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Die Erfindung betrifft eine Schussdüse zum Schießen von Feststoff, insbesondere zum Schießen von Formstoffmischung in einen Formhohlraum zum Herstellen von Formkörpern, wie insbesondere Kernen, Formen und/oder Speisern in der Gießereitechnik, aufweisend zumindest eine erste Düsenwand mit einer inneren Oberfläche, die eine Drallkammer definiert, eine Einlauföffnung zum Zuführen des Feststoffs, und eine Mündungsöffnung zum Abgeben des Feststoffs. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Formkörpern, wie insbesondere Gießereikernen, Formen und/oder Speisern, aus Formstoffmischung.
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Bei der Herstellung von Kernen, verlorenen Formen und/oder Speisern in der Gießereitechnik werden oftmals Kernschießmachinen eingesetzt. Dabei wird in der Regel Formstoffmischung in einen die Kontur des zu erzeugenden Formkörpers definierenden Formhohlraum gefüllt. Die Formstoffmischung besteht häufig aus einem Formgrundstoff wie beispielsweise Quarzsand und einem Bindemittelsystem. Das Füllen des Formhohlraums mit Formstoffmischung erfolgt über eine oder mehrere Schussdüsen, die in Schussöffnungen des den Formhohlraum bildenden Formwerkzeugs eingesetzt sind. Die Versorgung der Schussdüsen mit Formstoffmischung erfolgt meist über einen Formstoffspeicher. Zum Füllen des Formhohlraums wird die Formstoffmischung bevorzugt mittels eines Gases, beispielsweise Luft, druckbeaufschlagt und durch die Schussdüse abgegeben. Dabei erfolgt meist eine Verdichtung der Formstoffmischung.
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Im so genannten Cold-Box-Verfahren weist die Formstoffmischung ein organisches Bindemittelsystem auf, dessen Härtungsreaktion durch einen gasförmigen Katalysator beschleunigt wird oder das durch Reaktion mit einem gasförmigen Härter ausgehärtet wird. Zu den Vorteilen dieses Cold-Box-Verfahrens gehören gute Produktivität, Maßgenauigkeit der Gießformen sowie gute technische Eigenschaften, wie die Festigkeit der Formkörper, die Verarbeitungszeit des Gemisches aus Formgrundstoff und Bindemittelsystem. Kalthärtende Bindemittelsysteme umfassen meist zwei Komponenten, einem (normalerweise in einem Lösemittel gelösten) Polyol mit mindestens zwei OH-Gruppen im Molekül (PolyolKomponente) und einem (in einem Lösemittel gelösten oder lösemittelfreien) Polyisocyanat mit mindestens zwei Isocyanat-Gruppen im Molekül (Polyisocyanat-Komponente). Die Polyol-Komponente ist meistens ein in einem Lösemittel gelöstes Phenolharz. Die beiden Bindemittel-Komponenten, die zur Herstellung einer Formstoffmischung einem Formgrundstoff zugesetzt und mit diesem vermischt werden, reagieren in der geformten Formstoffmischung in einer Polyadditionsreaktion zu einem Polyurethan-Bindemittel. Das Härten des Bindemittelsystems erfolgt dabei in Gegenwart basischer Katalysatoren, bevorzugt in Form tertiärer Amine, die nach der Formung der Formstoffmischung mit einem Trägergas in das Formwerkzeug eingeführt werden (Polyurethan-Cold-Box-Verfahren) oder die vor der Formung der Formstoffmischung als Lösung zugesetzt werden (Polyurethan No-Bake-Verfahren). Derartige Bindemittelsystem werden beispielsweis beschrieben in den Patentanmeldungen
WO 2017/153474 A1 und
WO 2016/165916 A1 .
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Alternativ kann die Herstellung von Kernen, Formen und/oder Speisern auch im Hot-Box-Verfahren oder Warm-Box-Verfahren erfolgen. Beim Hot-Box- sowie beim Warm-Box-Verfahren werden flüssige Harze mit einem latenten, erst bei erhöhter Temperatur wirksamen Bindemittelsystem zu einer Formstoffmischung verarbeitet. das Aushärten des zu erzeugenden Formkörpers erfolgt durch Wärmezufuhr. Alternativ kann es sich um ein anorganisches, sogenanntes IOB System, bei dem es sich um eine Mischung aus Wasserglas und/oder amorphen SiO2, handeln. Die Härtung erfolgt in beiden Fällen durch ein Formwerkzeug, welches beheizt ist, und/oder durch Beaufschlagen des Formkörpers mit erwärmter Luft.
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Eine Kernschießmaschine mit in einer Schussplatte aufgenommenen Schussdüsen ist beispielsweise aus der
DE 20 2006 010 504 U1 bekannt. Die offenbarten Schussdüsen sind Röhrenförmig und weisen einen über die gesamte Düsenlänge konstanten Querschnitt auf. Eine Kernschießmaschine mit einer eine Schussdüse tragenden Schussplatte ist aus der
EP 0 712 339 B1 bekannt, wobei sich ein Querschnitt der Schussdüsen in Richtung einer Mündungsöffnung konstant verringert. Derartige Düsen mit konstantem oder sich reduzierendem Querschnitt erzeugen beim Füllen des Formhohlraums einen gebündelten Formstoffstrahl, der lokal beschränkt und mit hoher Geschwindigkeit auf eine Oberfläche des Formwerkzeugs auftrifft. Durch abrasive Wirkung des Formstoffstrahls kommt es beim wiederholten Füllen des Formhohlraums zu lokal erhöhtem Verschleiß an der beaufschlagten Oberfläche des Formwerkzeugs. Weiterhin kann durch ein starkes Aufprallen des Formstoffs auf die Oberfläche des Formwerkzeugs ein Trennen des Formstoffs in den Formgrundstoff und das Bindemittelsystem verursacht werden. Das dabei freiwerdende Bindemittelsystem kann Entlüftungsdüsen des Werkzeugs verkleben, wodurch ein korrektes Entlüften des Formhohlraums erschwert wird. Zudem kann durch unzureichende Konzentrationen des Bindemittelsystems im Formgrundstoff eine Härte des zu erzeugenden Formkörpers reduziert werden. Hieraus können fehlerhafte Formkörper resultieren. Ebenso werden hierdurch Standzeiten zur Reinigung des Werkzeugs verursacht. Sowohl durch Ausschussteile als auch durch Standzeiten der Kernschießmaschinen werden erhöhte Kosten verursacht.
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Weiterhin kann es während des Füllprozesses zu starken Anhaftungen von Formstoff an einer Oberfläche des Werkzeugs und/oder Lokal erhöhter Verdichtung des Formstoffs kommen. Meist treten derartige Effekte auf der Mündungsöffnung der Schussdüse gegenüberliegenden Oberflächen des Werkzeugs auf. Auch hierdurch werden Standzeiten und fehlerhafte Formkörper verursacht. Bedingt durch die starke Bündelung des Formstoffstrahls kann zudem eine Verteilung und/oder eine gleichmäßige Verdichtung des Formstoffs im Formhohlraum erschwert sein. Um Ausschussteile zu vermeiden muss daher meist eine Füllzeit der Formschießmaschine erhöht werden, wodurch wiederum erhöhte Kosten entstehen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schussdüse bereitzustellen, die einen Verschleiß eines Formwerkzeugs reduziert, ein Trennen des Formstoffs verringert oder verhindert, Anhaftungen von Formstoff an einer Oberfläche des Formwerkzeugs verringert oder vermeidet, eine verbesserte Füllung des Formhohlraums erlaubt und/oder eine gleichmäßigere Verdichtung des Formstoffs im Formhohlraum ermöglicht.
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Die Erfindung löst die Aufgaben gemäß einem ersten Aspekt bei einer Schussdüse der eingangs genannten Art dadurch, dass die erste Düsenwand eine gewendelte Struktur aufweist, die einen oder mehrere Gänge umfasst und dazu ausgebildet ist, den Feststoff in Rotation um eine Zentralachse der Drallkammer zu versetzen. Die Rotation des Feststoffs resultiert in einer Streuung des an der Mündungsöffnung austretenden Feststoffs. Vorzugsweise ist der Feststoff ein partikelförmiger Feststoff, der besonders bevorzugt als Feststoffstrahl abgegeben wird. Der Feststoffstrahl kann dabei auch pulsieren. Pulsieren bezeichnet hier eine zeitliche Schwankung eines durch die Schussdüse tretenden Feststoffmassenstroms. Beispielsweise können derartige Pulsationen durch die Rotation des Feststoffs hervorgerufen werden. Es soll verstanden werden, dass nicht aller Feststoff gleichmäßig rotieren muss. Ebenso ist bevorzugt, dass nur ein Teil des zu schießenden Feststoffs rotiert. Beispielsweise kann nur ein Randbereich eines Feststoffstrahls rotieren, während ein Kernstrahl des Feststoffstrahls keine Rotation ausführt. Rotation bezeichnet dabei eine Drehbewegung des Feststoffs um die Zentralachse der Drallkammer. Eine Hauptströmungsrichtung des Feststoffs durch die Schussdüse ist bevorzugt parallel zur Zentralachse. Weiterhin kann die gewendelte Struktur bevorzugt dazu ausgebildet sein, den Feststoff in Rotation um einen Massenmittelpunkt des Feststoffs zu versetzen. Die gewendelte Struktur kann dabei eine ebene Spirale und/ oder eine Helix sein.
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Besonders bevorzugt ist der Feststoff eine Formstoffmischung, die einen Formgrundstoff und ein Bindemittelsystem umfasst. Die Formstoffmischung ist vorzugsweise eine für das Cold-Box-Verfahren, das Warm-Box-Verfahren, das Hot-Box-Verfahren oder für anorganische Bindemittel (IOB) Verfahren geeignete Formstoffmischung. Weiterhin bevorzugt wird die Schussdüse zum Füllen eines Formhohlraums mit Formstoffmischung eingesetzt. Ein derartiger Formhohlraum kann durch ein Formwerkzeug gebildet sein. Bevorzugt wird der Feststoff zum Schießen durch die Schussdüse mit einem Trägermedium, bevorzugt Luft, fluidisiert. Durch das Fluidisieren erhält der Feststoff fluidähnliche Eigenschaften.
