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Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckübersetzervorrichtung zur Druckerhöhung in einem Druckfluidraum einer Kolben/Zylinder-Einheit und auf ein damit ausgerüstetes Gießaggregat für eine Druckgießmaschine.
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Eine solche Druckübersetzervorrichtung kommt beispielsweise zur Druckerhöhung in einem Druckfluidraum einer Gießkolben/Gießzylinder-Einheit zum Einsatz, mit der ein Gießaggregat einer Druckgießmaschine ausgerüstet ist. Sie kann aber darüber hinaus für beliebige andere Zwecke überall dort verwendet werden, wo eine Druckerhöhung in einem Druckfluidraum einer Kolben/Zylinder-Einheit benötigt wird. In der vorliegend betrachteten Bauweise ist die Druckübersetzervorrichtung selbst als Kolben/Zylinder-Einheit mit einem Druckübersetzerzylinder und einem in diesem axialbeweglich geführten Druckübersetzerkolben gefertigt. In Druckgießmaschinen dient die Druckübersetzervorrichtung vor allem dazu, den erhöhten Nachdruck für einen Gießkolben gegen Ende eines Gießvorgangs bereitzustellen. Der Druckübersetzer wird hierbei auch häufig als Multiplikator bezeichnet.
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Herkömmlicherweise ist in einen Zulauf zum Druckfluidraum einer zu steuernden Gießkolben/Gießzylinder-Einheit ein Rückschlagventil eingebaut, um einen Rückfluss von Druckmedium aus dem druckerhöhten Druckfluidraum z.B. zurück zu einem Druckfluidspeicher zu vermeiden. Bei einer in der Patentschrift
DE 19 49 360 C3 offenbarten Multiplikatorvorrichtung ist das Rückschlagventil in den Multiplikatorkolben integriert.
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Bei gattungsgemäßen Druckübersetzervorrichtungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 weist der Druckübersetzerzylinder einen Austrittsbereich, einen Zulaufbereich stromaufwärts des Austrittsbereichs und einen Kolbenführungsraum auf. Der Druckübersetzerkolben beinhaltet ein im Kolbenführungsraum geführtes Kolbenteil und eine sich vom Kolbenteil in Richtung Zulaufbereich erstreckende Kolbenstange, die eine Fluidverbindung von Zulaufbereich und Austrittsbereich in einer maximal zurückbewegten Freigabestellung freigibt und in einer maximal vorbewegten Blockierstellung mit einem freien Endabschnitt blockiert, mit dem sie sich in den Austrittsbereich hinein erstreckt.
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Die Patentschrift
EP 2 365 888 B1 offenbart eine gattungsgemäße Druckübersetzervorrichtung mit integriertem Rückschlagventil. Im Austrittsbereich ist bei dieser bekannten Druckübersetzervorrichtung eine mit begrenztem Hub axialbewegliche Ventilhülse angeordnet, die an ihrer dem Multiplikatorkolben zugewandten Stirnseite einen konischen Ventilkegelsitz aufweist, der mit einer korrespondierend konisch ventilkegelförmig gestalteten freien Stirnseite der Multiplikator-Kolbenstange ein Rückschlagventil bildet. Dazu schließt die Ventilhülse mit ihrer Ventilsitz-Stirnseite axial an den Zulaufbereich an, der als ein Zylinderabschnitt mit gegenüber einem Kolbenstangenführungsabschnitt und einem eintrittsseitigen Abschnitt des Austrittsbereichs bzw. der Ventilhülse größerem Durchmesser gebildet ist. Die Kolbenstange ist im Kolbenstangenführungsabschnitt des Druckübersetzerzylinders zwischen dem Kolbenführungsraum und dem Zulaufbereich geführt. Über eine oder mehrere Durchlassbohrungen am Endabschnitt der Multiplikator-Kolbenstange steht ein Kolbenraum des Multiplikators mit dem Zulaufbereich in Verbindung. Beim Vorbewegen schlägt der Multiplikatorkolben gegen die zugewandte Stirnseite der Ventilhülse an, wodurch das davon gebildete Rückschlagventil geschlossen wird. Anschließend nimmt der Multiplikatorkolben die Ventilhülse bei der weiteren Vorwärtsbewegung mit.
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Rückschlagventile sind gerade auch beim Einsatz in Gießkolben/Gießzylinder-Einheiten von Druckgießmaschinen nicht unproblematisch. Sie bedeuten Herstellungsaufwand, sind ausfallgefährdet und verschleißanfällig. So können bei federbetätigten Ventilen durch Federbruch teils erhebliche Sekundärschäden auftreten.
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Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Druckübersetzervorrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, die sich mit vergleichsweise geringem Aufwand fertigen lässt und eine hohe Funktionszuverlässigkeit und geringe Verschleißneigung besitzt. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines mit einer solchen Druckübersetzervorrichtung ausgerüsteten Gießaggregats für eine Druckgießmaschine.
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Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Druckübersetzervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eines Gießaggregats mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Druckübersetzervorrichtung weist der Austrittsbereich des Druckübersetzerzylinders in einem Abschnitt, der vom freien Kolbenstangen-Endabschnitt bei Bewegung von seiner Freigabestellung in seine Blockierstellung passiert wird, einen Durchtrittsquerschnitt auf, der mindestens so groß ist wie ein Stangenquerschnitt des freien Kolbenstangen-Endabschnitts. Dies hat zur Folge, dass sich der Druckübersetzerkolben mit seiner Kolbenstange unbehindert in den Austrittsbereich hinein erstrecken kann, wenn er zur Bereitstellung der gewünschten Druckerhöhung vorbewegt wird. Der Multiplikatorkolben kann sich bei Bedarf mit seiner Kolbenstange durch den Austrittsbereich des Multiplikatorzylinders hindurch und über diesen hinaus bis in den Druckfluidraum der angekoppelten Kolben/Zylinder-Einheit hinein vorbewegen, um die gewünschte Druckerhöhung durch entsprechende Volumenverdrängung bereitzustellen. Ein Rückschlagventil kann bei dieser Druckübersetzervorrichtung entfallen, und durch den Wegfall entsprechender beweglicher Ventilbauteile verringert sich der Herstellungsaufwand. Ausfälle und Fehlfunktionen, die durch ein derartiges Rückschlagventil bei herkömmlichen Druckübersetzervorrichtungen auftreten können, entfallen ebenso, wie z.B. Federbrüche von federbetätigten mechanischen Bauteilen.
