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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Entkernen von Gusswerkstücken, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Beim Metallgießen können Hohlräume in den herzustellenden Gusswerkstücken bzw. Gussbauteilen durch Kerne ausgebildet werden. Gebräuchlich für verschiedenste Gießverfahren sind so genannte verlorene Kerne, die häufig aus einer Binder-Korn-Struktur bestehen. Die verwendeten Kerne müssen später aus den Gusswerkstücken entfernt werden, was nachfolgend auch als Entkernen bezeichnet wird. Das Entkernen kann bspw. durch manuelles Abklopfen oder Ausklopfen des zu entkernenden Gusswerkstücks erfolgen. Durch die Impulseinwirkungen brechen die umgossenen Kerne und bröseln aus. Aus dem Stand der Technik sind ferner Rütteltische und Hämmeranlagen bekannt, die ein zumindest teilautomatisiertes Entkernen ermöglichen.
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Zum Stand der Technik wird auf die
DE 32 39 262 A1 hingewiesen, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entkernen von Gussstücken beschreibt.
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Mit der Erfindung sollen Möglichkeiten aufgezeigt werden, wie das Entfernen von Kernen mit einer Binder-Korn-Struktur aus Gusswerkstücken, insbesondere in der Serienfertigung, verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 und eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, entsprechend den nebengeordneten Patentansprüchen. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Entkernen von (metallischen) Gusswerkstücken, wobei die zu entfernenden Kerne aus Binder-Korn-Strukturen bestehen, sieht vor, dass die zu entfernenden Kerne berührungslos durch Schallwellen zum Schwingen angeregt werden und dabei deren Binder-Korn-Strukturen gezielt in Resonanzschwingungen gelangen bzw. versetzt werden, wodurch diese Binder-Korn-Strukturen aufgelöst werden und die Kerne zerfallen, wobei die Schwingungsanregung in mehreren Intervallen erfolgt und vorgesehen ist, dass bei wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Intervallen die Frequenz, das Frequenzband, der Pegel, die Wellenverlaufsform und/oder die Intervalllänge variiert wird. Die zerfallenen Kerne können dann herausgelöst werden oder ausbröseln.
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Ein zu entkernendes Gusswerkstück weist wenigstens einen zu entfernenden Kern auf. Bei den zu entkernenden Gusswerkstücken handelt es sich vorzugsweise um Kfz-Bauteile und insbesondere um Motorenbauteile (bspw. Zylinderköpfe oder Zylinderblöcke), Gehäusebauteile (bspw. Getriebegehäuse, Motorengehäuse oder Mechatronikgehäuse), Karosseriebauteile (bspw. Strukturbauteile) oder Fahrwerkbauteile.
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Unter einer Binder-Korn-Struktur wird eine verfestigte bzw. ausgehärtete Mischung verstanden, die im Wesentlichen aus Körnern (bspw. Sandkörner, Korundkörner, Salzkörner und dergleichen) und einem Bindemittel (bspw. Kunstharz, Wasserglas, Zement und dergleichen) gebildet ist.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass es sich bei solchen Binder-Korn-Strukturen um schwingfähige Systeme handelt, die durch gezieltes Anregen im Bereich ihrer Eigenfrequenz oder Eigenfrequenzen in Resonanz geraten und dadurch brechen und zerstört werden können. Die Zerstörung erfolgt also durch gezieltes Auflösen bzw. Zerbröckeln der Verbindungen innerhalb der Binder-Korn-Strukturen. Der Wirkmechanismus ist damit ein ganz anderer als beim Ausklopfen, wo die Zerstörung der Kerne durch mechanische Wechselwirkungen zwischen Gusswerkstückwandung und Kernoberfläche erfolgt.
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Gegenüber dem Ausklopfen oder Ausrütteln ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise energetisch vorteilig, gründlicher, zuverlässiger, schneller und gussteilschonender. Zudem ergeben sich wirtschaftliche Vorteile. Ferner entstehen keine Vibrationen (Vermeidung von Vibrationen und Erschütterungen und damit im Zusammenhang stehenden Störungen) oder laute Hämmergeräusche (Lärmvermeidung). Ein weiterer Vorteil ist in einer sehr guten Automatisierbarkeit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zu sehen.
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Die erfindungsgemäße Wirkungsweise ist mitunter so gut, dass die Kerne mehr oder weniger vollständig zerfallen (keine Nestbildung), was bei entsprechender Lagerung der Gusswerkstücke ein freies Ausrieseln ermöglicht. Bevorzugt werden die zu entkernenden Gusswerkstücke daher derart fixiert oder aufgehängt, dass eine freie Entrieselung bzw. ein Herausrieseln der zerfallenden Kerne möglich ist. Dadurch können zusätzliche Arbeitsaufwände, wie bspw. ein Ausblasen oder Ausspülen, verringert werden oder gegebenenfalls auch ganz entfallen. Ferner wird die Rückgewinnung und Aufbereitung des Kernmaterials vereinfacht.