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Bevorzugt erstreckt sich die gewendelte Struktur entlang der Zentralachse der Drallkammer. Eine Düse bezeichnet hier nicht zwangsweise eine Struktur mit sich in Strömungsrichtung reduzierender Strömungsquerschnittsfläche. Vorzugsweise weitet sich ein absoluter Drallkammerquerschnitt, gemessen senkrecht zur Zentralachse, entlang der Zentralachse auf und/oder verjüngt sich entlang der Zentralachse. Der absolute Drallkammerquerschnitt bezeichnet hier den gesamten Strömungsquerschnitt der Drallkammer. Die Zentralachse erstreckt sich zentral durch die Drallkammer und durch deren Querschnittsmittelpunkte. Bevorzugt ist die Zentralachse eine Gerade, sodass sich die Einlauföffnung und die Mündungsöffnung gegenüberliegen. Besonders bevorzugt kann die Zentralachse auch gekrümmt ausgebildet sein.
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Durch eine Streuung des Feststoffs wird eine großflächige Verteilung des Formstoffs in einem zu füllenden Formhohlraum erreicht. Eine Werkzeugoberfläche eines den Formhohlraum bildenden Formwerkzeugs wird Im Vergleich zu einer konventionellen Schussdüse großflächiger mit Feststoff beaufschlagt, so dass ein Verschleiß der Werkzeugoberfläche reduziert wird. Weiterhin führt die Rotation des Feststoffs zu einer verbesserten Trennung von Feststoff und einem Trägermedium, das zum Fluidisieren des Feststoffs eingesetzt wird. Hierdurch wird eine Verdichtung des Feststoffs erhöht und eine Festigkeit des zu erzeugenden Formkörpers kann gesteigert werden. Dies ermöglicht eine Reduzierung einer Menge des Bindemittelsystems in der Formstoffmischung, wodurch Kosten und Emissionen reduziert werden. Durch eine Streuung des Feststoffstrahls wird nach einem Austritt aus der Mündungsöffnung eine Strömungsgeschwindigkeit des Feststoffstrahls reduziert. Der Feststoff trifft in der Folge mit geringerer Geschwindigkeit auf eine Oberfläche des Formwerkzeugs, was einem Trennen der Formstoffmischung in Formgrundstoff und Bindemittelsystem und/oder einem Verschleiß der Werkzeugoberfläche entgegenwirkt. Vorzugsweise weist die Drallkammer mehrere gewendelte Strukturen auf.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Drallkammer einen Auslaufbereich, der sich in Richtung der Mündungsöffnung aufweitet. Der Auslaufbereich schließt sich bevorzugt stromaufwärts an die Mündungsöffnung an. Bevorzugt verläuft die gewendelte Struktur bis zur Mündungsöffnung. Es kann jedoch ebenso bevorzugt sein, dass die gewendelte Struktur an einem Übergang zum Auslaufbereich endet. Im Falle einer gewendelten Struktur, die sich bis zur Mündungsöffnung erstreckt, läuft die gewendelte Struktur bevorzugt hin zur Mündungsöffnung aus. Eine sich bevorzugt aufweitende Mündungsöffnung bewirkt eine Streuung des abgegebenen Feststoffs quer zur Zentralachse. Hierdurch kann eine Füllung des Formhohlraums verbessert werden. Besonders bevorzugt weist eine Auslauflänge des Auslaufbereichs, gemessen entlang der Zentralachse, einen Wert in einem Bereich von 50 % bis größer 0 %, besonders bevorzugt 30 % bis 5 % der Drallkammerlänge auf. Die Drallkammerlänge ist eine Länge der Drallkammer, gemessen entlang der Zentralachse zwischen einem stromauf gelegenen Drallkammereintritt und der Mündungsöffnung.
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Ein Öffnungswinkel des Auslaufbereichs weist vorzugsweise einen Wert in einem Bereich von größer 0° bis 8°, bevorzugt 0° bis 4°, auf. Der Öffnungswinkel des Auslaufbereichs bestimmt sich dabei als Winkel, gemessen zwischen einer zur Zentralachse parallelen Geraden und einer Verbindungsgeraden zwischen einem ersten Punkt der inneren Oberfläche an der Mündungsöffnung und einem zweiten Punkt der inneren Oberfläche am Übergang zum Auslaufbereich. Der erste Punkt und der zweite Punkt sind dabei in Richtung der Zentralachse voneinander versetzt angeordnet. Der Auslaufbereich bildet für subsonische Strömungen einen Diffusor, wobei der Öffnungswinkel des Auslaufbereichs auch als halber Öffnungswinkel des Diffusors oder als Keilwinkel des Diffusors bezeichnet werden kann. Durch einen Wert des Öffnungswinkels im bevorzugten Bereich wird ein Ablösen einer durch die Düse tretenden Feststoffströmung vermieden, wodurch beispielsweise eine verbesserte Streuwirkung der Düse erreicht werden kann.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist ein Mündungswinkel, gemessen zwischen einer zur Zentralachse parallelen Geraden und einer Tangente an die innere Oberfläche an der Mündungsöffnung, einen Wert in einem Bereich von kleiner 90° bis größer 0°, bevorzugt 80° bis 40°, besonders bevorzugt 75° bis 60° auf. Durch einen Wert des Mündungswinkels im genannten Bereich kann eine Streuung des Feststoffs an der Mündungsöffnung verbessert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Auslaufflächenverhältnis zwischen der Mündungsöffnung und einem engsten Querschnitt der Drallkammer einen Wert in einem Bereich von 400 % bis 100 %, bevorzugt 300 % bis größer 100 %, besonders bevorzugt 200 % bis größer 100 %, auf. Eine Querschnittsebene der Drallkammer, die den geringsten absoluten Drallkammerquerschnitt aufweist, stellt den engsten Querschnitt dar. Bevorzugt ist eine Geschwindigkeit des Feststoffs in Hauptströmungsrichtung im engsten Querschnitt maximal. Der engste Querschnitt stellt vorzugsweise den Übergang zum Auslaufbereich dar. In einer bevorzugten Ausgestaltung verjüngt sich die Drallkammer stetig, besonders bevorzugt konstant, entlang der Zentralachse in Richtung des engsten Querschnitts.
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Vorzugsweise weist ein Gang der gewendelten Struktur einen konstanten Steigungswinkel auf. Der Steigungswinkel ist dabei ein Winkel zwischen der Zentralachse und einer Geraden, die eine Projektion der Hauptachse des Gangs in eine Längsschnittebene der Schussdüse ist, wobei die Zentralachse in der Schnittebene liegt. Bevorzugt kann die gewendelte Struktur mehrere Gänge aufweisen, die besonders bevorzugt symmetrisch ausgebildet sind und/oder den gleichen Steigungswinkel aufweisen. Der Gang der gewendelten Struktur verläuft helixförmig um die Zentralachse der Drallkammer. Der Steigungswinkel beschreibt daher eine Ganghöhe des Gangs zwischen zwei in Richtung der Zentralachse versetzten Windungen des Gangs. Vorzugsweise ist die Ganghöhe des Ganges konstant.
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Bevorzugt ist eine Ganghöhe größer als eine Länge der Drallkammer, gemessen entlang der Zentralachse. In einer derartigen Anordnung weist der Gang keine vollständige Windung auf. Durch einen konstanten Steigungswinkel wird eine Herstellung der Schussdüse erleichtert. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass der Steigungswinkel in Richtung der Mündungsöffnung zu- oder abnimmt. Besonders bevorzugt nimmt der Steigungswinkel in Richtung der Mündungsöffnung zu und erreicht an der Mündungsöffnung ein Maximum. Dadurch kann ein Drall des Feststoffs, der durch die gewendelte Struktur aufgeprägt wird, kontinuierlich entlang der Zentralachse gesteigert werden. Ein großer Steigungswinkel beschreibt hier einen flach verlaufenden Gang mit geringer Ganghöhe. In analoger Weise beschreibt ein kleiner Steigungswinkel einen steil verlaufenden Gang mit großer Ganghöhe. Durch einen in Richtung der Mündungsöffnung zunehmenden Steigungswinkel kann eine Rotation des Feststoffs erhöht werden. Ebenso werden Steigungswinkel des Gangs bevorzugt, die in Richtung der Mündungsöffnung abnehmen. Hierdurch kann eine Strömungsgeschwindigkeit des Feststoffs entlang der Hauptströmungsrichtung gesteigert werden. Bevorzugt wird somit eine Sogwirkung erzeugt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Steigungswinkel einen Wert in einem Bereich von größer 0° bis kleiner 90°, bevorzugt größer 0° bis 50°, weiterhin bevorzugt 5° bis 45°, ferner bevorzugt 15° bis 35°, besonders bevorzugt 10° bis 20°. Für Steigungswinkel in dem genannten Bereich ist der Gang helixförmig und weder parallel zur Zentralachse noch eine ebene Spirale.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Ganggrund des Gangs abgerundet. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass der Ganggrund im Wesentlichen eckig bzw. polygonal ausgebildet ist, mit verhältnismäßig geringen Radien an den Übergängen. Der Ganggrund verbindet bevorzugt eine erste Seite des Gangs mit einer zweiten Seite des Gangs wobei die Seiten des Gangs in den freien Querschnitt münden. Der freie Querschnitt bestimmt sich aus dem absoluten Drallkammerquerschnitt abzüglich eines freien Gangquerschnitts, gemessen in einer Ebene quer zur Zentralachse.
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Vorzugsweise ist eine Tiefe des Gangs in Richtung der Mündungsöffnung konstant. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass die Tiefe des Gangs variabel ist. So kann die Tiefe des Gangs in Richtung der Mündungsöffnung zunehmen und/oder abnehmen. Durch eine konstante Tiefe des Gangs kann eine Fertigung der Schussdüse vereinfach werden. Besonders bevorzugt ist die Tiefe des Gangs stetig. Ein Gang mit stetiger Tiefe weist keine Tiefensprünge auf. Durch eine zunehmende Tiefe des Gangs steigt der Gangquerschnitt an. In analoger Weise reduziert sich ein Gangquerschnitt mit abnehmender Tiefe des Gangs.