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Ein nennenswerter Rückfluss von Druckfluid aus dem Druckfluidraum einer angekoppelten Kolben/Zylinder-Einheit bzw. aus dem Austrittsbereich des Druckübersetzerzylinders zurück in den Zulaufbereich wird dadurch verhindert, dass der Multiplikatorkolben mit seiner Kolbenstange in der Blockierstellung die ansonsten freigegebene Fluidverbindung von Zulaufbereich und Austrittsbereich blockiert. Je nach Bedarf kann das Blockieren dieser Fluidverbindung als vollständiges Absperren oder lediglich als ein überwiegendes Absperren des maximalen Durchlassquerschnitts dieser Fluidverbindung realisiert sein. In letzterem Fall verbleibt eine Restfluidverbindung von Zulaufbereich und Austrittsbereich, deren Durchflussquerschnitt deutlich geringer ist als der maximale Durchflussquerschnitt bei in die Freigabestellung zurückbewegter Kolbenstange, z.B. kleiner als 10% und vorzugsweise kleiner als 1% dieses maximalen Durchflussquerschnitts, in besonders vorteilhaften Ausführungen im Bereich von ca. 0,01% bis ca. 0,1% des maximalen Durchflussquerschnitts. Eine solche Restfluidverbindung kann z.B. durch einen oder mehrere entsprechende Spaltbereiche zwischen dem Außenumfang der Kolbenstange und einem Innenumfang eines gegenüberliegenden zylindrischen Abschnitts des Austrittsbereichs gebildet sein. Sie führt in entsprechenden Anwendungsfällen nicht zu einer merklichen Beeinträchtigung der Druckerhöhungsfunktion der Druckübersetzervorrichtung, beispielsweise bei Verwendung in einem Gießaggregat einer Druckgießmaschine unter Berücksichtigung des raschen Zeitablaufs einer typischen Druckerhöhungsphase gegen Ende eines Gießvorgangs.
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Der Wegfall eines Rückschlagventils bedeutet zudem den Wegfall eines dadurch bedingten zeitverzögerten Verhaltens hinsichtlich der Druckanstiegszeit für die von der Druckübersetzervorrichtung bereitgestellte Druckerhöhung, was beim Einsatz in Druckgießmaschinen den Gießprozess verbessern kann. Ein erfindungsgemäßes Gießaggregat, das mit der erfindungsgemäßen Druckübersetzervorrichtung ausgerüstet ist, ermöglicht folglich eine erhöhte Wirtschaftlichkeit der Druckgießmaschine und eine erhöhte Qualität der damit gegossenen Produkte.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Druckübersetzerzylinder als einstückiges Bauteil gefertigt. Dies trägt zur Minimierung des Herstellungsaufwands bei. Dabei kann das einstückige Druckübersetzerzylinder-Bauteil direkt an den Druckfluidraum der Kolben/Zylinder-Einheit angekoppelt sein, in welchem die Druckerhöhung benötigt wird, wie an einen Druckfluid-Arbeitsraum einer Gießkolben/Gießzylinder-Einheit einer Druckgießmaschine.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Austrittsbereich des Druckübersetzerzylinders als ein gegenüber dem Zulaufbereich radial verengter Abschnitt ausgebildet. Der Druckübersetzerkolben kann bei dieser Ausführungsform die Fluidverbindung von Zulaufbereich und Austrittsbereich dadurch blockieren, dass er sich vom Zulaufbereich mit dem größeren Querschnitt in den Austrittsbereich mit dem verengten, geringeren Querschnitt vorbewegt. Zweckmäßigerweise ist in diesem Fall der Querschnitt des sich in den Austrittsbereich hinein erstreckenden freien Kolbenstangen-Endabschnitts ungefähr so groß oder nur wenig geringer, z.B. weniger als 10% und vorzugsweise weniger als 1% geringer, als der ihn aufnehmende Abschnitt des Austrittsbereichs, insbesondere z.B. geringer als ca. 0,01% bis ca. 0,1% hiervon.
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In einer Ausgestaltung dieser Realisierung ist ein Durchmesser des betreffenden Abschnitts des Austrittsbereichs größer als ein Durchmesser des freien Kolbenstangen-Endabschnitts, so dass sich bei in den Austrittsbereich hinein vorbewegendem Kolbenstangen-Endabschnitt ein zwischenliegender Ringspalt bildet. Je nach Anwendungsfall kann dieser Ringspalt offen bleiben oder mittels einer geeigneten Ringdichtung abgedichtet sein.
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In einer anderweitigen Ausgestaltung weist der Umfangsrand des den freien Kolbenstangen-Endabschnitt aufnehmenden Austrittsbereich-Zylinderabschnitts eintrittsseitig einen Einführkonus auf. Dieser kann das Einführen der vom Zulaufbereich in den Austrittsbereich hinein vorbewegten Kolbenstange erleichtern. Bei Bedarf kann die Kolbenstange an ihrer freien Stirnseite korrespondierend konisch geformt sein.
