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Die Erfindung betrifft eine Aufschmelzeinheit für eine Einspritzeinheit einer Formgebungsmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Einspritzeinheit mit einer solchen Aufschmelzeinheit, und eine Formgebungsmaschine mit einer solchen Einspritzeinheit.
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Im Stand der Technik ist die Mantelfläche des Schmelzgefäßes im Einstrahlbereich in Form eines Schlitzes unterbrochen, um ein Eindringen des von der Induktionsspule erzeugten elektromagnetischen Feldes in den Einstrahlbereich zu gestatten. Dies ist nachteilig, weil hieraus ein inhomogener Aufschmelzvorgang des aufzuschmelzenden leitfähigen Materials (meist Metall) resultiert und aus diesem Schlitz aufgeschmolzenes leitfähiges Material während des Einspritzens austreten kann. Es ist zwingend eine Kühlung zumindest des den Einstrahlbereichs umgebenden Materials des Schmelzgefäßes erforderlich.
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Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer gattungsgemäßen Aufschmelzeinheit, einer gattungsgemäßen Einspritzeinheit und einer Formgebungsmaschine, bei welchen zumindest eines der, vorzugsweise alle, der oben diskutierten Probleme vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Aufschmelzeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Einspritzeinheit mit einer solchen Aufschmelzeinheit und eine Formgebungsmaschine mit einer solchen Einspritzeinheit gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Der Einstrahlbereich ist jener Bereich des Schmelzgefäßes, welcher die Induktionsspule aufweist und in welchen im Betrieb das durch die Induktionsspule erzeugte elektromagnetische Feld einwirkt. Der Einspritzbereich ist jener Bereich des Schmelzgefäßes, welcher die Ausbringöffnung einsetzt und welcher im Betrieb unter dem Einfluss der aus dem Einspritzdruck resultierenden Einspritzkräfte steht.
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Das nicht-metallische Material des Einstrahlbereichs kann z. B. Graphit, ein Stein (ohne leitfähige Komponenten in einem für die Entstehung von Wirbelströmen relevanten Ausmaß), eine Keramik, eine Keramiklegierung oder ein Glas sein.
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Das Schmelzgefäß ist bevorzugt als länglicher Körper, besonders bevorzugt mit zylindrischer oder prismatischer Form, ausgebildet, welcher eine von außen über eine Ausbringöffnung zugängliche Kammer aufweist.
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Als aufzuschmelzendes leitfähiges Material kommt bevorzugt ein Metall oder ein Material aus einer Metalllegierung zum Einsatz.
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Erfindungsgemäß weist das Schmelzgefäß über seine gesamte Länge eine ununterbrochene Mantelfläche (ggf. abgesehen von im Betrieb verschlossenen Öffnungen für Fenster, Sensoren oder dergleichen) auf. Durch die geschlossene Bauform kann das aufgeschmolzene leitfähige Material mit höheren Einspritzgeschwindigkeiten in die Kavität eingespritzt werden, da ein Austreten oder gar Herausspritzen von aufgeschmolzenem leitfähigen Material an anderer Stelle als der Ausbringöffnung nicht möglich ist.
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Durch die Verwendung eines nicht-metallischen Materials für das Schmelzgefäß zumindest im Einstrahlbereich kann das elektromagnetische Feld der Induktionsspule über die gesamte Mantelfläche in den Einstrahlbereich eindringen und das aufzuschmelzende leitfähige Material homogen erwärmen.
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Durch Versuche konnte ein geringerer Zeitbedarf bis zum vollständigen Aufschmelzen des aufzuschmelzenden leitfähigen Materials nachgewiesen werden. Auch wird eine Gefahr des Aufspringens des aufzuschmelzenden leitfähigen Materials wesentlich verringert. Eine Kühlung des Einstrahlbereichs ist nicht erforderlich, da im nicht-metallischen Material des Schmelzgefäßes keine relevanten Wirbelströme entstehen.