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Ein vergrößerter Gangquerschnitt bedingt vorzugsweise einen größeren relativen Anteil des Feststoffs, der durch den Gang strömt. Somit kann eine Intensität der Rotation des Feststoffs an der Düsenmündung eingestellt werden. Bevorzugt kann durch eine zunehmende Tiefe des Gangs eine Reibung des Feststoffs im Gang in Richtung der Mündungsöffnung eingestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein freier Querschnitt der Drallkammer nicht kreisförmig, bzw. hat eine von der Kreisform abweichende Form. Vorzugsweise ist ein freier Querschnitt der Drallkammer ein Oval. Ein Oval ist dabei eine zweimal stetig differenzierbare konvexe Kurve. Die Fläche des Kreises oder des Ovals bildet dabei den freien Querschnitt. Besonders bevorzugt weist der freie Querschnitt zumindest eine Symmetrieachse auf. Beispielsweise ist ein freier Querschnitt mit genau einer Symmetrieachse im Wesentlichen eiförmig. Ferner werden freie Querschnitt mit exakt zwei Symmetrieachsen bevorzugt. Durch einen ovalen freien Querschnitt kann der Feststoffstrahl vorzugsweise an den Formhohlraum angepasst werden. Besonders vorteilhaft ist dies bei unsymmetrischen Formhohlräumen. Bedingt durch Trägheitskräfte beeinflusst eine Querschnittsform der Drallkammer eine Rotationsgeschwindigkeit des Feststoffs quer zur Zentralachse. Somit kann sich ein aus der Mündungsöffnung abgegebener Feststoffstrahl in einer ersten Richtung quer zur Hauptströmungsrichtung mit einer größeren Intensität aufweiten als in einer zweiten Richtung quer zur ersten Richtung. Dies ermöglicht ein Anpassen der Schussdüse an einen zu füllenden Formhohlraum. Vorzugsweise ist ein freier Querschnitt der Drallkammer in allen Querschnittsebenen oval. Weiterhin werden Drallkammern mit einem runden freien Querschnitt in einer ersten Querschnittsebene und einem ovalen freien Querschnitt in einer zweiten Querschnittsebene bevorzugt.
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Bevorzugt weist ein erstes Flächenverhältnis zwischen einer absoluten Querschnittsfläche der Einlauföffnung und einer absoluten Querschnittsfläche der Mündungsöffnung einen Wert in einem Bereich von größer 1 bis 5, bevorzugt größer 1 bis 3,5, besonders bevorzugt größer 1 bis 2, auf. Das erste Flächenverhältnis stellt ein Maß für eine relative Verjüngung oder eine relative Erweiterung der Schussdüse dar. Eine sich verjüngende Schussdüse bewirkt dabei eine Beschleunigung des Feststoffs beim Durchtreten der Schussdüse. Im Fall einersich verjüngenden Schussdüse, ist das erste Flächenverhältnis größer als 1. Eine sich aufweitende Schussdüse resultiert in einer Verzögerung des Feststoffs in der Schussdüse, wobei das erste Flächenverhältnis kleiner 1 ist. Erste Flächenverhältnisse kleiner 1 werden ebenso bevorzugt. Für ein erstes Flächenverhältnis von 1 ist eine absolute Querschnittsfläche der Einlauföffnung gleich einer absoluten Querschnittsfläche der Mündungsöffnung. Es soll verstanden werden, dass absolute Querschnittsflächen an Querschnitten, die zwischen der Einlauföffnung und der Mündungsöffnung angeordnet sind, nicht durch das erste Flächenverhältnis definiert werden. So kann sich beispielsweise eine Schussdüse ausgehend von der Einlauföffnung zunächst bis zu einem ersten mittleren Querschnitt kontrahieren, um sich anschließend bis zu einer absoluten Querschnittsfläche der Mündungsöffnung aufzuweiten, die größer ist als eine absolute Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein freier Mündungsquerschnitt nicht kreisförmig. Vorzugsweise ist der freie Mündungsquerschnitt oval, besonders bevorzugt elliptisch. Eine nicht kreisförmige Mündungsöffnung beeinflusst bevorzugt eine Streuung des Feststoffs beim Abgeben aus der Schussdüse. Bevorzugt erlaubt eine individuelle Gestaltung der Mündungsöffnung eine optimierte Füllung des Formhohlraums.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Drallkammer entlang der Zentralachse gestuft. Die Drallkammer weist eine Stufe auf, die eine Verjüngung und/oder Erweiterung eines freien oder absoluten Querschnitts der Schussdüse ist. Die erste Düsenwand weist dabei einen Knick auf. Es soll verstanden werden, dass ein Knickwinkel, gemessen zwischen der ersten Düsenwand stromauf und stromab des Knicks, des Knicks von 90° verschieden sein kann. Bevorzugt weist der Knick einen Knickwinkel mit einem Wert in einem Bereich von 20 bis 70°, besonders bevorzugt 30 bis 60°, auf. Bevorzugt ist die Drallkammer derart gestuft, dass ein Querschnitt der Drallkammer in einem stromauf gelegenen Abschnitt konstant ist, sich in einem anschließenden Verjüngungsabschnitt entlang der Zentralachse in Richtung der Mündungsöffnung verjüngt und in einem stromabgelegenen Abschnitt erneut konstant ist. Bevorzugt kann die Drallkammer mehrfach gestuft sein. Bevorzugt setzt sich die gewendelte Struktur über die Stufe fort. Es kann jedoch ebenso bevorzugt sein, dass die gewendelte Struktur durch die Stufe unterbrochen wird. Durch eine gestufte Schussdüse kann eine Vorverdichtung des Feststoffs erreicht werden. Zudem bewirkt eine gestufte Schussdüse bevorzugt ein diskontinuierliches Pulsieren des Feststoffs in der Düse, wobei sich ein aus der Düse abgegebener Feststoffstrahl aufweiten kann.
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Vorzugsweise erstreckt sich die gewendelte Struktur über einen wesentlichen Abschnitt, insbesondere wenigstens 10 %, der Drallkammer bis zur Mündungsöffnung. Nur eine gewendelte Struktur die sich über einen wesentlichen Abschnitt der Drallkammer erstreckt vermag den Feststoff in Rotation zu versetzen. Eine erste Längserstreckung der gewendelten Struktur, gemessen parallel zur Zentralachse der Drallkammer, beeinflusst wenigstens teilweise eine Stärke der Rotation. Besonders bevorzugt erstreckt sich die gewendelte Struktur wenigstens über 30 %, weiterhin bevorzugt über 50 %, besonders bevorzugt über 100% durch die Drallkammer. Wenn sich die gewendelte Struktur vollständig durch die gesamte Drallkammer erstreckt, wird die Längserstreckung der gewendelten Struktur maximiert. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass sich die gewendelte Struktur nur teilweise durch die Drallkammer erstreckt. Beispielsweise kann eine Stärke der Rotation des Feststoffs durch die Erstreckung der gewendelten Struktur durch die Drallkammer definiert werden.
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Weiterhin bevorzugt weist die Schussdüse eine Vorkammer auf, die zwischen der Einlauföffnung und der Drallkammer angeordnet ist. Eine die Vorkammer definierende zweite Düsenwand weist vorzugsweise eine im Wesentlichen ebene Struktur, also keine gewendelte Struktur, oder eine von der gewendelten Struktur der Drallkammer verschiedene zweite gewendelte Struktur auf. Besonders bevorzugt ist ein Vorkammerübergang zwischen der Vorkammer und der Drallkammer gestuft ausgebildet. Besonders bevorzugt ist ein Knickwinkel einer zwischen der Vorkammer und der Drallkammer angeordneten Stufe 90°.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Schussdüse eine zweiteilige Schussdüse, die einen Hauptkörper mit der Vorkammer und einen Nebenkörper mit der Drallkammer umfasst. Bevorzugt ist der Nebenkörper an und/oder in dem Hauptkörper fixiert, besonders bevorzugt verschraubt. Ebenso kann der Nebenkörper mit dem Hauptkörper stoffschlüssig, kraftschlüssig oder formschlüssig verbunden sein. Beispielsweise kann der Nebenkörper mit dem Hauptkörper verklebt oder verschweißt sein oder an diesen geklemmt sein. Weiterhin bevorzugt ist der Nebenkörper aus einem zum Material des Hauptkörpers verschiedenen Material gebildet. Bevorzugt ist der Nebenkörper lösbar am Hauptkörper fixiert. So kann beispielsweise bei Abnutzung der gewendelte Struktur der Nebenkörper ausgewechselt werden. Durch eine zweiteilige Ausführung der Schussdüse kann eine Fertigung der Schussdüse erleichtert werden. Beispielsweise können der Hauptkörper und der Nebenkörper mit verschiedenen Fertigungsverfahren hergestellt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da die gewendelte Struktur im Vergleich zu herkömmlichen Düsengeometrien komplex ist. Bevorzugt weist der Nebenkörper eine Rasteinrichtung auf, die in eine korrespondierende Rastaufnahme des Hauptkörpers zum Fixieren des Nebenkörpers eingreift.
