem sind neun Projektionen 30 der zugehörigen Druckgussformen dargestellt, die sich in der (nicht dargestellten) beweglichen Werkzeughälfte befinden. Die Anordnung der Projektionen zeigt, dass das verfügbare Volumen in der beweglichen Werkzeughälfte durch die Wahl unterschiedlich langer Teilkanäle besonders effizient genutzt wird. (Die Anordnung der Druckgussformen setzt sich in der oberen Hälfte von 1 entsprechend fort, ist dort aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.) Die Angussöffnungen 38 sind auf der Peripherie zweier konzentrischer Kreise angeordnet, wobei auf der Peripherie des äußeren Kreises (Radius 80 mm) 8 Angussöffnungen 38 ein regelmäßiges Achteck aufspannen und auf der Peripherie des inneren Kreises (Radius 40 mm) 8 Angussöffnungen 38 ein kleineres zweites regelmäßiges Achteck aufspannen. Der gemeinsame Mittelpunkt der konzentrischen Kreise liegt auf der Symmetrieachse A.
• In der oberen Hälfte von 1 sind die Druckgussdüsen 26 mit weiteren Details dargestellt. Links oben ist eine vergrößerte Darstellung mit einem Düseneinsatz 27 und einer Hülsenspitze 36 gezeigt, die eine ringförmige Angussöffnung 38 bilden.
• Durch die Linie X-X wird eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Schnittfläche definiert. Die Symmetrieachse A liegt in dieser Schnittfläche.
• 2 zeigt einen Schnitt durch den Heißkanal entlang der durch in 1 definierten Schnittfläche X-X. Der zylindrische Hauptkanal 23, der von einer Wandung 24 aus einem Elektrografit (Wärmeleitfähigkeit λ = 100 W/m·K) begrenzt wird, führt zu dem zylindrischen Bauteil 21 mit Wandungen 22 aus Elektrografit, wo er sich rechtwinklig in die Teilkanäle 25A-25H und 25a-25h verzweigt. Nur die Teilkanäle 25A und 25E sind im Schnittbild sichtbar. Das zylindrische Bauteil 21 ist mit der Wandung 24 des Hauptkanals monolithisch verbunden.
• Alle Teilkanäle (nachfolgend erläutert am Beispiel des Teilkanals 25A) weisen an ihrem Ende eine rechtwinklige Umlenkung auf, die sie mit einer Druckgussdüse 26 mit einem Düsenkanal verbindet, dessen Geometrie durch einen Düseneinsatz 27, bestehend aus Hartkohle, definiert wird. Die Druckgussdüse 26 ist mit einer durch die Kraft F fixierten Glühkerze 28 mit übergestülpter Hülse 29 aus Wolfram mit Kohlenstoffbeschichtung ausgestattet. Dieser (für alle Teilkanäle derart ausgeführte) Düsenbereich, gekennzeichnet durch die Markierung D, ist in 3 detailliert dargestellt. Die Anordnung weist noch einen Stopfen 31 auf. Dieser verschließt eine Öffnung, die fertigungsbedingt beim Ausbohren der Teilkanäle entsteht. Der Stopfen 31 bildet einen Teil der Wandung des zylindrischen Bauteils 21 und ist, wie das gesamte Bauteil 21, aus einem Elektrografit gefertigt.
• 3 zeigt den vergrößert dargestellten Düsenbereich D, wobei auch die Glühkerze mit Hülse in Schnittdarstellung erscheint.
• Eine NHTC-Glühkerze 28 mit übergestülpter Hülse 29 ist in eine als Dichtsitz ausgeführte Aufnahme des zylindrischen Bauteils 21 so eingebaut, dass ihre Achse entlang der Achse der Druckgussdüse 26 verläuft, also senkrecht zum Teilkanal 25A steht. Bezogen auf den Teilkanal 25A liegt somit ein Quereinbau der Glühkerze vor. Der Schaft 32 der Glühkerze 28 wird durch eine Kraft F fixiert, die auch auf die Hülse 29 übertragen wird. Zwischen dem Glühstift 33 der Glühkerze und der Wand 34 der Hülse 29 verbleibt ein umlaufender Luftspalt 35 der Dicke 0,15 mm.