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Bevorzugt weist das Schmelzgefäß im Wesentlichen die Form eines Rohres mit einer durchgehenden Kammer auf, wobei ein Ende des Rohres die Ausbringöffnung für das aufgeschmolzene leitfähige Material bildet. Das andere Ende des Rohres kann zum Einführen eines Einspritzkolbens verwendet werden. Der sich von der Ausbringöffnung weg erstreckende Bereich des Rohres bildet den Einspritzbereich. Jener Bereich des Rohres, welcher von der Induktionsspule umgeben ist, bildet den Einstrahlbereich, wo das Aufschmelzen des aufzuschmelzenden leitfähigen Materials erfolgt. Der Einspritzkolben kann abgesehen vom Einspritzvorgang außerhalb des Einstrahlbereichs angeordnet sein. In diesem Fall bildet die Kammer des Schmelzgefäßes ausgehend von der Ausbringöffnung einen Einspritzbereich, einen sich bevorzugt unmittelbar an diesen anschließenden Einstrahlbereich und einen sich bevorzugt unmittelbar an diesen anschließenden Lagerbereich für den Einspritzkolben aus.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schmelzgefäß im Einspritzbereich aus einem metallischen Material besteht und im Einstrahlbereich aus einem nicht-metallischen Material besteht. Das metallische Material ist mechanisch höher belastbar, was im Bereich des Einspritzbereiches von Bedeutung sein kann. Anders ausgedrückt, setzt sich in diesem Ausführungsbeispiel das Rohr aus einem axialen Abschnitt aus metallischem Material (welcher die Ausbringöffnung aufweist) und einem axialen Abschnitt aus nicht-metallischem Material (in welchem über einen Teil der Länge die Induktionsspule angeordnet ist und der Einspritzkolben angeordnet ist) zusammen. Es kann dabei vorgesehen sein, dass das metallische Material in jenem Bereich, wo es auf das nicht-metallische Material stößt, dieses in Form einer Manschette umgibt.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schmelzgefäß bis zur Ausbringöffnung (bevorzugt das Schmelzgefäß als Ganzes) aus einem nicht-metallischen Material besteht. Hier gibt es keine Stoßstelle zwischen Einspritzbereich und Einstrahlbereich. Bevorzugt ist eine mechanische Verstärkungsstruktur zumindest im Einspritzbereich vorgesehen.
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Es kann eine Abgabevorrichtung vorgesehen sein, durch welche zumindest im Einstrahlbereich ein Trennmittel auf eine Innenseite des Schmelzgefäßes aufbringbar ist, wobei durch das Trennmittel eine chemische Reaktion zwischen dem aufgeschmolzenen leitfähigen Material und dem nicht-metallischen Material des Einstrahlbereichs verhinderbar ist. Hierdurch können ein Kontakt und daraus resultierende unerwünschte chemische Reaktionen von möglicherweise im aufzuschmelzenden leitfähigen Material enthaltenen Stoffen mit der Innenseite des Schmelzgefäßes vermieden werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren diskutiert. Es zeigen:
- 1a,b eine Schnittdarstellung eines Details eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Formgebungsmaschine und eine Frontansicht hierzu
- 2a,b ein erstes und zweites Stadium eines Beladungsvorganges unter Verwendung der Aufschmelzeinheit der 1
- 3a-c eine Seitenansicht eines Schmelzgefäßes eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Aufschmelzeinheit, eine Frontansicht hierzu und eine Schnittdarstellung
- 4 die Aufbringung eines Trennmittels auf eine Innenwandung des Schmelzgefäßes
- 5 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Formgebungsm aschine
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Eine erfindungsgemäße Formgebungsmaschine 1 ist in 5 schematisch dargestellt. Auf einem Rahmen 16 sind eine bewegliche Formaufspannplatte 14 (der Antrieb zum Bewegen der beweglichen Formaufspannplatte 14 ist nicht dargestellt) und eine feste Formaufspannplatte 13 angeordnet. Holme zum Führen der beweglichen Formaufspannplatte 14 können vorgesehen sein, sind aber nicht bei jeder Bauform erforderlich.
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Die feste Formaufspannplatte 13 und die bewegliche Formaufspannplatte 14 tragen je eine Formhälfte 15. Nach dem Schließen der Formhälften 15 durch Bewegen der bewegbaren Formaufspannplatte 14 an die feststehende Formaufspannplatte 13 bis zum Kontakt der Formhälften 15 kann das aufgeschmolzene leitfähige Material durch einen Einspritzkolben 11, welcher durch einen Einspritzantrieb 12 translatorisch hin und her bewegbar ist, in eine in den Formhälften 15 ausgebildete Kavität eingespritzt werden. Nach einer möglichen Nachdruckphase kühlt das aufgeschmolzene leitfähige Material ab und bildet den gewünschten Formteil. Mittels der Einbringvorrichtung 10 kann das Formteil aus der Kavität entnommen werden.
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Die Einbringvorrichtung 10 für das aufzuschmelzende leitfähige Material 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel an der feststehenden Formaufspannplatte 13 gelagert, könnte aber auch an anderer Stelle am Rahmen 16 oder unabhängig vom Rahmen 16 neben diesem angeordnet sein.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt das Einspritzen durch die feste Formaufspannplatte 13 hindurch. Andere Konfigurationen sind denkbar wie z. B. ein Einspritzen zwischen den Formaufspannplatten 13, 14 (L-Aggregat-Anordnung oder 90-Grad-Anordnung der Einspritzeinheit zur Maschinenachse.