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Bevorzugt ist ein erstes die Schussdüse zumindest abschnittsweise bildendes Material ein Kunststoff. Besonders bevorzugt ist das erste Material ausgewählt aus: POM, PVC, PEEK, ABS, PP, PS, PC, PMMA, PA. Durch Verwendung eines Kunststoffs als erstes Material kann bevorzugt eine Fertigung der Schussdüse erleichtert werden. Weiterhin sind Kunststoffe oftmals kostengünstig. Vorzugsweise ist die gesamte Schussdüse aus Kunststoff gebildet, besonders bevorzugt aus nur einem Kunststoff. Ebenso bevorzugt kann das erste Material eine Keramik sein. Besonders bevorzugt ist das erste Material eine Oxid-Keramik, besonders bevorzugt Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Titandioxis, Aluminiumtitanat, Mullit, Bleizirkonattitanat oder Zirkoniumoxid verstärktes Aluminiumoxid. Vorzugsweise kann das erste Material auch eine Nicht-Oxid-Keramik, bevorzugt ein Carbid, Nitrid, Borid oder Silicid, sein. Bevorzugt erfolgt ein Herstellen der Schussdüse durch Sintern des ersten Materials. Weiterhin bevorzugt ist das erste Material ein Metall, besonders bevorzugt Stahl, oder ein organisches Material.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Schussdüse ferner eine Spülöffnung auf, die in die innere Oberfläche mündet und zum Zuführen eines Spülmediums in die Drallkammer ausgebildet ist. Bevorzugt erfolgt das Zuführen des Spülmediums vor und/oder nach dem Schießen des Feststoffs um ein Aushärten des Feststoffs in der Schussdüse zu verhindern. Besonders bevorzugt ist die Spülöffnung verschließbar ausgebildet. Durch Zuführen eines Spülmediums in die Strömungskammer kann ein Aushärten des Rückstands der Formstoffmischung verhindert und/oder reduziert werden. Besonders bevorzugt weist die Schussdüse mehrere Spülöffnung auf. Vorzugsweise sind die mehreren Spülöffnungen entlang der Zentralachse der Strömungskammer versetzt angeordnet. Ein maximales Maß der Mündungsöffnung liegt bevorzugt in einem Bereich von größer 0 mm bis 15 mm, vorzugsweise 0,1 mm bis 10 mm, weiterhin bevorzugt 0,1 mm bis 5 mm, weiterhin bevorzugt 0,1 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt 0,5 mm bis 2 mm. Vorzugsweise ist die Spülöffnung als in die innere Oberfläche mündender Spalt, vorzugsweise Umfangsspalt, ausgebildet. Ein Umfangsspalt mündet in einer Querschnittsfläche, die senkrecht zur Zentralachse angeordnet ist, entlang eines wesentlichen Abschnitts eines inneren Umfangs der Strömungskammer in die innere Oberfläche. Bevorzugt weist ein relativer Anteil des Umfangsspalts an einem inneren Umfang der Strömungskammer einen Wert in einem Bereich von 10 % bis 100 %, vorzugsweise 30 % bis 100 %, besonders bevorzugt 50 % bis 80 %, auf. Vorzugsweise weist die Spülöffnung wenigstens teilweise in Richtung der Einlauföffnung. Durch eine in Richtung der Einlauföffnung weisende Spülöffnung ist eine Strömungsrichtung des aus der Spülöffnung tretenden Spülmediums zumindest teilweise in Richtung der Einlauföffnung gerichtet. Bevorzugt ist die Spülöffnung benachbart zur Mündungsöffnung ausgebildet. In diesem Fall kann durch eine in Richtung der Einlauföffnung weisende Spülöffnung ein großer relativer Anteil der inneren Oberfläche mit Spülmedium beaufschlagt werden. Vorzugsweise weist die Spülöffnung wenigstens teilweise in Richtung der Mündungsöffnung. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn erwärmte Umgebungsluft und/oder mit Katalysator und/oder härter belastete Umgebungsluft von der Mündungsöffnung in die Schussdüse eintritt. Weiterhin werden auch senkrecht zur Mündungsöffnung und/oder zur Einlauföffnung orientierte Spülöffnungen bevorzugt. Bevorzugt ist die Spülöffnung verschließbar ausgebildet. Für den Fall, dass mehrere Spülöffnungen vorgesehen sind, sind vorzugsweise sämtliche Spülöffnungen verschließbar ausgebildet. Vorzugsweise ist die Spülöffnung während eines Füllens des Formhohlraums mit Formstoffmischung verschließbar. Durch eine verschließbar ausgebildete Spülöffnung kann ein Eintreten von Formstoffmischung in die Spülöffnung und/oder ein Verstopfen der Spülöffnung vermieden werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Spülöffnung dazu ausgebildet, durch Aufbringen einer Anpresskraft auf eine Düsenmündung verschlossen zu werden. In einer Variante umfasst die Schussdüse einen Zuführkanal, der zwischen zwei Körperteilen der Schussdüse gebildet ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Spülöffnung zwischen den zwei Körperteilen ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist die Schussdüse zumindest Abschnittsweise durch Spritzguss hergestellt. Spritzguss ermöglicht eine kostengünstige Herstellung großer Stückzahlen und/oder eine gute Oberflächenqualität und ist daher bevorzugt. Weiterhin können auch komplexe Geometrien mittels Spritzguss hergestellt werden. Bevorzugt ist der Spritzguss ein Kunststoff-Spritzguss oder ein Leichtmetall-Spritzguss. Besonders bevorzugt ist die Schussdüse vollständig durch Spritzguss hergestellt. Es kann jedoch ebenso bevorzugt sein einen ersten Abschnitt der Schussdüse mittels eines anderen Fertigungsverfahrens herzustellen und diesen ersten Abschnitt mit einem zweiten Abschnitt zumindest teilweise zu umspritzen. Vorzugsweise kann die Schussdüse zumindest Abschnittsweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein. Weiterhin bevorzugt ist eine Gussform für die Schussdüse mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Ferner bevorzugt ist die Schussdüse zumindest abschnittsweise durch Erodieren, spanende Fertigungsverfahren, insbesondere Drehen, Fräsen und/oder bohren, und/oder Gießen hergestellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gang eine Drallnut, die sich helixförmig entlang der Zentralachse erstreckt. Die Drallnut ist dabei als längliche Vertiefung in der Düsenwand ausgebildet. Bevorzugt ist ein Nutquerschnitt der Drallnut im Wesentlichen U-förmig. Es werden jedoch ebenso Drallnuten mit W-förmigen und/ oder V-förmigen Nutquerschnitten bevorzugt. Der Nutquerschnitt ist ein Querschnitt der Nut, senkrecht zu einer Längsrichtung der Nut. Eine Hauptströmungsrichtung des Feststoffs durch die Schussdüse verläuft entlang der Zentralachse von der Einlauföffnung zur Mündungsöffnung. Die Drallnut prägt dem Feststoff eine zusätzliche Rotationsbewegung quer zur Hauptströmungsrichtung auf. Bevorzugt ist eine Windungsrichtung der Drallnuten gleichgerichtet. Besonders bevorzugt sind mehrere Drallnuten parallel. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass die gewendelte Struktur zumindest eine erste linksgängige Helix und zumindest eine erste rechtsgängige Helix auf. Eine Windungsrichtung der Drallnuten ist dabei gegensätzlich wodurch eine verstärkte Verwirbelung des Feststoffs erreicht werden kann.
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Vorzugsweise hat ein relativer Anteil der einen oder mehreren Drallnuten an einem freien Umfang der Drallkammer einen Wert in einem Bereich von 5 % bis 80 %, bevorzugt 5 % bis 50 %, besonders bevorzugt 10 % bis 40 %, hat. Der freie Umfang ist dabei ein Umfang des freien Querschnitts der Drallkammer. Bevorzugt ist der relative Anteil in der Drallkammer konstant. Es kann jedoch ebenso bevorzugt sein, dass der freie Umfang entlang der Zentralachse in dem genannten Bereich variiert. Der relative Anteil der Drallnuten am freien Umfang der Drallkammer beeinflusst dabei eine Stärke der Rotation des Feststoffs. Bevorzugt steigt eine Wechselwirkung des Feststoffs im freien Querschnitt mit demjenigen Feststoff in der Drallnut mit steigendem relativen Anteil der Drallnut. Eine hoher relativer Anteil der Drallnuten bewirkt eine starke Interaktion wohingegen eine geringer relativer Anteil eine schwache Interaktion bewirkt. Ein hoher relativer Anteil verstärkt eine Übertragung des Dralls auf den Kernstrahl des Feststoffstrahls. Somit kann bevorzugt eine gleichmäßige Rotation des Feststoffs erreicht werden. Ebenso kann ein geringer relativer Anteil bevorzugt sein. Beispielsweise kann somit erreicht werden, dass im Wesentlichen nur der Randbereich des Feststoffstrahls rotiert, während der Kernstrahl im Wesentlichen rotationsfrei ist. Vorzugsweise weist die Drallnut einen Nutanfang auf, der an einem zur Einlauföffnung weisenden Ende der Drallnuten angeordnet ist. Bevorzugt nimmt eine Tiefe der Drallnut beginnend in einem Anfangsbereich von der inneren Oberfläche bis zu einer ersten Nuttiefe zu. Eine Tiefenrichtung der Drallnut ist dabei senkrecht zur inneren Oberfläche der ersten Düsenwand. Vorzugsweise ist eine erste Längskante und/oder zweite Längskante der Drallnut abgerundet. Die erste Längskante der Drallnut ist in einer Längsrichtung der Drallnut orientiert und bildet auf einer ersten Seite der Drallnut einen ersten Übergang zur inneren Oberfläche. Analog bildet die zweite Längskante der Drallnut auf einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, einen zweiten Übergang der Drallnut zur inneren Oberfläche.
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Bevorzugt weist ein freies Flächenverhältnis aus einer freien Nutquerschnittsfläche der Drallnut und einer freien Querschnittsfläche der Drallkammer einen Wert in einem Bereich von 10 % bis 150 %, bevorzugt 20 % bis 100 %, besonders bevorzugt 30 % bis 50 %, auf. Es soll verstanden werden, dass im Falle einer gewendelten Struktur mit mehreren Drallnuten die freie Nutquerschnittsfläche die Summe der Flächen sämtlicher Drallnuten darstellt. Bevorzugt ist das freie Flächenverhältnis entlang der Zentralachse konstant. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass das freie Flächenverhältnis entlang der Zentralachse in Richtung der Mündungsöffnung zunimmt oder abnimmt. Das freie Flächenverhältnis bestimmt einen prozentualen Anteil des Feststoffs der durch die Drallnuten tritt. In der Folge beeinflusst die freie Nutquerschnittsfläche eine Rotation des Feststoffs, eine Strömungsgeschwindigkeit des Feststoffstrahls, eine Feststoffmenge welche bei einem vordefinierten Druck aus der Düse abgegeben werden kann und/oder einen Verschleiß der Düse.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich die Drallnut im Wesentlichen vollständig entlang der Zentralachse durch die Drallkammer und die Schussdüse weist eine oder mehrere Teilnuten auf, die sich entlang der Zentralachse nur teilweise durch die Drallkammer erstrecken. Bevorzugt laufen die Teilnuten entlang der Zentralachse in Richtung der Mündungsöffnung aus, wobei sich eine Tiefe und/oder Breite der Teilnuten reduziert. Eine Länge der Teilnuten entlang der Zentralachse ist dabei geringer als eine korrespondierende Länge der Drallnuten. Vorzugsweise verlaufen die eine oder mehreren Teilnuten parallel zur Drallnut. Bevorzugt ist ein Teilnutanfang in einer Querschnittsebene mit dem Nutanfang der Drallnut angeordnet. Beispielsweise kann dies bevorzugt sein, wenn sich der freie Querschnitt der Schussdüse in Richtung der Mündungsöffnung verjüngt und eine absolute Umfangsbreite der einen oder mehreren Drallnuten konstant ist. Eine Umfangsbreite von Stegen, die zwischen den Drallnuten angeordnet sind, nimmt ab. Um eine vordefinierte minimale Stegbreite nicht zu unterschreiten, kann es Vorteilhaft sein, Teilnuten zwischen den Drallnuten anzuordnen. Bevorzugt sind mehrere Drallnuten und mehrere Teilnuten in Umfangsrichtung alternierend in der Drallkammer angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die gewendelte Struktur als Polygonprofil der inneren Oberfläche ausgebildet, das sich helixförmig entlang der Zentralachse erstreckt. Dabei bildet die innere Oberfläche in jedem Querschnitt entlang der gewendelten Struktur das Polygonprofil. Der Ganggrund der Gänge der gewendelten Struktur wird dabei von jeweils einer Ecke des Polygonprofils gebildet. Eine Gerade, die einen Eckpunkt des Polygons in verschiedenen Querschnittsebenen verbindet, verläuft dabei Schraubenförmig um die Zentralachse. Bevorzugt erstreckt sich das Polygonprofil helixförmig durch die gesamte Drallkammer. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Polygonprofil eine gerade Anzahl an Ecken auf. Vorzugsweise ist das Polygonprofil ein Hexagon oder ein Oktagon. Ecken des Polygonprofils sind bevorzugt abgerundet ausgebildet. Es kann auch bevorzugt sein, dass die Drallkammer eine erste gewendelte Struktur als Polygonprofil der innen Oberfläche und eine zweite gewendelte Struktur aufweist, wobei die zweite gewendelte Struktur eine oder mehrere Drallnuten in der Düsenwand umfasst.