• Die Hülse 29 läuft in einer (ebenfalls aus Wolfram mit Kohlenstoff-Beschichtung bestehenden) Hülsenspitze 36 mit der Länge h = 5 mm und dem Durchmesser y = 2 mm, die in den durch den Düseneinsatz 27 definierten Düsenkanal 37 mit dem Durchmesser x = 3 mm hineinreicht und in Höhe der Angussöffnung 38 endet. Dadurch erhält der Düsenkanal die Form eines Ringspalts und endet in einer ringförmigen Angussöffnung 38. Der Ringspalt weist in Höhe der Angussöffnung 38 eine Breite von 0,5 mm auf. Für den ringspaltförmigen Düsenkanal 37 der Höhe h = 5 mm ergibt sich somit ein kleines Volumen V_R = 18,8 mm³. Hingegen weist der Glühstift 33 ein Volumen V_G von ca. 85 mm³ auf, das sich aus seiner Länge (10 mm) und seinem Durchmesser von 3,3 mm ergibt. V_R ist somit wesentlich kleiner als V_G . Die Glühkerze 28 mit Hülse 29 und Hülsenspitze 36 bildet eine Mikroheizpatrone, da der Durchmesser der Hülsenspitze so gewählt ist, dass auch die hier gewählten miniaturisierten Druckgussdüsen effizient beheizbar sind.
• Die auf die Glühkerze 28 und die Hülse 29 wirkende Kraft F wird durch einen Federmechanismus erzeugt. Unabhängig davon erzeugt ein zweiter Federmechanismus eine (gleichmäßig am unteren Rand der Hülse 29 angreifende) Kraft F'. Die Kraft F' fixiert die Hülse 29 auch dann in ihrem Dichtsitz, wenn die Kraft F auf null reduziert wird.
• In 3 ist auch die Verjüngung des Düsenkanals 37 in Richtung der Angussöffnung 38 erkennbar, die in den übrigen Abbildungen zeichnerisch vernachlässigt wird. Sie wird realisiert, indem der Düseneinsatz 27 innen leicht konisch ausgeführt wird. Der Neigungswinkel (gegenüber einer zylindrischen Form) beträgt 2° bis 10°, bevorzugt 5°.
• Ein besonderer wirtschaftlicher Vorteil der Anordnung besteht darin, dass die Teilkanäle mit einer im Vergleich zu bekannten Lösungen wesentlich größeren Länge, hier 80 mm, ausgeführt werden können. Dadurch wird das für die Positionierung von Druckgussformen verfügbare Volumen vergrößert und kann durch Verwendung unterschiedlich langer Teilkanäle optimal genutzt werden. Im gezeigten Beispiel werden je Gießtakt 16 Druckgusswerkstücke hergestellt.
• Funktionsweise des Heißkanals in einer Druckgussvorrichtung
• Das Druckgussverfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Heißkanals mit kombinierter Kanal- und Spitzenheizung beinhaltet ein synchronisiertes Zusammenwirken von Beheizung (realisiert durch Mikroheizpatronen), Druckbeaufschlagung (durch Bewegung des Gießkolbens) und Kühlung (durch Auffahren der beweglichen Werkzeughälfte) und anschließender Sprühkühlung der Oberflächen beider Werkzeughälften. Alle Vorgänge laufen periodisch ab, wobei die Periodendauer der Taktzeit τ entspricht. Die Mikroheizpatronen aller Teilkanäle werden mit einem identischen Pulsregime betrieben.
• Es wird eine Taktzeit τ = 10 s gewählt, die in drei Taktabschnitte τ₁ = 3 s, τ₂ = 4 s, τ₃ = 3 s unterteilt wird. Im Taktabschnitt τ₁ liegt die Heizleistung jeder Mikroheizpatrone auf einem Spitzenwert P₁ = 400 W. In den Taktabschnitten τ₂ und τ₃ liegt die Heizleistung jeder Mikroheizpatrone auf einem Basiswert P₀ = 40 W. Das Umschalten zwischen den Leistungsstufen P₀ und P₁ erfolgt mit einer Schaltzeit, die sehr viel kürzer ist als die Taktabschnitte. In den Taktabschnitten τ₁ und τ₂ sind die feste und bewegliche Werkzeughälfte miteinander verbunden, im Taktabschnitt τ₃ sind die beiden Werkzeughälften voneinander getrennt. Während des Taktabschnitts τ₂ befindet