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Die Erfindung betrifft eine Begasungsplatte nach der im Oberbergriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Trocknen und/oder Härten eines Gießkerns nach der im Oberbegriff von Anspruch 5 näher definierten Art.
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Ein wichtiger Prozessschritt in Gießereien ist die Herstellung von sogenannten Kernen bzw. Gießkernen. Im Gießverfahren haben Kerne die Aufgabe, Hohlräume und teilweise auch Außenkonturen in den später entstehenden Gussstücken abzubilden. Für die Herstellung der Kerne können organische und anorganische Binder eingesetzt werden, welche einen geeigneten Formwerkstoff, typischerweise Sand, entsprechend verbinden, um den Kern herzustellen und diesen handhabbar zu machen. Während sich im Bereich des Leichtmetallgusses vorwiegend anorganische Binder durchgesetzt haben, kommt aus technischen Gründen im Eisenguss weiterhin meist ein organischer Binder zur Kernherstellung zum Einsatz. Verschiedene Möglichkeiten existieren dabei, wobei typischerweise der Binder mittels eines gasförmigen Katalysators ausgehärtet wird. Dafür wird der Kernwerkstoff vermischt mit den entsprechenden Komponenten des Binders in die sogenannte Kernform eingebracht, man spricht in diesem Zusammenhang vom sogenannten Kernschießen. Im Anschluss wird der Kern in den Kernkasten mit dem entsprechenden Gas begast. Dadurch trocknet und/oder härtet der Gießkern aus.
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In der Serienfertigung von Eisengussteilen ist das sogenannte Cold Box Verfahren, häufig auch als PUR Cold Box Verfahren, das am meisten verbreitete Verfahren zur Herstellung von Kernen. Beim Kernherstellungsprozess mit dem Cold Box Verfahren erfolgt der Aushärtungsprozess durch eine Polyaddition von Phenol-Formaldehyd-Harz als erste Komponente und Isocyanat als zweite Komponente zu Polyurethan. Diese Reaktion wird durch eine, insbesondere basische, Katalyse hervorgerufen, welche durch die Begasung mit einem Gemisch aus Aminen und einem Transportgas erfolgt. Meist handelt es sich dabei um Luft als Transportgas, welcher wenigstens ein Amin zugesetzt wird, beispielsweise Dimethylpropylamin, welches zusammen mit getrockneter Druckluft nach dem Einschießen des mit Harz und Härter umhüllten Kernformstoffes diesen in dem Kernkasten, welcher auch als Kernformwerkzeug bezeichnet werden könnte, durchströmt. Hierfür wird das flüssige Amin beispielsweise verdampft und über eine sogenannte Begasungsplatte mit einer Mehrzahl von Öffnungen gezielt in den mit dem Kernformstoff gefüllten Kernkasten geleitet. Über Entlüftungsöffnungen wird das Gasgemisch dann wieder abgesaugt und gegebenenfalls nachbehandelt, indem beispielsweise das lediglich als Katalysator dienende und damit nicht verbrauchte Amin unschädlich gemacht und/oder zurückgewonnen wird.
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Ein Verfahren zur Begasung für die Herstellung von Gießkernen in einem Kernkasten in der beschriebenen Art ist beispielsweise aus der
DE 10 2018 120 993 A1 grundlegend bekannt. Dort wird der Katalysator in einem erwärmten Druckluftstrom kontinuierlich eingedüst und verdampft, bevor er über eine sogenannte Begasungsplatte in bzw. durch den Kernformstoff geleitet wird.