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Vorzugsweise ist das Polygonprofil regelmäßig polygonal. Ein solches Polygon wird auch als regelmäßiges Polygon bezeichnet und weist Seiten gleicher Seitenlänge und Innenwinkel gleicher Größe auf. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass das Polygonprofil unregelmäßig ist. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung weisen Paare sich gegenüberliegende Seiten des Polygons eine gleiche Seitenläge und Paare benachbarter Seiten des Polygons voneinander verschiedene Seitenlängen auf. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass ein Paar sich gegenüberliegender Seiten des Polygons eine erste Seitenlänge aufweist und die übrigen Seiten des Polygons eine zweite Seitenlänge aufweisen, wobei besonders bevorzugt alle Innenwinkel des Polygons gleich sind.
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Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung die eingangs genannte Aufgabe dadurch, dass ein Drallerzeuger in der Drallkammer angeordnet und zum Versetzen des Feststoffs in Rotation ausgebildet ist. Bevorzugt weist der Drallerzeuger eine gewendelte Struktur, besonders bevorzugt ein Polygonprofil und/oder eine oder mehrere Drallnuten, auf, die zum Versetzen des Feststoffs in Rotation ausgebildet ist. Bevorzugt ist die Schussdüse zweiteilig, wobei der Drallerzeuger in einen die Düsenwand aufweisenden Hauptkörper eingesetzt ist. Vorzugsweise verjüngt sich die Drallkammer in Richtung der Mündungsöffnung. Bevorzugt ist zumindest ein äußerer Querschnitt der Drallkammer kleiner als ein innerer Querschnitt der Einlauföffnung und größer als ein innerer Querschnitt der Mündungsöffnung. Somit kann der Drallerzeuger von der Mündungsöffnung in die Drallkammer eingeführt werden, wobei ein herausrutschen während des Schießens formschlüssig verhindert wird. Besonders bevorzugt liegt eine äußere Oberfläche des Drallerzeugers entlang einer Zentralachse der Drallkammer an der inneren Oberfläche der Düsenwand an. Ein Querschnitt der inneren Oberfläche ist entlang der Zentralachse vorzugsweise rund und/oder oval ausgebildet. In diesem Fall ist bei einer zweiteiligen Ausführung eine Fertigung des Hauptkörpers erleichtert. Ebenso kann die Schussdüse auch einstückig ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Schussdüse mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein.
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Weiterhin löst die Erfindung gemäß einem dritten Aspekt die eingangs genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen von Formkörpern, insbesondere Gießereikernen, Formen und/oder Speisern, aus Formstoffmischung, bevorzugt unter Verwendung einer Schussdüse gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, umfassend die Schritte: Schließen eines Formhohlraums; Aufprägen einer Rotationsbewegung auf die Formstoffmischung in der Schussdüse; Abgeben der rotierenden Formstoffmischung aus einer Mündungsöffnung der Schussdüse in den Formhohlraum; Öffnen des Formhohlraums; und Entformen des Formkörpers.
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Vorzugsweise wird der Formhohlraum durch ein Formwerkzeug, beispielsweise einen Kernkasten einer Kernschießmaschine, gebildet. Bei Verwendung einer Kernschießmaschine wird zum Füllen des Formhohlraums zunächst ein die Formstoffmischung enthaltendes Schießmodul auf den Formhohlraum aufgesetzt oder angesetzt. Anschließend wird bevorzugt die Formstoffmischung druckbeaufschlagt und/oder fluidisiert. Die Formstoffmischung tritt zum Füllen des Formhohlraums durch die Schussdüse wobei dem Formstoff in der Schussdüse eine Rotationsbewegung aufgeprägt wird. Es soll verstanden werden, dass auch nur einem Teil der Formstoffmischung eine Rotationsbewegung aufgeprägt werden kann. Das Aufprägen der Rotationsbewegung erfolgt bevorzugt durch eine gewendelte Struktur der Schussdüse. Die Formstoffmischung wird in anschließend aus einer Mündungsöffnung abgegeben, wobei durch die Rotationsbewegung der Formstoffmischung die eingangs genannten Vorteile erreicht werden können. Im Anschluss an ein Füllen des Formhohlraums kann ein Härtungsschritt angeschlossen sein. Bevorzugt erfolgt ein Härten des Gießereikerns, der Form oder des Speisers mittels eines das Bindemittelsystem aktivierenden gasförmigen und/oder flüssigen Härters, mittels eines eine Aushärtereaktion des Bindemittelsystems beschleunigenden Katalysators und/oder durch Wärmezufuhr. Das Entformen des Gießereikerns, der Form oder des Speisers erfolgt vorzugsweise automatisch. Ebenso kann das Entformen auch manuell erfolgen. Besonders bevorzugt weist die Schussdüse eine Spülöffnung auf, wobei das Verfahren ferner umfasst; Spülen der Schussdüse mit einem Spülmedium. Besonders bevorzugt erfolgt das Spülen nach dem Schritt Abgeben der rotierenden Formstoffmischung aus einer Mündungsöffnung der Schussdüse in den Formhohlraum. Vorzugsweise ist die Schussdüse während des Spülens nicht auf ein Formwerkzeug aufgesetzt oder angesetzt. Weiterhin bevorzugt umfasst das Verfahren: Reinigen der Schussdüse durch eine Spülöffnung mit Spülmedium bei einem Reinigungsdruck der größer ist als ein Spüldruck.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese sollen die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr sind die Zeichnungen, wenn dies zur Erläuterung dienlich ist, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus den Zeichnungen unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, den Zeichnungen und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
- 1 eine isometrische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Schussdüse,
- 2 eine Längsschnittansicht der Schussdüse gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer parallel zur Zentralachse verlaufenden Schnittebene;
- 3 eine Draufsicht der Schussdüse gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel;
- 4 zwei in einer ersten Richtung versetzte Querschnittsansichten der Schussdüse gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 5 eine Querschnittsansicht der Schussdüse gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
- 6 eine Längsschnittansicht der Schussdüse gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
- 7 eine Längsschnittansicht der Schussdüse gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung;
- 8 ein Flussdiagramm einer Ausgestaltung des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung,
- 9 den Versuchskernkasten, und in
- 10 eine Längsschnittansicht einer Standarddüse.
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Gemäß 1 umfasst eine Schussdüse 1 einen Düsenkörper 3 mit einem Bund 5 und einem Ansatz 7. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Schussdüse 1 einstückig ausgebildet. Der Bund 5 kann in einer geeigneten Aufnahmevorrichtung einer Fülleinrichtung einer Kernschießmaschine (in 1 nicht dargestellt) aufgenommen werden. Ein Einführabschnitt 9 der Schussdüse 1 wird dabei in der Fülleinrichtung aufgenommen wobei ein Mittelabschnitt 11 und der Ansatz 7 aus der Fülleinrichtung herausragen. Vorzugsweise kann an dem Einführabschnitt 9 und/oder dem Bund 5 der Schussdüse 1 ein Dichtungsring (in 1 nicht dargestellt) angebracht werden. Im Bereich des Ansatzes 7 verjüngt sich die Schussdüse 1 in Richtung der Mündungsöffnung 13. Auf einer der Mündungsöffnung 13 gegenüberliegenden Seite 15 der Schussdüse 1 ist eine Einlauföffnung 17 angeordnet. Eine Außenkontur eines Abschlussbereichs 19 des Ansatzes 7 ist zylindrisch ausgeführt. Ebenso sind hier Außenkonturen des Mittelabschnitts 11, des Bunds 5 und des Einführabschnitts 9 zylindrisch ausgebildet. In einer Variante ist eine Außenkontur des Mittelabschnitts 11, des Bundes 5, des Ansatzes 7 und/oder eine Außenkontur des Abschlussbereichs 19 vorzugsweise konisch. Bevorzugt weist der Einführabschnitt 9 und/oder der Bund 5 Befestigungsmittel auf. Beispielsweise können am Einführabschnitt 9 und/oder am Bund 5 Gewindebohrungen oder Rastnasen (in 1 nicht dargestellt) ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Ansatz 7 dazu ausgebildet, in eine korrespondierende Füllöffnung eines Formwerkzeugs (in 1 nicht dargestellt) eingesetzt zu werden, wobei der sich zylindrisch verjüngende Konusabschnitt 21 zur Anlage gebracht wird. Bevorzugt kann so die Schussdüse 1 mit einer Schließkraft, die parallel zu einer Zentralachse ZA der Schussdüse 1 wirkt, gegen das Formwerkzeug gepresst werden. Somit kann ein dichtendes Anlegen der Schussdüse 1 an das Formwerkzeug sichergestellt werden. Weiterhin dient der Konusabschnitt 21 dem Ausgleich von Durchmesservariationen der Füllöffnung und/oder einer Zentrierung der Schussdüse 1 an oder in dem Formwerkzeug. Vorzugsweise weist ein Konuswinkel δ, gemessen zwischen einer die Außenkontur des Konusabschnitts 21 tangierenden Fläche und der Zentralachse ZA (2), einen Wert in einem Bereich von 90° bis größer 0°, bevorzugt 70° bis 20°, besonders bevorzugt 60° bis 40°, auf. Es soll verstanden werden, dass der Konusabschnitt 21 als Stufe ausgebildet sein kann. In diesem Fall ist der Konuswinkel δ 90°. Hier ist der Bund 5 als Vorsprung ausgebildet, der senkrecht zum Einführabschnitt 9 und zum Mittelabschnitt 11 ist. Ebenso werden Ausführungsformen mit gewinkeltem Bund 5 bevorzugt. Beispielsweise kann der Bund 5 zum Mittelabschnitt 11 senkrecht sein, und zum Einführabschnitt 9 einen Winkel kleiner oder größer 90° einschließen.