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In Weiterbildung der Erfindung weist der Druckübersetzerzylinder zwischen dem Kolbenführungsraum und dem Zulaufbereich einen Kolbenstangenführungsabschnitt auf. Dieser kann die Führung des Multiplikatorkolbens während seiner Axialbewegung unterstützen. Dabei kann es fertigungstechnisch vorteilhaft sein, den Kolbenstangenführungsabschnitt mit dem gleichen Durchmesser auszubilden wie demjenigen des die vorbewegte Kolbenstange aufnehmenden Abschnitts des Austrittsbereichs.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weisen der Austrittsbereich und der Zulaufbereich des Druckübersetzerzylinders Abschnitte gleichen Querschnitts auf, wobei der Zulaufbereich außerdem eine radiale Zulaufbohrung beinhaltet, die radial von außen in diesen Zulaufbereich-Abschnitt des Druckübersetzerzylinders mündet. Dies ermöglicht eine besonders einfache Fertigung des Druckübersetzerzylinders und eine sehr sichere Führung des Multiplikatorkolbens bei seiner druckerhöhenden Vorwärtsbewegung. Durch das Vorbewegen des Multiplikatorkolbens kann die radiale Zulaufbohrung abgesperrt und auf diese Weise die Funktion zum Blockieren der Fluidverbindung von Zulaufbereich und Austrittsbereich bereitgestellt werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung beinhaltet der Zulaufbereich mindestens eine radiale Bohrung und eine mit dieser in Verbindung stehende, stirnseitig ausmündende Axialbohrung im freien Kolbenstangen-Endabschnitt. Das Druckfluid wird folglich bei dieser Ausführungsform durch den freien Endabschnitt der Multiplikator-Kolbenstange hindurch dem Druckfluidraum der zu steuernden Kolben/Zylinder-Einheit zugeführt. Bei dieser Realisierung lässt sich die Fluidverbindung von Zulaufbereich und Austrittsbereich mittels Absperren der radialen Kolbenstangenbohrung durch den Austrittsbereich blockieren. Der Multiplikatorkolben kann sich bei Bedarf mit seiner Kolbenstange schon in der maximal zurückbewegten Freigabestellung bis in den Austrittsbereich hinein erstrecken, was die Führung des Multiplikatorkolbens im Multiplikatorzylinder weiter verbessern kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung beinhaltet der Zulaufbereich mindestens einen axialen Längsnutkanal an einer Umfangsseite des freien Endabschnitts der Multiplikatorkolbenstange. In diesem Fall strömt das der zu steuernden Kolben/Zylinder-Einheit zuzuführende Druckfluid entlang des oder der axialen Kolbenstangen-Längsnutkanäle in den Druckfluid-Arbeitsraum der zu steuernden Kolben/Zylinder-Einheit. Die Blockierung der Fluidverbindung von Zulaufbereich und Austrittsbereich kann bei dieser Ausführungsvariante mittels Absperren des oder der axialen Längsnutkanäle vom übrigen, eintrittsseitigen Zulaufbereich durch den Austrittsbereich bewirkt werden. Auch bei dieser Ausführungsform kann sich der Multiplikatorkolben mit seiner Kolbenstange in der maximal zurückbewegten Freigabestellung noch bis in den Austrittsbereich hinein erstrecken.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Multiplikatorvorrichtung mit angekoppelter Gießkolben/Gießzylinder-Einheit eines Gießaggregats einer Druckgießmaschine in einer Ausgangsstellung,
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2 eine Seitenansicht einer beispielhaften baulichen Realisierung der Anordnung von 1,
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3 die Ansicht von 1 in einer ersten Gießphase eines Gießvorgangs der Druckgießmaschine,
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4 die Ansicht von 1 in einer zweiten Gießphase vor Multiplikatorstart,
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5 die Ansicht von 1 während der zweiten Gießphase nach Multiplikatorstart,
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6 die Ansicht von 1 bei Druckerhöhungsstart zu Beginn einer dritten Gießphase,
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7 die Ansicht von 1 während einer Nachverdichtung in der dritten Gießphase,
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8 die Ansicht von 1 bei Abschluss der dritten Gießphase,
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9 die Ansicht von 2 für eine Variante mit Ringspaltabdichtung,
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10 die Ansicht von 2 für eine Variante mit querschnittgleichem Zulauf- und Austrittbereich,
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11 die Ansicht von 2 für eine Variante mit axialer Zulaufbohrung im freien Endabschnitt der Multiplikator-Kolbenstange,
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12 die Ansicht von 2 für eine Variante mit axialen Zulauf-Längsnutkanälen im freien Endabschnitt der Multiplikator-Kolbenstange und
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13 die Ansicht von 1 für eine Variante mit gegenüber der angesteuerten Kolben/Zylinder-Einheit gewinkelt angeordneter Multiplikatorvorrichtung.
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Die in 1 schematisch dargestellte Anordnung umfasst eine Druckübersetzervorrichtung 1, auch Multiplikatorvorrichtung oder kurz Multiplikator genannt, die an eine Kolben/Zylinder-Einheit, hier in Form einer Gießkolben/Gießzylinder-Einheit 2 einer Druckgießmaschine, angekoppelt ist. 2 zeigt eine mögliche vorteilhafte bauliche Ausführung dieser Anordnung. Soweit hier nicht dargestellt, weisen ein die Gießkolben/Gießzylinder-Einheit 2 umfassendes Gießaggregat und die damit ausgerüstete Druckgießmaschine einen herkömmlichen Aufbau auf.
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In üblicher Weise beinhaltet die vom Multiplikator angesteuerte Gießkolben/Gießzylinder-Einheit 2 einen Gießzylinder 3 und einen Gießkolben 4, der mit einem Kopfteil 4a im Gießzylinder 3 geführt ist. Der Kopfteil 4a stützt sich über ein mitbewegtes Dichtungs- und Führungssystem 5a fluiddicht an einer Innenwand des Gießzylinders 3 ab und unterteilt diesen in einen Gießkolben-Kopfraum 6 und einen Gießkolben-Ringraum 7. Der Gießkolben 4 erstreckt sich mit einem Kolbenstangenteil an dem Ende, das dem Kopfteil 4a gegenüberliegt, aus dem Gießzylinder 3 unter Abdichtung durch ein an einer zugehörigen stirnseitigen Durchlassbohrung des Gießzylinders 3 angeordneten Dichtungs- und Führungssystem 5b hinaus. Eine Ablaufleitung 8 mit zugehörigem Ablaufventil 9 führt aus dem Gießkolben-Ringraum 7 ab.