sich die Metallschmelze im Heißkanal unter dem Gießdruck P_G ≈ 160 bar, während der Taktabschnitte τ₁ und τ₃ befindet sie sich unter Normaldruck p_N . Die für den Druckauf- und -abbau notwendige Zeitspanne ist sehr viel kürzer als die Taktabschnitte. Das resultierende Betriebsregime ist schematisch in 4 dargestellt. Aufgrund der kurzen Schaltzeiten und der schnellen Druckänderungen handelt es sich um ein Rechteckregime. Die Taktabschnitte τ₁, τ₂, τ₃ beginnen jeweils zu den gleichindizierten Zeitpunkten t₁ , t₂ , t₃ .
• Als Ausgangssituation zur Beschreibung des periodischen Gesamtablaufs wird der Zustand im Zeitpunkt t₁ gewählt. Zum Zeitpunkt t₁ ist der Düsenkanal durch einen Pfropfen aus erstarrter ZAMAK-Schmelze verschlossen, der in einem Zylinder befindliche Gießkolben ist zurückgefahren, sodass sich der mit dem Heißkanal verbundene Zylinder mit ZAMAK-Schmelze aus dem Vorratsbehälter (Temperatur T = 440°C) gefüllt hat. Die Schmelze im Zylinder und im Heißkanal steht unter Normaldruck p_N = 1 bar.
• Im Zeitpunkt t₁ wird die Heizleistung der Mikroheizpatronen vom Basiswert P₀ auf den Spitzenwert P₁ umgeschaltet, gleichzeitig endet ein Auffahrvorgang der beweglichen Werkzeughälfte auf die feste Werkzeughälfte mit der Herstellung einer dichtschließenden Verbindung zwischen beiden Werkzeughälften. Die Düsenkanäle der festen Werkzeughälfte werden dadurch mit den zugehörigen Kanälen der beweglichen Werkzeughälfte, welche zu den Druckgussformen der Druckgusswerkstücke führen, verbunden. Die vom Glühstift, der sich bis auf 1350°C aufheizt, erzeugte Wärmeenergie wird durch Wärmestrahlung auf die Wandung der Hülse und von dort durch Festkörperwärmeleitung in die Hülsenspitze übertragen (passive Beheizung der Hülsenspitze). Die Hülsenspitze erhitzt den im Düsenkanal befindlichen Pfropfen und bewirkt sein vollständiges Aufschmelzen innerhalb des Taktabschnitts τ₁. Die hohe thermische Dynamik (kurze Dauer) dieses Aufschmelzens wird durch den niedrigwärmeleitenden, aus Hartkohle bestehenden Düseneinsatz gewährleistet, der die Wandung des Düsenkanals bildet und Wärmeverluste durch Wärmeleitung auf ein Minimum reduziert.
• Das Aufschmelzen des Pfropfens ist zum Zeitpunkt t₂ abgeschlossen, wodurch die Angussöffnung geöffnet wird. Zum Zeitpunkt t₂ erfolgen gleichzeitig die nachstehenden genannten Vorgänge: Die Heizleistung der Mikroheizpatronen wird auf den Basiswert P₀ = 40 W heruntergeschaltet. Der Gießkolben wird in eine Bewegung nach vorn (in Richtung der festen Werkzeughälfte) versetzt, wodurch die ZAMAK-Schmelze im Zylinder und im Heißkanal unter den Gießdruck p_G von ca. 160 bar gesetzt wird und durch die Teilkanäle und die Druckgussdüsen mit hoher Geschwindigkeit in die Kanäle der beweglichen Werkzeughälfte einschießt, die Druckgussformen füllt und darin aufgrund der niedrigen Temperatur der beweglichen Werkzeughälfte (ca. 120°C) erstarrt. Sobald die Druckgussformen gefüllt sind, kommt die inkompressible Metallschmelze im Heißkanal zum Stehen und die wärmesenkende Wirkung der beweglichen Werkzeughälfte kommt zum Tragen. Ausgehend von den Angussöffnungen setzt ein Erstarren der Schmelze in den Düsenkanälen ein, es bildet sich ein Pfropfen aus erstarrter Schmelze, der in den Düsenkanal hineinwächst. Am Ende des Taktabschnitts τ₂ ist der Pfropfen voll ausgebildet. Er füllt den Düsenkanal vollständig aus und verschließt die Angussöffnung sicher. Der Gießdruck p_G wird in einer Nachdrückphase bis zum Ende des Taktabschnitts τ₂ aufrechterhalten.