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Bevorzugt erfolgt die berührungslose Schwingungsanregung durch Schallwellen. Die Schallwellen werden durch wenigstens eine Schallquelle, insbesondere einem Lautsprecher, erzeugt. Die Schallquelle kann eine Richtcharakteristik haben, so dass die emittierten Schallwellen mehr oder weniger direkt auf wenigstens einen zu entfernenden Kern gerichtet werden können, was auch als gezielte Schallführung bezeichnet werden kann. Bevorzugt erfolgt die Schwingungsanregung durch mehrere Schallquellen, die insbesondere um das zu entkernende Gusswerkstück herum angeordnet sind, womit auch die Möglichkeit der umlaufenden Beschallung gegeben ist. Es kann eine Relativbewegung zwischen einem zu entkernenden Gusswerkstück und der Schallquelle bzw. den Schallquellen vorgesehen sein.
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Eine gezielte Schallführung kann auch mithilfe eines Schallrohrs, Schalltrichters oder dergleichen erfolgen. Dadurch kann z. B. eine sehr gute Schallisolierung gegenüber der Umgebung erreicht werden. Ferner können in einem solchen Schallrohr bzw. Schalltrichter bestimmte Effekte erzeugt werden, wie bspw. eine besonders starke Schalldrucksäule (mit der z. B. zu Beginn des Entkernungsvorgangs ein auf den Kern wirkender Vordruck erzeugt werden kann und/oder mit der während des Entkernungsvorgangs gelöste Körner gelockert bzw. ausgeblasen werden können) oder eine stehende Schallwelle oder dergleichen.
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Eine Möglichkeit der Schwingungsanregung mittels Schallwellen bietet das weiße Rauschen, wobei die Anregung in einem (möglichst großen) Frequenzbereich, in dem die Frequenzen mit gleicher Amplitude enthalten sind, erfolgt. Die Anregung erfolgt also über alle Frequenzen dieses Frequenzbereichs. Bevorzugt erfolgt die Schwingungsanregung mittels Schallwellen jedoch nur bei wenigstens einer vorbestimmten Frequenz (d. h. gegebenenfalls auch bei mehreren vorbestimmten Frequenzen) oder in einem vorbestimmten (möglichst schmalen) Frequenzband (d. h. gegebenenfalls auch bei mehreren vorbestimmten, insbesondere möglichst schmalen, Frequenzbändern), um dadurch eine gezielte Anregung der Eigenfrequenz bzw. der Eigenfrequenzen (der Binder-Korn-Strukturen) zu erreichen. Geeignete Frequenzen oder Frequenzbänder können werkstückspezifisch in Vorversuchen ermittelt werden.
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Die Schallwellen können eine harmonische Charakteristik aufweisen, womit insbesondere ein sinusförmiger Wellenverlauf gemeint ist. Ebenso können die Schallwellen auch eine nichtharmonische bzw. unharmonische Charakteristik haben und bspw. einen dreieckförmigen, sägezahnförmigen, rechteckförmigen oder trapezförmigen Wellenverlauf aufweisen, wobei aufgrund der prinzipiell höheren Amplitudenwechselgeschwindigkeit besonders gute Ergebnisse erzielbar sind.
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Bei Verwendung mehrerer Schallquellen besteht die Möglichkeit, dass die emittierten Schallwellen, die auch unterschiedliche Frequenzen und/oder Pegel haben können, gezielt überlagert werden (Superpositionsprinzip), um die Wirkung auf die zu entfernenden Kerne zu verstärken.
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Die Schwingungsanregung kann in mehreren Intervallen erfolgen, wobei vorgesehen ist, dass bei wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Intervallen die Frequenz bzw. das Frequenzband, der Pegel bzw. die Amplitude, die Charakteristik (Wellenverlaufsform) und/oder die Intervalllänge variiert wird. Die Zeitspanne zwischen den Intervallen kann bspw. zum Entfernen bzw. Ausrieseln der gelösten Körner verwendet werden. Somit kann verhindert werden, dass im Weiteren die für die Auflösung der Kerne benötigte Schallenergie ungewollt von gelösten Körnern absorbiert bzw. geschluckt wird.