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Der Multiplikator 1 ist ebenfalls als Kolben/Zylinder-Einheit ausgeführt und umfasst einen Druckübersetzerzylinder 10 und einen in diesem axial beweglich geführten Druckübersetzerkolben 11. Der Multiplikatorzylinder 10 umfasst einen Austrittsbereich 12, einen Zulaufbereich 13 stromaufwärts des Austrittsbereichs 12 und einen Kolbenführungsraum 14. Zusätzlich weist er zwischen dem Kolbenführungsraum 14 und dem Zulaufbereich 13 einen Kolbenstangenführungsabschnitt 15 auf. Der Multiplikatorkolben 11 weist an einem Ende ein im Kolbenführungsraum 14 geführtes Kolbenteil 11a und eine sich von diesem aus dem Kolbenführungsraum 14 heraus in Richtung Zulaufbereich 13 erstreckende Kolbenstange 11b auf. Mit seinem Kolbenteil 11a ist der Multiplikatorkolben 11 über ein mitbewegtes Dichtungs- und Führungssystem 16 im Kolbenführungsraum 14 geführt, während seine Kolbenstange 11b im Kolbenstangenführungsabschnitt 15 unter Einfügung eines Dichtungs- und Führungssystems 17 in den Kolbenstangenführungsabschnitt 15 geführt ist.
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In der in den 1 und 2 gezeigten, maximal zurückbewegten Ausgangsstellung erstreckt sich der Multiplikatorkolben 11 mit seiner Kolbenstange 11b in den Kolbenstangenführungsabschnitt 15 hinein und endet dort vor dem Zulaufbereich 13. In alternativen Ausführungen kann er auch in dem Zulaufbereich 13 enden. Mit seinem Kolbenteil 11a und dem zugehörigen Dichtungs- und Führungssystem 16 unterteilt der Multiplikatorkolben 11 den Kolbenführungsraum 14 des Multiplikatorzylinders 10 in einen Multiplikator-Kolbenraum 14a und einen Multiplikator-Ringraum 14b. Aus dem Multiplikator-Ringraum 14b führt eine Ablaufleitung 18 mit zugehörigem Multiplikator-Ablaufventil 19 ab. In den Multiplikator-Kolbenraum 14a mündet eine Multiplikator-Zulaufleitung 20 mit zugehörigem Multiplikator-Zulaufventil 21. In den Zulaufbereich 13 mündet eine Gießkolben-Zulaufleitung 22 mit zugehörigem Gießkolben-Zulaufventil 23.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Austrittsbereich 12 als ein gegenüber dem Zulaufbereich 13 radial verengter Abschnitt des Multiplikatorzylinders 10 ausgebildet. Dies ist dadurch realisiert, dass beide Bereiche durch zugehörige axiale, zylindrische Abschnitte des Multiplikatorzylinders 10 unterschiedlichen Durchmessers unter Bildung einer entsprechenden Ringschulter 24 am Übergang von Zulaufbereich 13 und Austrittsbereich 12 ausgebildet sind. Dabei kann der gegenüber demjenigen des Zulaufbereichs 13 geringere Durchmesser bzw. Querschnitt des Austrittsbereichs 12 gleich dem Durchmesser bzw. Querschnitt des Kolbenstangenführungsabschnitts 15 sein, der als weiterer zylindrischer Abschnitt des Multiplikatorzylinders 10 an der dem Austrittsbereich 12 gegenüberliegenden Seite des Zulaufbereichs 13 angeordnet ist. Ebenso kann der Durchmesser bzw. Querschnitt des gegenüber dem Austrittsbereich 12 und dem Kolbenstangenführungsabschnitt 15 radial erweiterten Zulaufbereichs 13 gleich dem Durchmesser bzw. Querschnitt des Kolbenführungsraums 14 sein, der sich an den Kolbenstangenführungsabschnitt 15 auf der dem Zulaufbereich 13 gegenüberliegenden Seite anschließt. Diese paarweise Durchmessergleichheit kann fertigungstechnische Vorteile haben.
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2 zeigt eine baulich vorteilhafte Ausführung, bei welcher der Druckübersetzerzylinder 10 als einstückiges Bauteil gefertigt ist, der mit seinem Austrittsbereich 12 direkt an den Gießkolben-Kopfraum 6 der Gießkolben/Gießzylinder-Einheit 2 anschließt. Diese einteilige Bauweise für den Multiplikatorzylinder 10, der mit dem in ihm aufgenommenen Multiplikatorkolben 11 direkt an dem Gießzylinder 3 des Gießaggregats angebracht werden kann, hat fertigungstechnische und funktionelle Vorteile. In 2 sind die diversen Zulauf- und Ablaufleitungen 8, 19, 20, 22 und zugehörigen Ventile 9, 19, 21, 23 weggelassen, die zu entsprechenden Druckfluidquellen bzw. Druckfluidsenken führen, wie dem Fachmann an sich bekannt. Dabei ist mit dem Begriff Druckfluid vorliegend jedes flüssige oder gasförmige Druckmedium gemeint, das sich für den Fachmann zur Verwendung beim jeweils vorliegenden Einsatzfall anbietet.
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Wie anhand der 1 und 2 deutlich wird, weist die Druckübersetzervorrichtung 1 den Multiplikatorkolben 11 als einzig bewegliches Bauteil auf. Weitere bewegliche Bauteile, z.B. ein Rückschlagventil oder andere bewegliche Bauteile zur Bildung einer Rückstrom-Unterbindung, sind nicht notwendig. Dies minimiert die mechanischen Belastungen und die Verschleißanfälligkeit des Multiplikators 1. Wenn sich der Multiplikatorkolben 11 aus seiner in den 1 und 2 gezeigten Ausgangsstellung vorbewegt, in den 1 und 2 nach rechts, gelangt er mit seiner Kolbenstange 11b zunächst in den Zulaufbereich 13 hinein und dann durch diesen hindurch bis in den Austrittsbereich 12 hinein. Sobald er den Austrittsbereich 12 erreicht, schnürt er die Fluidverbindung vom Zulaufbereich 13 zum Austrittsbereich 12 ab, wodurch ein nennenswerter Rückfluss von Druckfluid aus dem Gießkolben-Kopfraum 6 in den Zulaufbereich 13 unterbunden wird. Zum sicheren, zentrierten Eintreten der Multiplikator-Kolbenstange 11b in den Austrittsbereich 12 kann eine Einführhilfe vorgesehen sein. In der Ausführungsvariante von 2 ist dies dadurch realisiert, dass der von der Ringschulter 24 am Übergang von Zulaufbereich 13 und Austrittsbereich 12 gebildete eintrittsseitige Umfangsrand des Austrittsbereichs 12 einen kegelstumpfförmigen Einführkonus 25 aufweist. Passend dazu ist die Multiplikator-Kolbenstange 11b an ihrer freien Stirnseite optional mit einem korrespondierenden kegelstumpfförmigen Einführkonus 26 versehen.