• Zum Zeitpunkt t₃ wird durch Zurückfahren des Gießkolbens der Druck auf die Metallschmelze im Heißkanal auf Normaldruck p_N gesenkt. Gleichzeitig werden die beiden Werkzeughälften durch Zurückfahren der beweglichen Werkzeughälfte voneinander getrennt, wobei der minimierte Anguss an der Angussöffnung, die wegen des verjüngten Düsenkanals eine Sollbruchstelle bildet, abreißt. Innerhalb des Taktabschnitts τ₃ werden die Druckgussformen in der beweglichen Werkzeughälfte geöffnet, die gefertigten Druckgusswerkstücke ausgeworfen, die Oberflächen beider Werkzeughälften sprühgekühlt, die Druckgussformen wieder geschlossen und die bewegliche Werkzeughälfte wieder auf die feste Werkzeughälfte aufgefahren. Am Ende des Taktabschnitts τ₃, im Zeitpunkt t₄ , ist die oben beschriebene Ausgangssituation wiederhergestellt und der beschriebene Ablauf beginnt mit dem nächsten Gießtakt von neuem. Der Zeitpunkt t₄ ist daher äquivalent zum Zeitpunkt t₁ .
• Je Gießtakt der Dauer τ = 10 s werden 16 Druckgusswerkstücke gefertigt. Daraus resultiert eine sehr hohe Produktivität (5760 Werkstücke je Stunde, Zeitaufwand je Werkstück: 0,625 s).
• Die hohe thermische Dynamik im Bereich der Druckgussdüse kann durch einfache Anpassungen ihrer Geometrie (weitere Miniaturisierung) noch gesteigert werden. Dazu werden in Weiterführung dieses Ausführungsbeispiels lediglich die Abmessungen x und y verkleinert (auf x = 2 mm, y = 1,5 mm), während die übrigen Abmessungen unverändert bleiben. Daraus resultiert ein Volumen V_R des ringspaltförmigen Düsenkanals von nur noch 6,9 mm³. Aufgrund des dadurch verringerten Pfropfenvolumens kann der der Pfropfen in kürzerer Zeit zum Aufschmelzen und Erstarren gebracht werden, was eine weitere Verkürzung der Taktzeit τ ermöglicht.
• Bei einer Verkürzung der Taktzeit auf 6 s steigt die Produktivität auf 9600 Werkstücke je Stunde (Zeitaufwand je Werkstück: 0,375 s).
• Die in 1-3 dargestellte Anordnung kann beliebig im Raum gedreht werden, wobei eine waagerechte Lage des Hauptkanals 23 bevorzugt ist. In diesem Fall verlaufen die Achse des zylindrischen Bauteils und die Achse der Anordnung der Druckgussformen in der beweglichen Werkzeughälfte waagerecht. Nach Öffnung der beweglichen Werkzeughälfte entlang einer senkrecht stehenden, durch die Druckgussformen verlaufenden Ebene können die Druckgusswerkstücke als freifallende Teile ausgeworfen werden.
• Ausführungsbeispiel 2
• Verzweigter Heißkanal gemäß Ausführungsbeispiel 1 mit zusätzlicher aktiver Beheizung des Hauptkanals durch eine zentral angeordnete Heizpatrone
• Die in Ausführungsbeispiel 1 beschriebene Vorrichtung, bei der sich die Beheizung auf die Druckgussdüsen beschränkt, wird durch eine zusätzliche Heizpatrone ergänzt, die eine aktive Beheizung des ersten Abschnitts des Heißkanals (Hauptkanal 23) gewährleistet.
• Die entsprechend weiterentwickelte Vorrichtung ist schematisch in 5a dargestellt. Der Hauptkanal 23 weist zwei seitliche Zuführungen 23a, 23b auf, über die die Schmelze S zuführbar ist. Entlang der Symmetrieachse A wird eine Heizpatrone installiert, die aus einer Glühkerze 28a und einer darübergestülpten Hülse 29a aus Wolfram mit Kohlenstoff-Beschichtung besteht. Diese wird in einem Dichtsitz, der durch den Grafitkörper der Wandung 24 gebildet wird, fixiert. Die Fixierung erfolgt durch die mit einem Federmechanismus erzeugte Kraft F. Analog zu 3 kann die Hülse durch eine (in 5a nicht dargestellte) Kraft F', die unabhängig von F ist, fixiert werden. Der Hauptkanal 23 kann in unterschiedlichen Längen ausgeführt sein. 5b zeigt eine Ausführungsform mit einem längeren Hauptkanal 23, deren übrige Merkmale mit denen der Ausführungsform in 5a übereinstimmen.