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Details zu Ausführungsformen der Aufschmelzeinheit, hier gebildet durch das Schmelzgefäß 2, den Einspritzkolben 11, den Einspritzantrieb 12, die Induktionsspule 3 und die Einbringvorrichtung 10 für das aufzuschmelzende leitfähige Material 4, können den 1 bis 4 entnommen werden. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist das Schmelzgefäß 2 zweiteilig ausgebildet. Das Ausführungsbeispiel der 3 zeigt eine einteilige Ausbildung des Schmelzgefäßes 2. Unabhängig von den sonst gezeigten konstruktiven Maßnahmen weist das Schmelzgefäß 2 natürlich stets eine Ausbringöffnung 6 für das aufgeschmolzene leitfähige Material auf.
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1a zeigt eine Detaildarstellung entlang des Schnittes A - A der 1b im Bereich des Schmelzgefäßes 2.
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Das Schmelzgefäß 2 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet (mit einer ununterbrochenen Mantelfläche) und weist am in 1a linken Ende eine Ausbringöffnung 6 auf, welche mit der an der festen Formaufspannplatte 13 angeordneten Formhälfte 15 (nicht dargestellt) kommuniziert. Am in 1a rechten Ende ist eine Öffnung angeordnet, in welche der Einspritzkolben 11 eingeführt ist. Gezeigt ist der Zustand nach dem Einbringen des aufzuschmelzenden leitfähigen Materials 4 (hier als Formrohling ausgebildet), aber noch vor dem Aufschmelzen des leitfähigen Materials 4. Das Aufschmelzen erfolgt in an sich bekannter Weise (ggf. nach Erzeugung eines Vakuums im Schmelzgefäß 2 durch eine nicht dargestellte Absaugvorrichtung) mittels der Induktionsspule 3, welche entlang eines axialen Abschnitts des Einstrahlbereichs 5 angeordnet ist. Die Induktionsspule 3 erzeugt ein elektromagnetisches Feld, welches Wirbelströme im aufzuschmelzenden leitfähigen Material 4 induziert. Die dabei entstehende ohmsche Wärme schmilzt das aufzuschmelzende leitfähige Material 4 auf.
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Das Schmelzgefäß 2 weist einen sich von der Ausbringöffnung 6 in Richtung des Einstrahlbereichs 5 erstreckenden Einspritzbereich 7 auf, welcher sich in diesem Ausführungsbeispiel unmittelbar bis zum Einstrahlbereich 5 erstreckt.
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Das Schmelzgefäß 2 ist im Einstrahlbereich 5, in welchem die Induktionsspule 3 angeordnet ist, aus einem nicht-metallischen Material (z. B. Graphit, Stein, Glas, Keramik oder eine Keramiklegierung) gebildet. In diesem nicht-metallischen Material werden keine oder zumindest keine relevanten Wirbelströme induziert, weswegen keine Kühlung des Schmelzgefäßes 2 im Einstrahlbereich 5 erforderlich ist. Das elektromagnetische Feld kann über den gesamten Umfang der ununterbrochenen Mantelfläche des Einstrahlbereichs 5 in diesen eindringen und erwärmt das aufzuschmelzende leitfähige Material 4 homogen.
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Um hohen Einspritzdrücken Rechnung zu tragen, welche sich im Einspritzbereich 7 unmittelbar vor den Formhälften 15 einstellen können, ist in diesem Ausführungsbeispiel das Schmelzgefäß 2 im Einspritzbereich 7 aus einem metallischen Material gebildet. Im Einspritzbereich 7 könnte eine Temperiervorrichtung zum Temperieren (Kühlen oder Heizen) des Einspritzbereiches 7 vorgesehen sein, was aber nicht zwingend erforderlich ist. Vorteilhaft ist, dass jedenfalls im Einstrahlbereich 5 keine Temperiervorrichtung erforderlich ist. Das metallische Material umgibt in jenem Bereich, wo es auf das nicht-metallische Material stößt, dieses in Form einer Manschette (dies ist nicht unbedingt erfoderlich, erhöht aber die mechanische Stabilität des Schmelzgefäßes 2).