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Eine entscheidende Rolle bei der Fertigung von Gießkernen spielt nun ein einerseits schnelles aber andererseits auch qualitativ hochwertiges und damit über den gesamten Kern weitgehend homogenes Härten des Kernformstoffs. Die
EP 2 734 320 B1 beschreibt in diesem Zusammenhang den Einsatz von verschiedenen Katalysatoren. In einer ersten zeitlichen Abfolge wird ein erster Katalysator durch den Kernformstoff geleitet, danach wird ein zweiter Katalysator durch den Kernformstoff geleitet. Beide können gemeinsam oder gegebenenfalls auch gemischt über ein Düsensystem mit Druckluft zugeführt werden, wobei die Druckluftmenge beeinflusst wird, um die Konzentration des Katalysators in dem Gasstrom einzustellen. Problematisch bei dieser Sache ist es, dass verschiedene Katalysatoren zum Einsatz kommen. Bereits das Rückgewinnen eines einzigen Amins aus der Abluft ist relativ kompliziert. Werden nun verschiedene Amine nacheinander eingesetzt, dann vergrößerst sich die Komplexität dieser Aufgabe weiter, was ein erheblicher Nachteil ist.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine verbesserte Begasungsplatte und ein verbessertes Verfahren zum Trocknen und/oder Härten eines Gießkerns anzugeben, welcher die oben genannten Nachteile minimiert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine neuartige Begasungsplatte mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Begasungsplatte ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 5, und auch hier insbesondere wieder im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5, löst die Aufgabe unter Verwendung einer derartigen Begasungsplatte ebenfalls. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Begasungsplatte ist, vergleichbar wie die Begasungsplatten aus dem Stand der Technik, mit einer Mehrzahl von Öffnungen zum Einlassen eines Gases in einen zur Gießformherstellung genutzten Kernkasten ausgebildet. Typischerweise wird das Gas über eine oder mehrere Zuleitungen in einen Sammelraum der Gießplatte zugeführt und strömt dann über die Mehrzahl von Öffnungen an den gewünschten Stellen in den Kernkasten und damit in den bzw. durch den Kernformstoff, um diesen entsprechend zu trocknen und/oder zu härten.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann das Gas insbesondere aus einem Transportgas und einem gasförmigen Katalysator bestehen, welcher zur Aushärtung des Kernformstoffs dient, insbesondere gemäß dem oben beschriebenen PUR-Cold Box Verfahren.
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Erfindungsgemäß ist es nun so, dass zumindest einige der Öffnungen der Begasungsplatte Ventilelemente aufweisen. Durch die konstruktive Integration von Ventilelementen in die Begasungsplatte steigt zwar der Aufwand für ihre Herstellung. Die Möglichkeit, einzelne Öffnungen, oder Gruppen von Öffnungen insbesondere auch alle der Öffnungen der Begasungsplatte über Ventile ansteuerbar zu machen, bietet jedoch den entscheidenden Vorteil, dass die Durchströmung sowohl hinsichtlich des zeitlichen Ablaufs als auch hinsichtlich der Durchströmungsmenge von zumindest den Öffnungen, welche ein Ventilelement aufweisen, steuerbar wird. Hierdurch können verschiedene Bereiche des Kernformstoffes mit unterschiedlichen Mengen, zu unterschiedlichen Zeiten und mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des zur Begasung genutzten Gases durchströmt werden. Hierdurch lässt sich eine Verbesserung der Qualität und insbesondere eine Verkürzung der Taktzeiten erzielen, sodass die Gießkerne schneller und qualitativ besser hergestellt werden können.
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Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Begasungsplatte sieht es ferner vor, dass die Ventileinrichtungen als reine Auf/Zu-Ventile ausgebildet sind. Solche Auf/Zu-Ventile sind entsprechend einfach und effizient im Aufbau. Anders als sogenannten Proportionalventile, über welche kontinuierlich der Querschnitt, welcher durchströmt werden kann, veränderbar ist, sind Auf/Zu-Ventile hinsichtlich der Ansteuerung und des Aufbaus einfacher und lassen sich damit effizienter und weniger komplex ausbilden und dementsprechend einfach in die Begasungsplatte integrieren.
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Wie erwähnt können dabei einige der Öffnungen mit Ventileinrichtungen versehen sein. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass alle der Öffnungen mit jeweils einer Ventileinrichtung versehen sind, um so eine gezielte Ansteuerung jeder einzelnen Öffnung und desjenigen Bereich des Kernformwerkstoffs, in den das Gas der jeweiligen Öffnung strömt, gezielt beeinflussen zu können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Trocknen und/oder Härten eines Gießkerns, welcher nach dem Kernschießen begast wird, sieht es erfindungsgemäß dementsprechend vor, die Begasungsplatte nach Anspruch 1 einzusetzen, wobei durch eine Ansteuerung der Ventileinrichtungen verschiedene Bereiche des Kerns zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit unterschiedlichen Gasmengen beaufschlagt werden. Dies ermöglicht, wie oben bereits beschrieben, eine Verbesserung der Qualität bei gleichzeitiger Verkürzung der Taktzeiten, also der Zeit bis zur Trocknung und/oder Aushärtung des Gießkerns vor der Entnahme aus dem Kernkasten.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Ansteuerung dabei zeigesteuert erfolgen. Somit ist es möglich, unterschiedliche Bereiche des Kernformstoffs zu unterschiedlichen Zeitpunkten, zu denen die Ventileinrichtungen geöffnet werden, anzuströmen. Hierdurch kann eine Aushärtung gezielt gesteuert werden, beispielsweise in dem Bereiche mit einer größeren Menge an Kernformstoff früher und/oder länger begast werden als Bereiche mit relativ geringen Mengen und dünnen Wänden des Kernformstoffs im späteren Gießkern.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann die Ansteuerung auch getaktet erfolgen, sodass mit einem einfachen Auf/Zu-Ventil als Ventileinrichtung eine einfache und hocheffiziente Ansteuerung der die Ventileinrichtung durchströmenden Gasmenge möglich ist. Hierdurch lässt sich einerseits die Gasmenge und andererseits auch deren Geschwindigkeit entsprechend beeinflussen, da der Druck des in den Sammelraum der Begasungsplatte zugeführten Gases weitgehend konstant ist.