• Im Hauptkanal soll die Metallschmelze in thermisch träges Verhalten zeigen, sie soll ihre Ausgangstemperatur also annähernd beibehalten. Die Heizpatrone hat die Aufgabe, Wärmeverluste der Schmelze, die auf dem vom Vorratsbehälter ausgehenden Transportweg aufgetreten sind, auszugleichen. Um die Ausgangstemperatur der Schmelze aufrechtzuerhalten, wird die Heizpatrone mit variabler Leistung betrieben, die durch einen mit einer Temperaturmessvorrichtung verbundenen Regler geregelt wird. Jedoch erfolgen dabei, im Gegensatz zu den Heizelementen der Druckgussdüsen, keine abrupten Leistungsumschaltungen. Da die Heizpatrone somit nicht gepulst betrieben wird, kann sie mit einer kostengünstigen Glühkerze ausgestattet werden, eine für den Pulsbetrieb geeignete NHTC-Glühkerze ist nicht erforderlich. Es wird eine Metallstabglühkerze eingesetzt, deren metallischer Glühstift durch die übergestülpte Hülse aus Wolfram geschützt ist.
• Die eigentliche Beheizung des Hauptkanals erfolgt durch die aktiv beheizte Hülse 29a, eine (passiv beheizte) Hülsenspitze ist nicht erforderlich.
• Im Übrigen stimmen Aufbau und Funktionsweise der Vorrichtung mit der Darstellung in Ausführungsbeispiel 1 überein.
• Ausführungsbeispiel 3
• Verzweigter Heißkanal gemäß Ausführungsbeispiel 1 mit zusätzlicher passiver Beheizung des Hauptkanals durch mehrere benachbart zum Hauptkanal symmetrisch angeordnete Heizpatronen
• Die Anordnung in Ausführungsbeispiel 2 gewährleistet aufgrund der zentralen, Positionierung der Heizpatrone auf der Symmetrieachse A eine gleichmäßige Beheizung des Hauptkanals, jedoch ist die Fertigung der seitlichen Zuführungen 23a, 23b sehr aufwendig. Dieser Nachteil wird in Ausführungsbeispiel 3 überwunden.
• Hierbei ist die Wandung 24 des Hauptkanals 23 mit parallel zur Symmetrieachse A verlaufenden Aufnahmen ausgestattet, in die Heizpatronen passgenau eingesetzt sind. Um den Heißkanal annähernd gleichmäßig zu beheizen, sind vier Aufnahmen mit Heizpatronen so angeordnet, dass sie gleiche Abstände zur Symmetrieachse A aufweisen und durch eine 90°-Drehung um A ineinander übergehen. Die Anordnung der Heizpatronen weist somit eine 4-zählige Symmetrie auf.
• 6 zeigt einen Schnitt durch einen so ausgeführten Heißkanal. In Aufnahmen 40 sind Heizpatronen 41, aufweisend einen Schaft 42 und einen Heizstab 43, eingesetzt. Im Betrieb der Heizpatrone 41 bildet sich aufgrund thermischer Ausdehnung des Heizstabs 43 ein straffer flächiger Kontakt des Heizstabs 43 zur Aufnahme 40 aus, sodass eine sehr gute Wärmeleitung in die Wandung 24 gewährleistet wird. Ist die Heizpatrone 41 hingegen außer Betrieb und abgekühlt, so kann sie leicht aus der Aufnahme herausgezogen und ausgetauscht werden. Im Schnittbild sind zwei Heizpatronen 41 sichtbar, vor und hinter der Zeichenebene befindet sich jeweils eine weitere Heizpatrone. Die weiteren Elemente in 6 wurden bereits in Bezug auf 2 beschrieben.