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Der Multiplikatorkolben 11 bewegt sich zur Bereitstellung der geforderten Druckerhöhung im Gießkolben-Kopfraum 6 axial nach vorn, bis er mit dem freien Endabschnitt seiner Kolbenstange 11b in den Austrittsbereich 12 gelangt, wobei er sich je nach Ausführung und Bedarf in einer maximal vorbewegten Blockierstellung bis in den Austrittsbereich 12 hinein oder über diesen hinaus bis in den Gießkolben-Kopfraum 6 hinein erstreckt. In jedem Fall weist dazu der Austrittsbereich 12 einen ausreichend großen Durchtrittsquerschnitt für den freien Kolbenstangen-Endabschnitt über einen Abschnitt hinweg auf, der vom freien Endabschnitt der Kolbenstange 11b bei Bewegung des Multiplikatorkolbens 11 passiert werden kann. Dazu ist dieser Durchtrittsquerschnitt mindestens so groß wie ein Stangenquerschnitt des freien Endabschnitts der Multiplikator-Kolbenstange 11b. Die Multiplikator-Kolbenstange 11b passiert daher ungehindert den betreffenden Abschnitt des Austrittsbereichs 12, ohne dass der Multiplikatorkolben 11 bei seiner Vorwärtsbewegung gegen ein anderes Bauteil anschlägt, um dieses in der Vorwärtsbewegung mitzunehmen. Dies minimiert ebenfalls die Verschleißanfälligkeit und erhöht die Funktionszuverlässigkeit des Multiplikators 1 im Vergleich zu herkömmlichen Druckübersetzervorrichtungen mit integriertem oder externem Rückschlagventil.
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Unter weiterer Bezugnahme auf die 3 bis 8 wird nachfolgend ein mit der Anordnung der 1 und 2 ausführbarer Gießvorgang näher erläutert, woraus die Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Druckübersetzervorrichtung noch detaillierter erkennbar werden.
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Vor einem Gießvorgang befinden sich der Gießkolben 4 und der Multiplikatorkolben 11 jeweils in der in den 1 und 2 gezeigten Ausgangsstellung, die z.B. durch jeweils einen hinteren mechanischen Anschlag oder durch eine elektronische Steuerungsmaßnahme definiert sein kann. Der Gießvorgang startet dann damit, dass zu Beginn einer ersten Gießphase Druckfluid bzw. Hydraulikmedium von der zugehörigen Druckfluidquelle über die Gießkolben-Zulaufleitung 22 und das geöffnete Zulaufventil 23 in den Zulaufbereich 13 eingeleitet wird und von dort in den Austrittsbereich 12 des Multiplikators 1 strömt, von wo es in den Gießkolben-Kopfraum 6 eintritt, wie mit einem Strömungspfeil S1 illustriert. Gleichzeitig fließt Druckfluid aus dem Gießkolben-Ringraum 7 über die zugehörige Ablaufleitung 8 bei geöffnetem Ablaufventil 9 ab, wie mit einem Strömungspfeil S2 illustriert. Dadurch setzt sich der Gießkolben 4 nach vorn in Bewegung, in 3 nach rechts, wie mit einem Bewegungspfeil B1 illustriert. Während dieser ersten Gießphase bewegt sich der Gießkolben 4 typischerweise mit relativ geringer Geschwindigkeit, wie es für diese sogenannte Vorfüllphase adäquat ist. Die Bewegung des Multiplikatorkolbens 11 wird dabei so gesteuert bzw. synchronisiert, dass die Fluidverbindung vom Zulaufbereich 13 zum Austrittsbereich 12 ungehindert freigegeben bleibt, d.h. in dieser ersten Gießphase ist noch keine Zuflussdrosselung der Fluidverbindung wirksam. Dazu kann der Multiplikatorkolben 11 in seiner maximal zurückbewegten Freigabestellung verbleiben oder mit geringer Geschwindigkeit bereits etwas vorbewegt bzw. vorbeschleunigt werden, aber nur in einem Maß, das noch nicht zu einer Zuflussdrosselung führt.
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4 zeigt die Anordnung zu Beginn einer anschließenden zweiten Gießphase, auch als Formfüllphase bezeichnet. Beim Übergang von der ersten zur zweiten Gießphase wird der Gießkolben 4 typischerweise auf eine verglichen mit seiner Geschwindigkeit während der ersten Gießphase deutlich höhere Füllgeschwindigkeit beschleunigt. Während dieser Formfüllphase wird mit hoher Geschwindigkeit flüssige Metallschmelze in eine Gießform der Druckgießmaschine eingepresst. Die Druckfluidströme ähneln denjenigen der ersten Gießphase, allerdings mit teilweise unterschiedlichen Druckfluid-Strömungsmengen bzw. Ventilstellungen, wie dem Fachmann an sich bekannt. Die gegenüber der ersten Gießphase höhere Gießkolbengeschwindigkeit ist mit einem verlängerten Bewegungspfeil B2 symbolisiert.
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5 veranschaulicht die Anordnung zu einem Zeitpunkt, zu dem der Multiplikatorkolben 11 seine Vorwärtsbewegung begonnen hat. Zum Starten der Vorwärtsbewegung des Multiplikatorkolbens 11 wird dem Multiplikator-Kolbenraum 14a Druckfluid bzw. Hydraulikmedium über die zugehörige Zulaufleitung 20 bei geöffnetem Zulaufventil 21 zugeführt, wie mit einem Strömungspfeil S3 illustriert. Der Startzeitpunkt der Multiplikator-Vorschubbewegung wird steuerungstechnisch unter Benutzung der betreffenden Zulauf- und/oder Ablaufventiltechnik des Multiplikators 1 geeignet vorgegeben und liegt je nach Bedarf und Anwendungsfall im Zeitintervall der Formfüllphase, d.h. der zweiten Gießphase, wie in 5 gezeigt, alternativ auch erst am Ende der Formfüllphase oder bereits im Zeitraum der Vorfüllphase. Gleichzeitig wird Druckfluid aus dem Multiplikator-Ringraum 14 über die zugehörige Ablaufleitung 18 bei geöffnetem Ablaufventil 19 abgeführt, wie mit einem Strömungspfeil S4 veranschaulicht.