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Wie die in 2 dargestellten Schnittansicht durch die Schussdüse 1 zeigt, definiert eine innere Oberfläche 23 einer ersten Düsenwand 25 eine Drallkammer 27. Die Zentralachse ZA erstreckt sich durch Querschnittsmittelpunkte der Drallkammer 27 von der Einlauföffnung 17 zur Mündungsöffnung 13. Hier liegen sich die Einlauföffnung 17 und die Mündungsöffnung 13 gegenüber und die Zentralachse ZA ist gerade. Ferner werden auch Ausführungsformen mit gekrümmter Zentralachse ZA bevorzugt. Dabei können die Einlauföffnung 17 und die Mündungsöffnung 13 einen Winkel zueinander einschließen. Ein erster Bundübergang 35 zwischen dem Bund 5 und dem Mittelabschnitt 11 ist bevorzugt gerundet ausgebildet. Die Drallkammer 27 verjüngt sich in einer ersten Richtung R1, die parallel zur Zentralachse ZA ist und von der Einlauföffnung 17 in Richtung der Mündungsöffnung 13 weist, bis zu einem Übergang 37 zu einem Auslaufbereich 39 der Drallkammer 27. Vom Übergang 37 bis zur Mündungsöffnung 13 weitet sich die Drallkammer 27 in der ersten Richtung R1 auf. In diesem Ausführungsbeispiel verjüngt sich die Drallkammer 27 bis zum Übergang 37 stetig und mit einem im Wesentlichen konstanten Verjüngungsverhältnis. Das Verjüngungsverhältnis beschreibt eine Änderung des inneren Durchmessers D1 der Drallkammer 27 entlang der Zentralachse ZA und liegt bevorzugt in einem Bereich von 0 % bis 60 %, besonders bevorzugt 20 % bis 40 %, auf. Hier kann das Verjüngungsverhältnis auch als Steigung einer Steigungstangente TA3 an die innere Oberfläche 23, die in der Schnittebene liegt, relativ zur Zentralachse ZA interpretiert werden. Es werden auch Schussdüsen 1 mit einer sich in Richtung R1 variabel verjüngenden Drallkammer 27 bevorzugt. Ferner kann die Drallkammer 27 sich in der ersten Richtung R1 aufweitend und/oder sich aufweitend und verjüngend ausgebildet sein. Ebenso werden zylindrische Drallkammern 27 bevorzugt. Ein erster Innenwandabschnitt 41 im Auslaufbereich 39 ist hier konvex ausgebildet. Ebenso werden konkave, konkav-konvexe und/oder konvex-konkave erste Innenwandabschnitte 41 bevorzugt. Weiterhin kann der erste Innenwandabschnitt 41 auch als Mantelfläche eines Kegels ausgeführt sein. Bevorzugt liegt eine Auslaufbereichslänge L2, gemessen entlang der Zentralachse ZA vom Übergang 37 bis zur Mündungsöffnung 13, des Auslaufbereichs 39 in einem Bereich von größer 0 % bis 50 %, bevorzugt 5 % bis 30 %, besonders bevorzugt 10 % bis 20 %, der Gesamtlänge L1 der Schussdüse 1, gemessen entlang der Zentralachse ZA von der Einlauföffnung 17 bis zur Mündungsöffnung 13. Weiterhin bevorzugt liegt eine Abschlusslänge L3 des Abschlussbereichs 19, gemessen entlang der Zentralachse ZA, in einem Bereich von größer 0 % bis 50 %, bevorzugt 5 % bis 40 %, besonders bevorzugt 15 % bis 30 %, der Gesamtlänge L1. Ein Öffnungswinkel ε des Auslaufbereichs 39 bestimmt sich zwischen der Zentralachse ZA und eine Tangente TA1. Die Tangente TA1 ist eine Verbindungsgerade zwischen einem ersten Punkt 45, der am Übergang 37 in der Schnittebene liegt, und einem zweiten Punkt 47, der in der Schnittebene an der Mündungsöffnung 13 liegt. Wenn der erste Innenwandabschnitt 41 als Mantelfläche eines Kegels ausgeführt ist, ist die Öffnungstangente TA1 parallel zum ersten Innenwandabschnitt 41. Ein Mündungswinkel β, gemessen zwischen einer Mündungstangente TA2 an den ersten Innenwandabschnitt 41 an der Mündungsöffnung 13 und der Zentralachse ZA, liegt bevorzugt in einem Bereich von kleiner 90° bis größer 0°, bevorzugt 80° bis 40°, besonders bevorzugt 75° bis 60°, weiterhin bevorzugt 20° bis 60°, besonders bevorzugt 35° bis 50°.
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Eine gewendelte Struktur 29 der Drallkammer 27 weist in diesem Ausführungsbeispiel in der ersten Düsenwand 25 ausgebildete Drallnuten 31 auf, die sich entlang der Zentralachse ZA bis zur Mündungsöffnung 13 erstrecken. Die Drallnuten 31 definieren dabei die Gänge 32 der gewendelten Struktur 29. Zwischen den Drallnuten 31 sind Stege 33 ausgebildet. Die Drallnuten 31 verlaufen helixförmig um die Zentralachse ZA. Zudem sind in diesem Ausführungsbeispiel die Drallnuten 31 symmetrisch ausgebildet. Ebenso werden Schussdüsen 1 bevorzugt, deren Drallnuten 31 unsymmetrisch sind.
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Die Drallnuten 31 weisen in einem Einlaufbereich 49 je einen Anfangsabschnitt 51 auf. Der Einlaufbereich 49 ist derjenige Abschnitt der Drallkammer 27 der sich an die Einlauföffnung 17 anschließt. Hier ist die Drallkammer 27 im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet (3). In dem Anfangsabschnitt 51 nimmt eine Nuttiefe T1 der Drallnuten 31 in der ersten Richtung R1 stetig zu. Die Nuttiefe T1 bestimmt sich dabei senkrecht zur Zentralachse ZA zwischen einem Nutgrund 53 der Drallnuten 31 und einem die innere Oberfläche an den Stegen 33 tangierenden Kreis KR1. Vorzugsweise kann der Anfangsabschnitt 51 auch als Stufe mit einem sprunghaften Anstieg der Nuttiefe T1 ausgebildet sein. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind seitliche Nutübergänge 55 der Drallnuten 31 zu den Stegen 33 abgerundet. Die Nutübergänge können bevorzugt auch als Kanten ausgebildet sein. Ebenso ist der Anfangsabschnitt 51 abgerundet. Eine Länge L4 der Drallnuten, gemessen entlang der Zentralachse ZA zwischen der Mündungsöffnung 13 und dem Anfangsabschnitt 45, liegt bevorzugt in einem Bereich von größer 10 % bis 100 %, bevorzugt größer 30 % bis 100 %, besonders bevorzugt 70 % bis 100 %, insbesondere bevorzugt 80 % bis kleiner 100 %. Ebenso werden Auslaufbereiche 39 bevorzugt, die keine gewendelte Struktur 29 aufweisen, sondern im Wesentlichen glatt sind. Ein Steigungswinkel α, gemessen zwischen der Zentralachse ZA und einer Geraden GA1, die eine Projektion der Hauptachse HA der Drallnut 31 in die Schnittebene ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel konstant (aufgrund der sich verjüngenden Drallkammer 27 erscheint der Steigungswinkel α in 1 variabel) und beträgt etwa 20°. Vorzugsweise ist der Steigungswinkel α in der ersten Richtung R1 variabel. Beispielsweise kann der Steigungswinkel α entlang der Zentralachse ZA bis zur Mündungsöffnung 13 zunehmen. Bevorzugt ist der Steigungswinkel α am Übergang 37 stetig. Es werden jedoch auch Ausführungsformen bevorzugt in denen die Drallnuten 31 am Übergang 37 einen Knick aufweisen.