• Der Schaft 42 der Heizpatrone 41 ist in der Aufnahme 40 befestigt, wobei die Befestigung ist stabil, aber leicht und schnell lösbar auszuführen ist. Geeignet ist ein Federmechanismus, der bei Entlastung ein Herausziehen der Heizpatrone 41 ermöglicht. Ebenso geeignet ist eine Schraubverbindung von Schaft 42 und Aufnahme 40. Solche Verbindungen gewährleisten einen schnellen Austausch defekter Heizpatronen.
• Da die Heizpatronen nicht in Berührung mit der aggressiven Metallschmelze kommen, sind kostengünstige handelsübliche Stabheizpatronen einsetzbar. Analog zu Ausführungsbeispiel 2 werden die Heizpatronen mit variabler Leistung betrieben, die durch einen mit einer Temperaturmessvorrichtung verbundenen Regler geregelt wird. Da die von den Heizstäben 43 erzeugte Wärmeenergie nicht unmittelbar in die Metallschmelze S fließt, sondern zunächst durch Wärmeleitung die Wandung 24 erwärmt, welche dann die Metallschmelze S beheizt, handelt sich gemäß der obigen Festlegung um eine passive Beheizung.
• Die Anzahl der Aufnahmen 40 mit Heizpatronen 41 ist nicht auf vier beschränkt, sondern weitgehend frei wählbar. Bereits zwei gegenüberliegende Heizpatronen (wie im Schnittbild der 6) gewährleisten eine symmetrische Beheizung des Hauptkanals 23. Bevorzugt sind 3 bis 6 Aufnahmen mit Heizpatronen, die regelmäßig um den Hauptkanal zu verteilen sind. Mit wachsender Anzahl der Heizpatronen verbessert sich die Gleichmäßigkeit der Beheizung des Hauptkanals. Mehr als 6 Aufnahmen mit Heizpatronen sind einsetzbar, aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des die Wandung 24 des Hauptkanals 23 bildenden Elektrografits reichen 6 Heizpatronen zur gleichmäßigen Beheizung des Hauptkanals 23 aus.
• Alle Abbildungen sind stark vereinfacht. Nicht dargestellt sind beispielsweise die elektrischen Zuleitungen, mit denen alle Heizelemente ausgestattet sind. Die Notwendigkeit dieser und weiterer nicht dargestellter Elemente, wie z. B. Steuer- und Regeleinheiten, ist dem Fachmann selbstverständlich bekannt.
• Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in der erfindungsgemäßen Lösung und in den Beispielen beschriebenen Ausführungsformen. Vielmehr können diese beliebig miteinander kombiniert und durch den Fachmann erweitert werden. Der Fachmann ist in der Lage, die auf den Zinkdruckguss (ZAMAK-Legierungen) gerichteten Ausführungsbeispiele für andere Metalle anzupassen.
• Ferner kann der Fachmann aus den in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Lösungen, die auf verzweigte Heißkanäle gerichtet sind, unmittelbar eine Lösung für einen nicht verzweigten Heißkanal ableiten. Dazu wird der Hauptkanal mit einer aktiv oder passiv beheizten Druckgussdüse ausgestattet, während die Teilkanäle mit den beheizten Druckgussdüsen entfallen.
• Auch solche Anpassungen fallen unter den beanspruchten Schutzumfang der vorliegenden Patentanmeldung.
• Ebenso ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Heizpatrone (Glühkerze mit Hülse) und Mikroheizpatrone (Glühkerze mit Hülse und Hülsenspitze) nicht auf Warmkammer-Druckgussvorrichtungen beschränkt. Sie können auch als lokale Wärmequellen an Engstellen von metallischen Gussformen für den Metallguss eingesetzt werden, an denen durch vorübergehende Erwärmung ein lokales Erstarren der Schmelze verhindert werden muss, um die Gussform vollständig mit Schmelze zu füllen. Zudem können sie auch in technischen Vorrichtungen aus entfernt liegenden Gebieten, in denen eine effiziente Beheizung und ein schnelles Wechseln von Heizelementen bei hoher Betriebstemperatur gefordert wird, eingesetzt werden.
• Bezugszeichenliste