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Mit zunehmender Vorbewegung des Multiplikatorkolbens 11 wird der Zulaufbereich 13 und insbesondere die Fluidverbindung von Zulaufbereich 13 und Austrittsbereich 12 durch den freien Endabschnitt der Multiplikator-Kolbenstange 11b kontinuierlich verengt, bis die Multiplikator-Kolbenstange 11b mit ihrer freien Stirnseite den Austrittsbereich 12 erreicht und dadurch der Druckfluidstrom S1 vom Zulaufbereich 13 in den Austrittsbereich 12 nahezu vollständig abgeschnürt wird, d.h. die Fluidverbindung von Zulaufbereich und Austrittsbereich 12 blockiert wird. Die zeitliche Koordination der Bewegung des Multiplikatorkolbens 11 und des Gießkolbens 4 muss unter Berücksichtigung der sonstigen Erfordernisse und Gegebenheiten des jeweiligen Gießprozesses und insbesondere des Beginns und Endes der Formfüllung mit Schmelze präzise abgestimmt werden, damit die Verengung bzw. Abschnürung der Fluidverbindung von Zulaufbereich 13 und Austrittsbereich 12 weder zu früh, noch zu spät erfolgt. Auf diese Weise lässt sich ein günstiger Übergang von der Formfüllphase zu einer nachfolgenden Nachverdichtungsphase erreichen, bei welcher der Gießkolben 4 durch Schmelzenverdichtung stark abgebremst wird, wie bekannt.
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6 veranschaulicht die Anordnung zu Beginn einer an die zweite Gießphase anschließenden dritten Gießphase, der sogenannten Nachdruckphase oder Nachverdichtungsphase. Der Multiplikatorkolben 11 hat sich dazu mit dem freien Endabschnitt seiner Kolbenstange 11b in den Austrittsbereich 12 hinein vorbewegt und damit die Fluidverbindung von Zulaufbereich 13 und Austrittsbereich 12 abgeschnürt bzw. blockiert. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme kann die Verdichtung des Druckfluids im Gießkolben-Kopfraum 6 augenblicklich bzw. verzögerungsfrei beginnen, indem der Multiplikatorkolben 11 mit seiner Kolbenstange 11b durch seine Vorwärtsbewegung Volumen im Austrittsbereich 12 und, wenn er sich so weit nach vorn bewegt, auch im Gießkolben-Kopfraum 6 verdrängt. Mit dieser verbesserten Funktionalität unterscheidet sich der erfindungsgemäße Multiplikator 1 von herkömmlichen Anordnungen mit Rückschlagventil, das eine inhärente Verzögerung verursacht.
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Zwischen dem Außenumfang der Multiplikator-Kolbenstange 11b und einem gegenüberliegenden Rand des Austrittsbereichs 12 kann ein Ringspalt 27 verbleiben. Der Ringspalt 27 ist sehr eng gehalten, so dass die Fluidverbindung zwischen Zulaufbereich 13 und Gießkolben-Kopfraum 6 nahezu vollständig getrennt ist. Es verbleibt abhängig von den Druckverhältnissen ein allenfalls extrem geringer Leckage-Druckfluidstrom, der verfahrenstechnisch und steuerungstechnisch für das Druckgießsystem nicht relevant ist. Der Ringspalt weist einen freien Ringquerschnitt auf, der zweckmäßig deutlich kleiner als 10% und vorzugsweise kleiner als 1%, bevorzugt kleiner als 0,01% bis 0,1%, des Querschnitts des Austrittsbereichs 12 bei zurückgezogenem Multiplikatorkolben 11 ist.
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7 veranschaulicht die Anordnung in einem anschließenden Verlauf der dritten Gießphase. Dabei wird der Multiplikatorkolben 11 weiter nach vorn bewegt und taucht durch den Austrittsbereich 12 hindurch in den Gießkolben-Kopfraum 6 ein. Hierdurch wird der hydraulische Druck im Gießkolben-Kopfraum 6 auf ein verfahrenstechnisch gewünschtes Niveau erhöht. Da hiermit auch die Schmelze in der Gießform nachverdichtet wird, durchschreitet der Gießkolben 4 in einem anfänglichen Teil der dritten Gießphase noch einen geringen Restweg, in 7 durch einen Bewegungspfeil B4 illustriert.
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8 veranschaulicht die Anordnung am Ende der dritten Gießphase. Der Gießkolben 4 ist zum Stehen gekommen, da die Schmelze mit dem gewünschten Gießdruck vollständig komprimiert wurde. Die Schmelze ist zu diesem Zeitpunkt in relevanten Bereichen des Gießlaufes oder der Form bereits teilweise erstarrt, und es findet keine weitere Vorwärtsbewegung des Gießkolbens 4 mehr statt. Das gegossene Produkt kühlt durch Wärmeentzug in der Form weiter ab.
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Der hydraulische Druck im Gießkolben-Kopfraum 6 wird mittels Druckregelung konstant gehalten. Hierzu wird der Multiplikatorkolben 11 nur noch mit äußerst geringer Geschwindigkeit vorbewegt, in 8 durch einen verkürzten Bewegungspfeil B5 illustriert, wobei er gerade so viel Druckfluid im Gießkolben-Kopfraum 6 verdrängt, wie durch den Ringspalt 27 zwischen Multiplikator-Kolbenstange 11b und umgebendem Austrittsbereich-Zylinderrand in Richtung Zulaufbereich 13 zurückströmt. Mit dieser Maßnahme wird eine Druckfluidleckage durch diesen Ringspalt 27 hindurch mittels der gegenwirkenden Vorbewegung des Multiplikatorkolbens 11 zwecks Druckkonstanthaltung auf einfache Weise kompensiert. Dazu kann der entsprechende Druck am Multiplikatorsystem und/oder am Gießzylindersystem in an sich bekannter Weise geeignet geregelt werden.