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Im Ausführungsbeispiel der 3 ist das Schmelzgefäß 2 über die gesamte Länge aus einem nicht-metallischen Material wie Graphit, Stein, Keramik, eine Keramiklegierung oder Glas gebildet. Im Einspritzbereich 7 ist hier eine mechanische Verstärkungsstruktur 8 (beispielhaft eine Schrumpfhülse) für das Schmelzgefäß 2 angeordnet. Diese dient dazu, eine Beschädigung des Schmelzgefäßes 2 durch beim Einspritzen im Einspritzbereich 7 auftretenden Kräfte (welche aus Einspritzdrücken von bis zu 1800 bar resultieren können) zu verhindern. Alternativ könnte das Schmelzgefäß 2 - zumindest im Einspritzbereich 7 - massiver ausgebildet werden, als dies bei Verwendung einer mechanischen Verstärkungsstruktur 8 erforderlich ist. Alternativ oder zusätzlich könnte statt einer mechanischen Verstärkungsstruktur 8 ein nicht-metallisches Material mit einer ausreichend hohen mechanischen Belastbarkeit eingesetzt werden. Je nach Wahl des aufzuschmelzenden leitfähigen Materials 4 (z. B. bei Aluminium) treten ohnehin keine so großen Kräfte beim Einspritzen auf, dass besondere Maßnahmen erforderlich wären, um das zur Gänze aus nicht-metalischen Material bestehende Schmelzgefäß 2 zu schützen.
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Die 2a (Schnitt entlang B - B) und 2b (Schnitt entlang C - C) zeigen unterschiedliche Stadien eines Beladungsvorganges des Schmelzgefäßes 2 mit dem aufzuschmelzenden leitfähigen Material 4. Das zum Beladungsvorgang Gesagte gilt für beide diskutierten Ausführungsformen des Schmelzgefäßes 2.
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Der Formrohling (allgemein: das aufzuschmelzende leitfähige Material 4) wird an einem Greifer 17 in einem Rohr 18 gehalten und über einen nicht dargestellten Roboterarm der Einbringvorrichtung 10 in die Ausbringöffnung 6 eingeführt (2a). Im Einstrahlbereich 5 wird der Formrohling durch den Greifer 17 abgelegt (2b).
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Nachdem die Einbringvorrichtung 10 den Bereich zwischen den Formhälften 15 verlassen hat, werden die Formhälften 15 geschlossen. Die im Schmelzgefäß 2 enthaltene Luft kann bei Bedarf abgesaugt werden. Zusätzlich oder alternativ könnte das Schmelzgefäß 2 mit einem Schutzgas geflutet werden. In beiden Fällen kann verhindert werden, dass das aufgeschmolzene leitfähige Material mit in der Umgebungsluft enthaltenem Sauerstoff reagiert.
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Die folgenden Ausführungen gelten für beide diskutierten Ausführungsformen:
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Anders als dargestellt, könnte im Schmelzgefäß 2 ein Fenster angeordnet sein, um durch dieses Fenster eine Temperatur des aufzuschmelzenden leitfähigen Materials 4 zu messen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das aufzuschmelzende leitfähige Material 4 vor dem Einspritzen tatsächlich vollkommen geschmolzen ist. Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Temperaturmessung können die erforderlichen Prozessgrößen (z. B. Feldstärke und Einwirkdauer des elektromagnetischen Feldes) durch Versuchsreihen oder Modellrechnungen bestimmt werden.
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Anders als dargestellt, könnte das aufzuschmelzende leitfähige Material 4 in anderer Form als in Form eines Formrohlings in das Schmelzgefäß 2 eingebracht werden, z. B. in Form eines Pulvers oder Granulats.
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Anders als dargestellt, könnte die Einbringvorrichtung
10 auch so wie in
EP 3 075 465 A1 gezeigt ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formgebungsmaschine
- 2
- Schmelzgefäß
- 3
- Induktionsspule
- 4
- aufzuschmelzendes leitfähiges Material
- 5
- Einstrahlbereich des Schmelzgefäßes
- 6
- Ausbringöffnung des Schmelzgefäßes
- 7
- Einspritzbereich des Schmelzgefäßes
- 8
- mechanische Verstärkungsstruktur für das Schmelzgefäß
- 9
- Abgabevorrichtung für Trennmittel
- 10
- Einbringvorrichtung für das aufzuschmelzende leitfähige Material
- 11
- Einspritzkolben
- 12
- Einspritzantrieb
- 13
- feste Formaufspannplatte
- 14
- bewegliche Formaufspannplatte
- 15
- Formhälfte
- 16
- Rahmen der Formgebungsmaschine
- 17
- Greifer der Einbringvorrichtung
- 18
- Rohr der Einbringvorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016006917 A1 [0002]
- EP 3075465 A1 [0002, 0035]