20

- Heißkanal

21

- zylindrisches Bauteil

22

- Wandungen des zylindrischen Bauteils

23

- Hauptkanal

23a, 23b

- seitliche Zuführungen zum Hauptkanal

24

- Wandung des Hauptkanals

25A-25H

- längere Teilkanäle

25a-25h

- kürzere Teilkanäle

26

- Druckgussdüse

27

- Düseneinsatz

28, 28a

- Glühkerze

29, 29a

- Hülse

30

- Projektionen von Druckgussformen

31

- Stopfen

32

- Schaft der Glühkerze

33

- Glühstift

34

- Wand der Hülse

35

- Luftspalt

36

- Hülsenspitze

37

- Düsenkanal

38

- Angussöffnung

40

- Aufnahme in der Wandung des Hauptkanals

41

- Heizpatrone, angeordnet in dieser Aufnahme

42

- Schaft der Heizpatrone

43

- Heizstab der Heizpatrone

a

- Ortskoordinate in Richtung des Heißkanals

A

- Symmetrieachse

D

- Düsenbereich

F

- Kraft auf Glühkerze und Hülse

F'

- Kraft nur auf Hülse

h

- Länge des Düsenkanals = Länge der Hülsenspitze

λ

- Wärmeleitfähigkeit

p

- Druck

p_N

- Normaldruck

p_G

- Gießdruck

P

- elektrische Heizleistung

P₀

- Basiswert der Heizleistung

P₁

- Spitzenwert der Heizleistung

r

- radiale Ortskoordinate

S

-Schmelze

t

- Zeit

t₁, t₄

- Zeitpunkt des Schaltens von P₀ auf P₁

t₂

- Zeitpunkt des Schaltens von P₁ auf P₀ und des Druckaufbaus

t₃

- Zeitpunkt des Druckabbaus

τ

- Taktzeit eines Gießtakts mit den Taktabschnitten τ₁, τ₂, τ₃

T

- Temperatur

ΔT

- Temperaturdifferenz

ΔT/Δa

- Temperaturgradient in Richtung des Heißkanals

ΔT/Δr

- radialer Temperaturgradient

ΔT/Δt

- Aufheizgeschwindigkeit, Temperaturwechselbelastung

V_G

- Volumen des Glühstifts

V_R

- Volumen des ringspaltförmigen Düsenkanals

X-X

- Schnittebene

x

- Durchmesser des Düsenkanals

y

- Durchmesser der Hülsenspitze

Claims (15)