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Die Schussdüse 1 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel sechs Drallnuten 31 auf, die gleichmäßig über einen Umfang der Drallkammer 27 verteilt sind (3). Vorzugsweise können die Drallnuten 31 auch unregelmäßig über den Umfang der Drallkammer 27 verteilt sein. Bevorzugt weist die Schussdüse 1 eine gerade Anzahl von Drallnuten 31 auf. Ferner werden Schussdüsen 1 mit genau einer, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 und/oder 20 Gängen 32 bevorzugt. Wie 3 zeigt, ist ein an den verrundeten Einlaufbereich 49 anschließender Nutquerschnitt 57 im wesentlichen U-förmig. Vorzugsweise kann der Nutquerschnitt 57 auch V-förmig, W-förmig und/oder eckig ausgebildet sein. Der freie Querschnitt der Drallkammer 27 ist die von einer die Stege tangierende Kurve 61eingeschlossene Fläche, die hier ein Kreis 69 ist. Es soll verstanden werden, dass eine die Stege 33 tangierende Kurve 61 auch oval ausgebildet sein kann. Der Nutgrund 53 ist hier abgerundet. Die freie Nutquerschnittsfläche 59 ist diejenige Querschnittsfläche der Drallkammer 27, die sich zwischen der Kurve 61 und der inneren Oberfläche 23 erstreckt. Eine Umfangsbreite B1 der Drallnuten 53 bestimmt sich entlang der tangierenden Kurve 61 zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Stegen 33. Vorzugsweise liegt ein relativer Umfangsanteil der Drallnuten 31 in einem Bereich von 10 % bis 90 %, bevorzugt 30 % bis 70 %, besonders bevorzugt 50 % bis 70 %, des gesamten Umfangs der Kurve 61. Der relative Umfangsanteil der Drallnuten 31 bestimmt sich dabei aus dem Quotienten der Summe der umfangsbreiten B1 sämtlicher Drallnuten 31 und dem gesamten Umfang der tangierenden Kurve 61.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel (4) ist die innere Oberfläche 23 der Düsenwand 25 als Polygonprofil 65 ausgebildet. Dabei umfasst die gewendelte Struktur 29 sechs Gänge 32, die als Ecken 63 des Polygonprofils 65 ausgebildet sind. Die Ecken 63 bilden dabei den Ganggrund 73 des jeweiligen Gangs 32. Hier ist das Polygonprofil 65 regelmäßig polygonal, so dass alle Innenwinkel λ der Gänge 32 und alle Seitenlängen L5, gemessen zwischen benachbarten Ecken 63 des Polygonprofil 65, übereinstimmen. Eine Tiefe T2 eines Gangs 32 bestimmt sich senkrecht zur Zentralachse ZA als Abstand zwischen der Ecke 63 und einer die Seiten 67 des Polygonprofils 65 tangierenden Innenkurve 69. Eine Gerade, entlang derer die Tiefe T2 gemessen wird, schneidet bevorzugt die Zentralachse ZA. Das Polygonprofil 65 ist hier als Hexagon 71 ausgebildet, wobei ebenso Polygonprofile 65 mit einer größeren und/oder kleineren Anzahl an Ecken 63 bevorzugt werden. Beispielsweise kann das Polygonprofil ein Oktagon oder ein Rechteck sein. 4b zeigt eine weitere Querschnittsansicht der Schussdüse 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, die entlang der Zentralachse ZA in der ersten Richtung R1 zu der in 4a dargestellten Querschnittsansicht versetzt ist. Es soll verstanden werden, dass die gewendelte Struktur 29 durch Rotation des Polygonprofils 65 um die Zentralachse ZA in der ersten Richtung R1 gebildet ist. Eine erste Ecken 64 des Polygonprofils verbindende Kurve verläuft dabei helixförmig um die Zentralachse ZA. Hier verjüngt sich die Drallkammer 27 in der ersten Richtung R1, wobei die Seitenlänge L5 des Polygonprofils 65 abnimmt. Bevorzugt können die Ecken 63 des Polygonprofils 65 abgerundet sein. Dadurch kann bevorzugt eine Fertigung des Polygonprofils 65 erleichtert werden. Weiterhin bevorzugt kann ein Innenwinkel λ des Polygonprofils 65 entlang der Zentralachse ZA veränderbar sein.
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Gemäß dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Polygonprofil 65 unregelmäßig ausgebildet sein. Das Polygonprofil 65 weist hier erste Seiten 75 und zweite Seiten 77 auf, Wobei sich die ersten Seiten 75 gegenüberliegen. Eine erste Seitenlänge L6 der ersten Seiten 75 ist dabei größer als eine zweite Seitenlänge L7 der zweiten Seiten 77. Die Innenkurve 69 ist oval ausgebildet und hier symmetrisch zu einer Symmetrieebene SE1. Es soll jedoch verstanden werden das ebenso Polygonprofile 65 mit vollkommen voneinander verschiedenen Seitenlängen und/oder vollkommen voneinander verschiedenen Innenwinkeln λ bevorzugt werden.
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Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel weist die Schussdüse 1 eine in die innere Oberfläche 23 mündende Spülöffnung 79 auf. Hier ist die Schussdüse 1 zweiteilig und umfasst einen Hauptkörper 81 und einen Mantelkörper 83. Die innere Oberfläche 23 wird dabei teilweise vom Hauptkörper 81 und vom Mantelkörper 83 gebildet. Der Hauptkörper 81 weist ein Außengewinde 87 auf, dass in ein korrespondierendes Innengewinde 89 des Mantelkörpers 83 eingeschraubt werden kann. Ebenso bevorzugt kann der Hauptkörper 81 in den Mantelkörper 83 eingepresst sein. Ferner werden auch weitere stoffschlüssige, reibschlüssige und/oder formschlüssige Befestigungen bevorzugt. Besonders bevorzugt ist der Hauptkörper 81 in Umfangsrichtung durch eine Keilwellenverbindung fixiert und in einer Längsrichtung beweglich. Die Spülöffnung 79 ist hier ein Umfangspalt 85 zwischen dem Hauptkörper 81 und dem Mantelkörper 83. Zwischen einer Außenwand 91 des Hauptkörpers 81 und einer Innenwand 93 des Mantelkörpers 83 ist ein Zuführkanal 95 zum Zuführen von Spülmedium angeordnet. Vorzugsweise erstreckt sich der Zuführkanal 95 vollumfänglich zwischen dem Mantelkörper 83 und dem Hauptkörper 81. In diesem Ausführungsbeispiel weist ein an die Spülöffnung 79 angrenzender Öffnungsbereich 97 des Zuführkanals 95 in Richtung der Mündungsöffnung 13. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Spülwinkel ρ, gemessen zwischen einer senkrechten geraden GS 1 durch die Spülöffnung 79 und der Zentralachse ZA, kleiner als 90°. Vorzugsweise liegt der Spülwinkel ρ in einem Bereich von 0° bis 90°, bevorzugt 20° bis kleiner 90°, besonders bevorzugt 30° bis 70°. Somit kann nach dem Schießen in der Schussdüse 1 verbleibender Feststoff durch aus der Spülöffnung 79 tretendes Spülmedium aus der Schussdüse 1 gespült werden. Ebenso werden Spülwinkel ρ mit einem Wert in einem Bereich von 90° bis 180°, bevorzugt größer 90°bis 180°, besonders bevorzugt 120° bis 160°, bevorzugt, sodass die der angrenzende Öffnungsbereich 97 in Richtung der Einlauföffnung 17 weist. Hier ist die Spülöffnung 79 am Übergang 37 zum Auslaufbereich 39 ausgebildet. Vorzugsweise kann die Spülöffnung 79 auch im Auslaufbereich 39 oder entgegen der ersten Richtung R1 vom Auslaufbereich 39 versetzt angeordnet sein. Bevorzugt ist ein Verformungswandabschnitt 99 des Mantelkörpers 83 derart ausgebildet, dass dieser durch aufbringen einer Schließkraft F1 verformbar ist. Bevorzugt kann durch Verformen des Verformungswandabschnitts 99 die Spülöffnung 79 geschlossen werden.
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Im Einführabschnitt 9 des Mantelkörpers 83 ist eine Medienversorgungsöffnung 101 zum Zuführen von Spülmedium vorgesehen. Vorzugsweise weist die Schussdüse 1 mehrere Medienversorgungsöffnungen 101 auf. Die Medienversorgungsöffnung 101 ist vorzugsweise am Mittelabschnitt 11, Einführabschnitt 9, Bund 5, und/oder am Ansatz 7 ausgebildet. Somit kann eine umfangssymmetrische Zuführung des Spülmediums zum Zuführkanal 95 und zur Spülöffnung 79 bevorzugt sichergestellt werden. Zum dichtenden anschließen einer Spülmediumversorgungeinheit (in 6 nicht dargestellt) weist die Schussdüse 1 zwei Dichtungsringe 103 auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Gänge 32 der gewendelten Struktur 29 als Drallnuten 31 ausgebildet, die sich bis zur Mündungsöffnung 13 erstrecken. Ebenso werden Ausführungsformen bevorzugt, deren Gänge 32 nur im Hauptkörper 81 oder nur im Mantelkörper 83 ausgebildet sind. Es soll verstanden werden, dass als Polygonprofil 65 ausgebildete gewendelte Strukturen 29 ebenso bevorzugt sind.
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Hinsichtlich weiterer bevorzugter Merkmale des zweiten Ausführungsbeispiels, des dritten Ausführungsbeispiels und/oder des vierten Ausführungsbeispiels gelten die obenstehenden Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel.
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Eine Schussdüse 1 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist einen Düsenkörper 3 und einen Drallerzeuger 105 auf (7). Hier ist eine innere Oberfläche 23 der ersten Düsenwand 25 als Mantelfläche eines Kegels ausgebildet. Eine Spitze 115 des Kegels weist dabei in Richtung der Mündungsöffnung 13, so dass sich ein Querschnitt der Drallkammer 27 in Richtung der Mündungsöffnung 13 verjüngt. Der Drallerzeuger 105 ist in die Drallkammer 27 eingesetzt. Eine Mantelfläche des Drallerzeugers 105 weist dabei eine gewendelte Außenstruktur 107 auf. Hier ist die gewendelte Außenstruktur durch äußere Drallnuten 109 gebildet, die sich Helixförmig entlang der Zentralachse ZA erstreckt. Äußere Stege 111 zwischen den äußeren Drallnuten 109 liegen bevorzugt an der inneren Oberfläche 23 der Drallkammer 27 an (aus Darstellungsgründen in 7 mit beabstandet dargestellt), so dass ein freier Strömungsquerschnitt der Schussdüse 1 nur durch die äußeren Drallnuten 109 gebildet wird. Der Drallerzeuger 105 ist hier als stumpfer Konus ausgebildet, wobei eine Spitze 113 in Richtung der Mündungsöffnung 13 weist. Vorzugsweise kann die Spitze 113 aus der Mündungsöffnung 13 herausragen. Ebenso werden Ausführungsformen bevorzugt in denen ein Spalt (in 7 nicht dargestellt) zwischen den äußeren Stegen 111 und der inneren Oberfläche 23 ausgebildet ist. Dafür kann an dem Drallerzeuger 105 eine Haltevorrichtung (in 7 nicht dargestellt) vorgesehen sein, die zum Halten des Drallerzeugers 105 in der Drallkammer 27 ausgebildet ist. Vorzugsweise kann eine Mantelfläche Mantelfläche 113 des Drallerzeugers 105 im Querschnitt polygonal sein. In diesem Fall liegen äußere Ecken des Polygonprofils bevorzugt an der inneren Oberfläche 23 der Schussdüse 1 an.
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Hinsichtlich bevorzugter weiterer Merkmale der Schussdüse gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird vollumfänglich auf die obenstehenden Ausführungen zu Ausführungsformen der Schussdüse gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung Bezug genommen.