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Wie aus der obigen Erläuterung eines mit dem erfindungsgemäßen Multiplikator ausführbaren Gießvorgangs deutlich wird, ermöglicht der erfindungsgemäße Multiplikator gegenüber herkömmlichen Multiplikatorvorrichtungen mit Rückschlagventil eine Reduzierung der Druckanstiegszeit für die Nachdruckphase. Der Multiplikator schnürt gegen Ende der Formfüllphase den Zustrom an Druckfluid zum Gießkolben-Kopfraum ab, wonach unmittelbar der Druckaufbau im Gießkolben-Kopfraum quasi verzögerungsfrei folgt. Der erfindungsgemäße Multiplikator lässt sich robust und kompakt bauen und mit dem Multiplikatorkolben als einzigem beweglichem Bauteil realisieren.
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Der Multiplikatorkolben kann bereits ausreichend frühzeitig in Bewegung versetzt werden, um am Ende der Formfüllphase bzw. zu Beginn der Nachdruckphase bereits eine relativ hohe Geschwindigkeit zu haben und damit einen entsprechend schnellen Druckanstieg realisieren zu können. Während bei herkömmlichen Multiplikatorsystemen mit federbeaufschlagtem Rückschlagventil eine unvermeidliche Totzeit durch die Schließdauer entsteht, die durch die mittels Federkraft beschleunigte Ventilmasse bedingt ist, entfällt diese Totzeit vorliegend aufgrund des Wegfalls eines solchen Rückschlagventils. Die Druckanstiegszeit besteht daher vorliegend nur noch aus dem prinzipbedingt verbleibenden Zeitdaueranteil aufgrund der endlichen Volumenverdrängungsgeschwindigkeit für die Kompression des Druckfluids im Gießkolben-Kopfraum.
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Der erfindungsgemäße Multiplikator erfordert nur wenige Komponenten und ist vergleichsweise montagefreundlich. Die Gefahr eines Federbruchs, wie sie bei federvorgespannten Rückschlagventilen besteht, entfällt vollständig. Während bei herkömmlichen Systemen mit federbeaufschlagtem Rückschlagventil selbiges je nach Auslegung und Durchströmung zu schwingen oder sogar zu schlagen beginnen kann, entfällt vorliegend diese für den Gießprozess und die Standzeit des Gießaggregats schädliche Eigenschaft dank des wegfallenden Rückschlagventils und des dementsprechend fehlenden Feder-Masse-Systems.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung bei wegfallendem Rückschlagventil ist, dass Strömungs-Druckverluste von der Druckfluidquelle über das Zulaufventil bis hin zum Gießkolben insbesondere während der zweiten Gießphase reduziert sind. Dies erlaubt eine kleinere Auslegung des Gießsystems und/oder ein Gießen mit höherer Gießkraft.
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Die Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gelten gleichermaßen für Systeme, in denen die Gießkolbengeschwindigkeit geregelt wird, als auch für Systeme mit reiner Steuerung der Gießkolbengeschwindigkeit. Mit anderen Worten kann der erfindungsgemäße Multiplikator unabhängig von der Art der Gießzylinderansteuerung in einem Gießaggregat verwendet werden. Die Verwendbarkeit ist auch unabhängig davon möglich, ob und in welcher Weise am Gießaggregat sogenannte Differentialsteuerungen vorhanden sind, die den abfließenden Druckfluidstrom zur Unterstützung von zufließendem Druckfluid zurückkoppeln. Die Multiplikatorbewegung stellt dabei durch Volumenverdrängung einen zusätzlichen Druckfluidstrom für den Gießzylinder zur Verfügung. Die Kompressibilität der Schmelze ist im Allgemeinen extrem gering, so dass der Druckanstieg im Wesentlichen über die Volumenverdrängung des vorbewegten Multiplikatorkolbens wirkt.
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Die 9 bis 12 veranschaulichen exemplarisch einige weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Druckübersetzervorrichtung als Varianten der in 2 gezeigten Bauart. Das Ausführungsbeispiel von 9 unterscheidet sich von demjenigen der 2 darin, dass zur Abdichtung des Ringspaltbereichs zwischen dem Innenrand des Austrittsbereichs 12 und der vorbewegten Multiplikator-Kolbenstange 11b ein zusätzliches Dichtungs- und/oder Führungssystem 28 vorgesehen ist, vorzugsweise als separates Bauteil, das am Innenrand des Austrittsbereichs 12 angebracht ist. Bei dieser Ausführungsform sorgt das zusätzliche Dichtungs- und/oder Führungssystem 28 für eine entsprechende zusätzliche Abdichtung des Ringspalts 27 bzw. zusätzliche Führung der Multiplikator-Kolbenstange 11b im Austrittsbereich 12. Das Dichtungs- und/oder Führungssystem 28 kann auch eine spaltverändernde Funktion besitzen, z.B. durch Gestaltung derart, dass es druckabhängig, beispielsweise abhängig vom Druck im Gießkolben-Kopfraum 6, die Dichtungswirkung beeinflusst, z.B. den Spalt verringert, um den Leckage-Rückfluss zu reduzieren. Das Dichtungs-/Führungssystem 17 im Bereich des Kolbenstangenführungsabschnitts 15 des Multiplikatorzylinders 10 kann ebenfalls in dieser Weise realisiert und angeordnet sein.
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Bei der in 10 gezeigten Ausführungsform beinhaltet der Zulaufbereich einen axialen Abschnitt 13a und eine von außen in diesen mündende, radiale Zulaufbohrung 13b, die sich durch eine Gehäusewandung des Druckübersetzerzylinders 10 hindurch erstreckt. Der axiale Zulaufabschnitt 13a ist durchmessergleich mit dem Austrittsbereich 12 und dem Kolbenstangenführungsabschnitt 15 durch eine gemeinsame axiale Mittenbohrung im Druckübersetzerzylinder 10 gebildet. Somit gehen bei dieser Ausführungsform der Kolbenstangenführungsabschnitt 13, der axiale Zulaufabschnitt 13a und der Austrittsbereich 12 ohne scharfe Trennung ineinander über. Alternativ zu der gezeigten einzigen radialen Zulaufbohrung 13b können mehrere radiale Zulaufbohrungen am Umfang des Multiplikatorzylinders 10 verteilt angeordnet sein. Optional können in nicht gezeigter Weise zusätzliche Dichtungs- und/oder Führungssysteme axial vor und/oder hinter der oder den Einmündungsstellen der einen oder mehreren Zulaufbohrungen 13b angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Blockierung der Fluidverbindung von Zulaufbereich 13a, 13b und Austrittsbereich 12 dadurch, dass der sich vorbewegende Multiplikatorkolben 11 mit seiner Kolbenstange 11b die Einmündung der radialen Zulaufbohrung 13b in den axialen Zulaufabschnitt 13a absperrt.