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Vor und/oder während des Entkernungsvorgangs können zudem kurzeitig (d. h. in kurzen Zeitintervallen von insbesondere nicht mehr als 1 Sekunde) starke Schallwellen, d. h. Schallwellen mit hohem Pegel, und insbesondere niederfrequente Schallwellen auf die zu entfernenden Kerne gerichtet werden. Die kurzzeitigen und kräftigen Schallwellen wirken impulsartig. Das kurze und kräftige Beschallen kann auch als Boosten bezeichnet werden. Durch ein solches Boosten können die Kerne losgelöst und/oder gebrochen werden. Ferner können bereits vorausgehend aus der Binder-Korn-Struktur gelöste Körner beschleunigt und dadurch quasi ausgeblasen werden. Auch dadurch kann verhindert werden, dass im Weiteren die für die Auflösung der Kerne benötigte Schallenergie ungewollt von den gelösten Körnern absorbiert wird.
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Die berührungslose Schwingungsanregung kann auch durch (wenigstens) einen gepulsten Laserstrahl erfolgen, der auf die zu entfernenden Kerne gerichtet bzw. gelenkt wird. Der Laserstrahl führt durch Impulseinwirkungen zu Resonanzschwingungen, die in der oben erläuterten Weise die Binder-Korn-Strukturen zerstören. Unzugängliche Stellen in einem Gusswerkstück können bspw. durch Strahlumlenkung mittels Spiegel erreicht werden.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Entkernen von Gusswerkstücken umfasst:
- - eine Aufnahmeeinrichtung zur Fixierung bzw. Lagerung der Gusswerkstücke, wobei die Aufnahmeeinrichtung insbesondere derart gestaltet ist, dass eine freie Entrieselung der zerfallenden Kerne ermöglich wird, und
- - wenigstens eine Schallquelle, mit der die zu entfernenden Kerne (zielgerichtet) beschallt und dadurch berührungslos zum Schwingen angeregt werden können, und
- - eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Schwingungsanregung in mehreren Intervallen zu steuern, wobei bei wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Intervallen die Frequenz, das Frequenzband, der Pegel, die Wellenverlaufsform und/oder die Intervalllänge variiert werden.
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Eine weitere nicht vom Schutzumfang umfasste Vorrichtung zum Entkernen von Gusswerkstücken umfasst:
- - eine Aufnahmeeinrichtung zur Fixierung der Gusswerkstücke, wobei die Aufnahmeeinrichtung insbesondere derart gestaltet ist, dass eine freie Entrieselung der zerfallenden Kerne ermöglich wird, und
- - wenigstens eine Pulslasereinrichtung, deren emittierter gepulster Laserstrahl auf die zu entfernenden Kerne gerichtet werden kann, um dadurch die Kerne berührungslos zum Schwingen anzuregen und deren Binder-Korn-Strukturen gezielt in Resonanzschwingungen zu versetzen, so dass diese Binder-Korn-Strukturen aufgelöst werden und die Kerne zerfallen.
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Die Vorrichtungen ermöglichen ein automatisiertes oder zumindest teilautomatisiertes Entkernen von Gusswerkstücken mit einem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Schallquelle bzw. der Schallquellen oder der Lasereinrichtung aufweisen. Die Steuereinrichtung kann insbesondere auch dazu ausgebildet sein, eine Regelung der Entkernung bzw. des Entkernungsvorgangs zu ermöglichen. Der Entkernungsvorgang kann hierfür bspw. mithilfe von Mikrophonen oder Kameraeinrichtungen überwacht werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
- 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung.
- 2 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung die Binder-Korn-Struktur eines zu entfernenden Gusskerns.
- 3 zeigt ein Frequenzdiagramm.
- 4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung.
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1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zum Entkernen von Gusswerkstücken bzw. zum Entfernen von Gusskernen 210 aus Gusswerkstücken 200. Die zu entkernenden Gusswerkstücke 200 werden hierzu einzeln (wie dargestellt) oder zu mehreren in einer Aufnahmeeinrichtung 110 fixiert (oder gegebenenfalls auch aufgehängt). Mithilfe mehrerer Schallquellen bzw. Lautsprechern 120 werden die Gusswerkstücke 200 nun mit Schallwellen T beaufschlagt, wodurch die zu entfernenden Kerne 210 berührungslos zum Schwingen angeregt werden und dabei deren Binder-Korn-Strukturen (siehe 2) gezielt in Resonanzschwingungen gelangen, so dass diese Binder-Korn-Strukturen aufgelöst werden und die Kerne 210 zerfallen. Die Lautsprecher 120 sind so angeordnet, dass gleichzeitig alle zu entfernenden Kerne 210 beschallt werden können. (Ein solche bauteilspezifische Anordnung bzw. Positionierung der Lautsprecher 120 ist jedoch nicht zwingend.) Die Lautsprecher 120 können beweglich ausgebildet sein und weisen bevorzugt eine Richtcharakteristik auf, so dass die emittierten Schallwellen T gezielt auf die zu entfernenden Kerne 210 gerichtet werden können. Mit 130 ist eine Steuereinrichtung bezeichnet, mit der insbesondere auch eine Regelung des Entkernungsvorgangs ermöglicht wird.