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Das in 8 dargestellte Flussdiagramm illustriert eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung. In einem ersten Schritt S1 wird ein Formhohlraum geschlossen. Bevorzugt wird der Formhohlraum durch ein Formwerkzeug einer Kernschießmaschine oder durch einen Formkasten gebildet. Vorzugsweise wird in einem nächsten Schritt S2 die Schussdüse 1 an eine Füllöffnung des Formhohlraum angesetzt und/oder in eine Füllöffnung des Formhohlraums eingesetzt. In einem dritten Schritt S3 wird eine in einem Formstoffbehälter befindliche Formstoffmischung mittels eines Gases druckbeaufschlagt und fluidisiert. Die fluidisierte Formstoffmischung tritt durch die Einlauföffnung 17 in die Schussdüse 1 ein. In der Drallkammer 27 wird der Formstoffmischung eine Rotationsbewegung aufgeprägt (Schritt S4). Die rotierende Formstoffmischung tritt aus der Mündungsöffnung 13 in den Formhohlraum ein (S5). Es soll verstanden werden, dass die Schritte S3 bis S5 kontinuierlich erfolgen, so dass ein konstanter und/oder pulsierender Strom der Formstoffmischung in den Formhohlraum eintritt. Ein pulsierender Strom der Formstoffmischung weist dabei einen zeitlich veränderlichen Massenstrom auf. Das heißt eine Menge der aus der Schussdüse abgegebenen Formstoffmischung pro Zeiteinheit ist variabel. Die Schritte S3 bis S5 werden auch als Füllen des Formhohlraums bezeichnet. Im Anschluss an das Füllen wird die Schussdüse 1 bevorzugt abgehoben (Schritt S6) und die Formstoffmischung vorzugsweise in einem Härteschritt S7 ausgehärtet. Bevorzugt wird die Formstoffmischung dafür mit einem Katalysatorgas und/oder mit Wärme beaufschlagt. Im Anschluss an das Härten S7 wird der Formhohlraum geöffnet (Schritt S8) und der gebildete Formkörper, insbesondere Gießereikern, Form und/oder Speiser entnommen. Vorzugsweise wird die Schussdüse 1 zwischen dem Schritt S6 und einer erneuten Ausführung des Verfahrens in einem Spülschritt S9 mit Spülmedium, das durch eine Spülöffnung 79 in die Drallkammer 27 tritt, gespült. Der Spülschritt S9 kann dabei mehrfach ausgeführt werden oder den gesamten Zeitraum zwischen dem Schritt S6 und einer erneuten Ausführung des Verfahrens in Anspruch nehmen. Bevorzugt wird zwischen aufeinanderfolgenden Spülschritten S9 die Drallkammer 27 in einem Reinigungsschritt S10 mit Spülmedium bei einem Reinigungsdruck beaufschlagt, wobei der Reinigungsdruck des Spülmediums höher ist als ein Spüldruck des Spülmediums. Durch das Spülen der Drallkammer 27 kann ein Aushärten von in der Schussdüse 1 verbliebener Formstoffmischung verhindert werden. Das Reinigen dient dem Ausstoßen von in der Schussdüse 1 verbliebener Formstoffmischung aus der Schussdüse 1.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Versuchsbeispielen weiter erläutert.
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Versuchsbeschreibung
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Zur Bestimmung des Einflusses einer erfindungsgemäßen Schussdüse auf eine Verdichtung eines aus in den Formhohlraum geschossener Formstoffmischung gebildeten Kerns und auf einen Verschleiß des Formwerkzeugs wurde folgender Versuchsaufbau gewählt:
- In einem Sandmischer der Firma Claas wurden 50 kg Quarzsand der Bezeichnung H32 der Quarzwerke GmbH vorgelegt. Der Mischung wurden dann 0,4 kg Aktivator 9215 der Fa. Hüttenes-Albertus zugegeben und für 30 Sekunden gemischt. Im Anschluss wurden 0,4 kg Gasharz 8449, der Firma Hüttenes-Albertus zugegeben und für weitere 60 Sekunden gemischt.
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Mit dieser Sandmischung wurden auf einer Kernschießmaschine des Modells LL20, der Firma Laempe Mössner Sinto GmbH mit einem Druck von 4 bar Sandkerne bei einer Schießzeit von 2 Sekunden geschossen. Die Aushärtung erfolgte durch Begasen der Kerne mit 6 g Amin GH 6 (Hüttenes-Albertus) mit 2 bar für 5 Sekunden. Nach erfolgter Amin-Begasung wurde das überschüssige Amin durch Begasen mit Spülluft für 35 Sekunden mit 2 bar entfernt. Das einzelne Kerngewicht betrug hierbei zwischen ca. 995 und ca. 1005 g.
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Der Versuchskernkasten 189 (LxBxH=650x650x390 mm) besteht aus zwei Hälften mit je einem Unterteil 200 und einem Oberteil 201. Eine erste Hälfte 191 ist aus AIMg4.5Mn und eine zweite Hälfte 193 aus PUR Kunststoff (LAB 1360 der Firma Axson Technologies) gefertigt. Jede Hälfte 191, 193 enthält drei Kavitäten 195 (insgesamt 6 Stück) mit einem Volumen von 0,68 Liter und einem Füllgewicht von ca. 1005 g (9), von denen jedoch nur vier benutzt wurden. Die zwei übrigen Kavitäten 197 wurden verschlossen. Die Kavitäten haben eine aus der Praxis bekannte, stark verschleißanfällige Geometrie. Die den Schussdüsen gegenüberliegenden Prallflächen 199 sind in einem Unterteil 200 des Versuchskernkastens 189 angeordnet.
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Vor Beginn der Versuchsserie wurde der gesamte Kernkasten und die darin enthaltenen Kavitäten mit einem Gerät der Firma GOM aus Hannover einzeln gescannt, das heißt photo-optisch vermessen und die „Null“ Bemaßung im Rechner abgespeichert.
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Es wurden Kerne mit einer Standarddüse der Firma Schuster („Schusterdüse“) mit gleicher Außenbemaßung im Vergleich zur erfindungsgemäßen Düse und glatter Innenoberfläche ohne gewendelte Struktur sowie mit einer erfindungsgemäßen Düse mit gewendelter Struktur geschossen. Die Standarddüse 210 weist einen Eintrittsdurchmesser SD1 von 28 mm, einen Austrittsdurchmesser SD2 von 15 mm und eine Standarddüsenlänge SL1 von 95 mm auf (10). In einem Eintrittsabschnitt 212 mit einer Eintrittslänge SL2 von 54,5 mm und einem Austrittsabschnitt 214 mit einer Austrittslänge SL3 von 29,7 mm ist die Strömungskammer 216 der Standarddüse 210 zylindrisch. Zwischen dem Eintrittsabschnitt 212 und dem Austrittsabschnitt 214 verjüngt sich die Strömungskammer 216 der Standarddüse 210 auf entlang einer Verjüngungslänge SL3 von 10,8 mm. Im Anschluss an das Schießen wurde der Versuchskern gehärtet und der Maschine entnommen. Das Gewicht der Kerne wurde auf einer Waage der Firma Mettler Toledo, Typ ICS435k-35LA/DR/f mit einer Wiederholbarkeit von 0,1g bestimmt. Aus allen Versuchen, die mit je einer der Schussdüsen durchgeführt wurden, wurde ein Mittelwert der Kerngewichte bestimmt. Die Standarddüse weist eine sich in Richtung einer Mündungsöffnung verjüngende im Wesentlichen der Mantelfläche eines Kegels entsprechende Innenkontur auf. Die gewendelte Struktur der Schussdüse wird durch 6 symmetrische Drallnuten gebildet die sich von der Mündungsöffnung über 100 % der Gesamtlänge der Schussdüse erstrecken. Eine Ganghöhe der Drallnuten beträgt 300 mm. Ein erstes Flächenverhältnis zwischen der Querschnittsfläche der Einlauföffnung und der Querschnittsfläche der Mündungsöffnung betrug 2,8/1,0.
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Nachstehende Tabelle gibt einen Überblick über den ermittelten Mittelwert des Kerngewichts in Gramm sowie über eine zur Bestimmung des Mittelwerts herangezogene Anzahl an Kernen (n).
| | Mittelwert Kerngewicht | Anzahl gefertigter Kerne |
| Standarddüse (Schusterdüse) | 1002,94 g | 100 |
| Erfindungsgemäße Schussdüse mit gewendelter Struktur | 998,01 g | 100 |
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Nachstehende Tabelle gibt einen Überblick über die ermittelten Werte des Verschleißes auf einer untersuchten Prallfläche des Versuchskernkastens in Abhängigkeit der gefertigten Kerne, des Kernkastenmaterials und der verwendeten Schussdüse.
| | Kernkastenmaterial AIMg4.5Mn | Kernkastenmaterial AIMg4.5Mn | Kernkasten-material PUR - Kunststoff | Kernkasten-material PUR - Kunststoff |
| Anzahl gefertigter Kerne | Standarddüse (Schusterdüse) | Erfindungsgemäße Schussdüse mit gewendelter Struktur | Standarddüse (Schusterdüse) | Erfindungsgemäße Schussdüse mit gewendelter Struktur |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 100 | 0,05 | 0,02 | 0,07 | 0,02 |
| 200 | 0,11 | 0,04 | 0,15 | 0,04 |
| 300 | 0,16 | 0,06 | 0,22 | 0,07 |
| 400 | 0,22 | 0,08 | 0,30 | 0,09 |
| 500 | 0,27 | 0,1 | 0,37 | 0,11 |
| 600 | 0,33 | 0,13 | 0,41 | 0,12 |
| 700 | 0,40 | 0,16 | 0,45 | 0,12 |
| 800 | 0,46 | 0,20 | 0,49 | 0,13 |
| 900 | 0,53 | 0,23 | 0,53 | 0,13 |
| 1000 | 0,59 | 0,26 | 0,57 | 0,14 |
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Zusammenfassung der Ergebnisse
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Ein Mittelwert des Kerngewichts der Kerne, die mit einer erfindungsgemäßen Schussdüse hergestellt wurden, übersteigt ein durchschnittliches Kerngewicht derjenigen Kerne, die mit der Standard-Schussdüse (Schusterdüse) hergestellt wurden, um 0,5 %.
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Folglich kann durch die erfindungsgemäße Schussdüse eine deutlich verbesserte Verdichtung der in den Formhohlraum eingebrachten Formstoffmischung erreicht werden.
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Hinsichtlich eines Verschleißes an der Untersuchten Prallfläche des Versuchskernkastens konnte für einen aus ALMG4.5Mn gefertigten Kernkasten nach einer Fertigung von 1000 Kernen eine Verschleißreduktion um 59 % bei einem aus PUR gefertigten Kernkasten eine Verschleißreduktion um 75 % festgestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/153474 A1 [0003]
- WO 2016/165916 A1 [0003]
- DE 202006010504 U1 [0005]
- EP 0712339 B1 [0005]