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Bei der in 11 gezeigten Ausführungsform weist die Multiplikator-Kolbenstange 11b an ihrem freien Endabschnitt eine stirnseitig ausmündende, axiale Mittenbohrung 29 und eine oder mehrere radiale Zulaufbohrungen 30 auf, die sich mit vorgegebenem Abstand zum Stirnende der Multiplikator-Kolbenstange 11b von deren Außenumfang zur Mittenbohrung 29 erstrecken. Bei dieser Ausführungsform kann sich der Multiplikatorkolben 11 mit seiner Kolbenstange 11b wie gezeigt schon in der maximal zurückbewegten Freigabestellung mit seinem freien Kolbenstangen-Endabschnitt bis in den Austrittsbereich 12 hinein erstrecken. Das Druckfluid gelangt vom Zulaufbereich 13 über die eine oder mehreren Radialbohrungen 30 zur Mittenbohrung 29 der Multiplikator-Kolbenstange 11b und von dort in den Gießkolben-Kopfraum 6, wie durch einen Strömungspfeil S5 illustriert. Zur Blockierung der Fluidverbindung von Zulaufbereich 13 und Austrittsbereich 12 wird der Multiplikatorkolben 11 vorbewegt, bis die radialen Zulaufbohrungen 30 vollständig aus dem Zulaufbereich 13 heraus in den Austrittsbereich 12 hinein gelangt ist. Der Austrittsbereich 12 sperrt dann mit seinem Innenrand die Einmündung der einen oder mehreren radialen Zulaufbohrungen 30 ab und blockiert damit den Druckfluidpfad zwischen Zulaufbereich 13 und Austrittsbereich 12.
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Bei dieser Realisierung kann der mechanische Einführhilfebereich zum Eintreten der Multiplikator-Kolbenstange 11b in den Austrittsbereich 12 entfallen. Die Multiplikator-Kolbenstange 11b befindet sich längs des gesamten Bewegungswegs des Multiplikatorkolbens 11 zwischen seiner maximal zurückbewegten Freigabestellung und seiner maximal vorbewegten Blockierstellung im Austrittsbereich 12 und kann durch diesen geführt werden.
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Bei der in 12 gezeigten Ausführungsform weist die Multiplikator-Kolbenstange 11b an ihrem freien Endabschnitt eine oder mehrere Längsnutkanäle 31 auf, die an der Außenseite des freien Endabschnitts der Multiplikator-Kolbenstange 11b von deren Stirnende her bis zu einer vorgegebenen Kanallänge eingebracht sind. Wie im Ausführungsbeispiel der 11 kann sich auch beim Ausführungsbeispiel der 12 die Kolbenstange 11b des Multiplikatorkolbens 11 stets bis in den Austrittsbereich 12 erstrecken, auch in der in 12 gezeigten, maximal zurückbewegten Freigabestellung des Multiplikatorkolbens 11. In der Freigabestellung kann das Druckfluid vom Zulaufbereich 13 über den oder die Längsnutkanäle 31 durch den Austrittsbereich 12 hindurch in den Gießkolben-Kopfraum 6 strömen, wie mit einem Strömungspfeil S6 illustriert. Auch in diesem Fall kann eine Einführhilfe für den Eintritt der vorbewegten Multiplikator-Kolbenstange 11b in den Austrittsbereich 12 entfallen. Die Blockierung der Fluidverbindung von Zulaufbereich 13 und Austrittsbereich 12 wird in diesem Beispiel dadurch bewirkt, dass die Multiplikator-Kolbenstange 11b so weit vorbewegt wird, bis die Längsnutkanäle 31 vollständig aus dem Zulaufbereich 13 heraus in den Austrittsbereich 12 hineingelangt sind. Die Multiplikator-Kolbenstange 11b sperrt dann wiederum den Druckfluidpfad zwischen Zulaufbereich 13 und Austrittsbereich 12 ab, ggf. unter Belassung des geringfügigen, oben erwähnten Ringspalts.
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Im Übrigen gelten für die Ausführungsbeispiele der 9 bis 12 die zur Ausführungsform gemäß den 1 bis 8 angegebenen Eigenschaften und Vorteile entsprechend, worauf verwiesen werden kann.
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Bei den Ausführungsformen der 1 bis 12 ist der Multiplikator 1 in Verlängerung der von ihm angesteuerten Kolben/Zylinder-Einheit 2 angeordnet, d.h. mit fluchtenden Längsachsen beider Kolben/Zylinder-Einheiten 1, 2. Alternativ dazu ist jede andere geometrische Anordnung des Multiplikators 1 relativ zur davon angesteuerten Kolben/Zylinder-Einheit 2 möglich, insbesondere gewinkelte Anordnungen, bei denen die Längsachse des Multiplikatorkolbens 11 einen beliebigen vorgegebenen Winkel zur Längsachse des Gießkolbens 4 einschließt. 13 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Multiplikator 1‘ in einem Winkel von 90° relativ zu einer von ihm angesteuerten Kolben/Zylinder-Einheit 2‘ angeordnet ist, wobei im Übrigen der Multiplikator 1‘ demjenigen der 1 bis 12 entsprechen kann und ebenso die angesteuerte Kolben/Zylinder-Einheit 2‘ derjenigen der 1 bis 12 entsprechen kann. In weiteren alternativen Ausführungen ist der Multiplikator mit parallel zur Längsachse des Gießkolbens versetzter Längsachse des Multiplikatorkolbens oder gegenläufig angeordnet. In letzterem Fall ist die Längsachse des Multiplikatorkolbens parallel zur Längsachse des Gießkolbens, der Multiplikatorkolben bewegt sich aber in der zur Bewegung des Gießkolbens entgegengesetzten Richtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1949360 C3 [0003]
- EP 2365888 B1 [0005]