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Die gezeigte Lagerung der Gusswerkstücke 200 ermöglicht eine freie Entrieselung der zerfallenden Kerne 210. Dadurch kann verhindert werden, dass die zum Auflösen der Kerne 210 benötigte Schallenergie ungewollt von gelösten Körnern absorbiert wird. Unabhängig von einer bestimmten Lagerung können die zerfallenen Kerne 210 aber bspw. auch ausgeblasen werden, was, insbesondere in mehreren Zeitabständen bzw. Intervallen, z. B. mittels Druckluft erfolgen kann. Das Ausblasen bzw. Auspusten oder gegebenenfalls auch Durchpusten kann aber auch mittels durch die Lautsprecher 120 erzeugten Schallwellen, und insbesondere mittels dem oben beschriebenen Boosten, erfolgen. (Durch ein Boosten können die Kerne 210 im Übrigen auch losgelöst und/oder gebrochen werden, wie oben beschrieben.) Zum Entfernen der gelösten Körner bzw. zum Ent-/Ausrieseln muss ausreichend Zeit gegeben werden; d. h. auch während eines Entkernungsvorgangs sollten entsprechende Zeiten eingeplant bzw. vorgesehen werden.
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2 veranschaulicht schematisch und stark vereinfacht eine Binder-Korn-Struktur bzw. ein Binder-Korn-Gefüge 211 (von der nur ein Ausschnitt dargestellt ist), aus der die zu entfernenden Kerne 210 gebildet sind. Bei der Binder-Korn-Struktur 211 handelt es sich um eine verfestigte Mischung, die aus Körnern 212 und einem die Körner 212 verbindenden Bindemittel bzw. Binder 213 besteht. Bei dieser Binder-Korn-Struktur 211 handelt es sich um ein schwingfähiges System, wobei jedes der Körner 212 und gegebenenfalls auch jede Kornverbindung 213 eine Eigenfrequenz aufweist. Durch die Beaufschlagung bzw. die Beschallung mit Schallwellen T wird ein zu entfernender Kern 210 im ganzen oder sukzessive in Schwingung versetzt, d. h., dessen Binder-Korn-Struktur 211 wird zum Schwingen angeregt, wobei es zwischen den Körnern 212 zu Impulsübertragungen kommt. Durch gezieltes Anregen im Bereich ihrer Eigenfrequenzen werden die Körner 212 und gegebenenfalls auch die Kornverbindungen 213 in Resonanzschwingungen versetzt, was schließlich zum Brechen der Kornverbindungen 213 und zur beabsichtigten Zerstörung der Binder-Korn-Struktur 211 bzw. des Kerns 210 führt.
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Das gezielte Anregen von Schwingungen innerhalb der Binder-Korn-Struktur 211 eines Kerns 210 kann bspw. durch weißes Rauschen erfolgen. 3 zeigt ein Frequenzdiagramm (f = Frequenz; S = Signalleistung bzw. Pegel), in dem ein solches weißes Rauschen WR veranschaulicht ist. Wenn sich die Eigenfrequenzen der Binder-Korn-Struktur 211 in bekannten Frequenzbereichen befinden, kann auch eine gezielte Anregung mit definierten Frequenzbändern FB1 und/oder FB2 erfolgen, was auch als gezielte Frequenzbandanregung bezeichnet werden kann. Beispielhaft erfolgt hier die Frequenzbandanregung mit höheren Pegeln. Ebenso können auch einzelne Frequenzen F1, F2 und/oder F3 verwendet werden, was auch als gezielte Einzelfrequenzanregung bezeichnet werden kann.
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4 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung 100, bei der das berührungslose In-Schwingung-Versetzen der zu entfernenden Kerne 210 mithilfe (wenigstens) einer Pulslasereinrichtung 140 erfolgt. Der emittierte Laserstrahl L wird über einen Spiegel 150 auf einen zu entfernenden Kern 210 gelenkt. Nach dem Entfernen des Kerns 210 kann durch Bewegung des Spiegels 150 und/oder des Gusswerkstücks 200 der Laserstrahl L auf den nächsten zu entfernenden Kern 210 gerichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 110
- Aufnahmeeinrichtung
- 120
- Schallquelle
- 130
- Steuereinrichtung
- 140
- Pulslasereinrichtung
- 150
- Spiegel
- 200
- Gusswerkstück
- 210
- Kern(e)
- 211
- Binder-Korn-Struktur
- 212
- Körner
- 213
- Bindemittel, Kornverbindungen
- F1
- Frequenz
- F2
- Frequenz
- F3
- Frequenz
- FB1
- Frequenzband
- FB2
- Frequenzband
- L
- Laserstrahl
- S
- Pegel (Ordinate)
- T
- Schallwellen
- WR
- weißes Rauschen
- f
- Frequenz (Abszisse)