1. Heißkanal (20) zum Transport einer Metallschmelze (S) aus Gießmetall, geeignet zum Einbau in die feste Werkzeughälfte einer Warmkammer-Druckgussvorrichtung für den Metalldruckguss, verbunden mit einem Düsenkanal (37) von mindestens einer Druckgussdüse (26), dadurch gekennzeichnet, dass jede Druckgussdüse (26) mit einem entlang der Achse ihres Düsenkanals (37) positionierten Heizelement ausgestattet ist, wobei ein Teil dieses Heizelements bis in den Bereich einer am Ende des Düsenkanals (37) befindlichen Angussöffnung (38) reicht, sodass der Düsenkanal (37) eine spaltförmige Gestalt mit dem Volumen V_R erhält, wobei der Heißkanal (20) als einteiliger, zweiteiliger oder mehrteiliger Einsatz (22, 24, 31) ausgeführt ist, der aus einem gegenüber der Metallschmelze chemisch resistenten Material mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht oder zumindest mit einem solchen Material ausgekleidet ist, wobei die Wandung des Düsenkanals (37) der mindestens einen Druckgussdüse (26) durch einen passgerecht in einer Aussparung des Einsatzes (22, 24, 31) positionierten hohlzylinderartigen Düseneinsatz (27) gebildet wird, welcher aus einem gegenüber der Metallschmelze chemisch resistenten Material mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit besteht und eine hohe thermische Dynamik des Gießmetalls im Düsenkanal (37) gewährleistet.
2. Heißkanal (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch resistente Material mit guter Wärmeleitfähigkeit Elektrografit, Wolfram (W), Molybdän (Mo) oder MoW-Legierungen umfasst, während das chemisch resistente Material mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit Hartkohle oder Kohlenstoffgrafit umfasst.
3. Heißkanal (20) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als verzweigter Heißkanal ausgeführt ist, aufweisend einen Hauptkanal (23), der sich in mindestens zwei Teilkanäle (25A, 25B, ...) verzweigt, wobei die Verzweigung bevorzugt unter einem rechten Winkel erfolgt.
4. Heißkanal (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkanäle (25A, 25B, ...) an ihrem Ende eine zum Düsenkanal (37) einer Druckgussdüse (26) führende Umlenkung aufweisen, wobei die Umlenkung bevorzugt unter einem der Verzweigung entgegengesetzten Winkel erfolgt.
5. Heißkanal (20) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkanal (23) mit einem Heizelement (28a, 29a) aktiv oder mit mehreren Heizpatronen (41) passiv beheizbar ist und die Teilkanäle (25A, 25B, ...) mit einem Heizelement (28, 29) passiv beheizbar sind.
6. Heißkanal (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgussdüsen (26) einen Düsenkanal (37) mit einem Durchmesser x ≤ 7 mm, bevorzugt x ≤ 5 mm und besonders bevorzugt als miniaturisierte Druckgussdüsen einen Düsenkanal mit einem Durchmesser x ≤ 3 mm aufweisen.
7. Heizelement zur Beheizung des Hauptkanals (23), der Teilkanäle (25A, 25B, ...) und der Druckgussdüsen (26) eines Heißkanals (20) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Heizelement einen elektrischen Heizleiter, der hermetisch elektrisch isolierend ummantelt ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement eine über den hermetisch elektrisch isolierenden Heizleiter gestülpte Hülse (29) aufweist, sodass ein direkter Kontakt der elektrisch isolierenden Ummantelung mit der durch den Heißkanal (20) strömenden flüssigen Metallschmelze ausgeschlossen ist.
8. Heizelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement ausgeführt ist als Glühkerze (28) mit einem als Glühstift (33) ausgeführten keramisch ummantelten Heizleiter.
9. Heizelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühkerze (28) ausgeführt ist als vollkeramische Glühkerze, aufweisend einen keramischen Heizleiter mit keramischer elektrisch isolierender Ummantelung.
10. Heizelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Glühkerzen (28) kommerziell verfügbare Glühkerzen aus der Dieselmotorentechnik eingesetzt werden.
11. Heizelement nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (29) in einer Hülsenspitze (36) ausläuft, deren Außendurchmesser hinreichend klein gewählt wird, um diese Hülsenspitze (36) im Düsenkanal (37) einer miniaturisierten Druckgussdüse (26) zu positionieren, sodass das Heizelement eine Mikroheizpatrone bildet.
12. Heizelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (29) und die Hülsenspitze (36) aus einem hochwärmeleitfähigen und gegenüber Metallschmelzen chemisch resistenten Material, vorzugsweise einem Refraktärmetall oder einer Legierung aus Refraktärmetallen, ausgeführt sind.
13. Heizelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (29) und die Hülsenspitze (36) aus mit Kohlenstoff oder AICrN beschichtetem Wolfram oder TZM ausgeführt sind.
14. Verfahren zum Betrieb einer Warmkammer-Druckgussvorrichtung, die eine feste und eine bewegliche Werkzeughälfte aufweist und mit einem Heißkanal gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 und Heizelementen gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13 ausgestattet ist, zum Gießen von Druckgusswerkstücken mit minimiertem Anguss bei Taktzeiten τ ≤ 20 s, bevorzugt τ ≤ 15 s, besonders bevorzugt τ ≤ 10 s und ganz besonders bevorzugt τ ≤ 5 s, gekennzeichnet durch die gleichmäßige Beheizung des Heißkanals mit mindestens einem Heizelement regelbarer Heizleistung und die gepulste Beheizung der Düsenkanäle der Druckgussdüsen durch jeweils ein gepulst betriebenes Heizelement, sodass im Bereich des Heißkanals eine hohe thermische Trägheit des Gießmetalls, im Bereich der Düsenkanäle hingegen eine hohe thermische Dynamik des Gießmetalls gewährleistet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es realisiert wird als periodisches Verfahren mit der Taktzeit τ, bestehend aus den Taktabschnitten τ₁, τ₂, τ₃, die wie folgt charakterisiert sind: τ₁: bewegliche Werkzeughälfte auf die feste Werkzeughälfte aufgefahren, Metallschmelze im Heißkanal unter Normaldruck p_N, Leistung der Heizelemente der Druckgussdüsen auf Spitzenwert P₁, dabei ablaufender Vorgang: Aufschmelzen eines Pfropfens im Volumen V_R der Düsenkanäle der Druckgussdüsen, dadurch Öffnen der Druckgussdüsen , τ₂: bewegliche Werkzeughälfte auf die feste Werkzeughälfte aufgefahren, Metallschmelze im Heißkanal unter Gießdruck p_G, Leistung der Heizelemente der Druckgussdüsen auf Basiswert P₀, dabei ablaufende Vorgänge: Füllung von Druckgussformen, Erstarren von Druckgusswerkstücken in den Druckgussformen, Erstarren eines Pfropfens im Volumen V_R der Düsenkanäle der Druckgussdüsen, dadurch Verschließen der Druckgussdüsen, τ₃: bewegliche Werkzeughälfte von der festen Werkzeughälfte zurückgefahren, Metallschmelze im Heißkanal unter Normaldruck p_N, Leistung der Heizelemente der Druckgussdüsen auf Basiswert P₀, dabei ablaufender Vorgang: Auswerfen der Druckgusswerkstücke aus den Druckgussformen.

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