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Wie bereits erwähnt kann als Gas ein Gemisch aus einem Transportgas und einem Katalysator eingesetzt werden. Insbesondere kann es sich dabei um getrocknete Druckluft und wenigstens ein Amin handeln, sodass über das Verfahren also ein Aushärten eines Gießkerns gemäß dem PUR-Cold Box Verfahren realisiert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Begasungsplatte sowie des Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 das Einschießen und Entlüften von Kernformstoff in einen Formhohlraum in den Kernkasten gemäß der Verfahrensablaufs des Cold Box Verfahrens;
- 2 das Begasen des Kernformstoffs im Kernkasten mit einer Begasungsplatte im Verfahrensablauf des Cold Box Verfahrens;
- 3 das Entformen des Gießkerns aus dem Kernkasten im Ablauf des Cold Box Verfahrens; und
- 4 eine Schnittdarstellung durch einen möglichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Begasungsplatte.
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Der Verfahrensablauf des sogenannten PUR-Cold Box Verfahrens, welches häufig auch nur als Cold Box Verfahren bezeichnet wird, ist für den Fachmann prinzipiell bekannt. Typischerweise wird ein Bunker 2 für den Kernformstoff, meist Sand, welcher mit den entsprechenden Komponenten für die spätere Polyaddition, also Phenol-Formaldehyd-Harz als erste Komponente und Isocyanat als zweite Komponente ummantelt ist. Über einen sogenannten Schießkopf 1 wird der mit dem Binder und Härter vermischte Kernformstoff nun aus dem Sandbunker 2 in einen Hohlraum eines Kernkastens 3 eingeschossen. Luft kann über Entlüftungsöffnungen 4 aus dem Hohlraum des Kernkastens 3 entweichen, sodass der Kernformstoff mit dem Binder und Härter den Hohlraum in dem Kernkasten 3 komplett ausfüllt, wie es in der Darstellung der 1 angedeutet ist.
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Die Schießplatte 2 wird dann von dem Kernkasten 3 entfernt und an ihrer Stelle wird eine Begasungsplatte 5 in Position gebracht. Dieser Begasungsplatte 5 wird über eine Zuleitung 6 ein Gemisch aus getrockneter Druckluft und wenigstens einem Amin, beispielsweise Dimethylpropylamin, zugeführt, um den Kernformstoff in dem Hohlraum des Kernkastens 3 zu durchströmen und auszuhärten. Das Gasgemisch, welches über die Begasungsplatte 5 an verschiedenen Stellen in den Hohlraum bzw. den darin befindlichen Kernformstoff strömt, wird über die Entlüftungsöffnungen 4 abgesaugt, wie dies allgemein bekannt und üblich ist. Die Begasungsplatte 5 weist nun mehrere Öffnungen 7 in Richtung des Hohlraums in dem Kernkasten 3 auf, wobei in der Darstellung der 2 lediglich eine dieser Öffnungen 7 schematisch angedeutet ist. In der Praxis ist jedoch eine Mehrzahl von Öffnungen unterschiedlichen Durchmessers über die Begasungsplatte 5 verteilt, sodass der Hohlraum in dem Kernkasten 3 an verschiedenen Stellen gleichzeitig mit unterschiedlichen Gasmengen begast werden kann.
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Nach dieser prinzipiell bekannten Begasung über eine prinzipiell ebenfalls bekannte Begasungsplatte 5 werden die Hälften des Kernkastens 3 geöffnet und der ausgehärtete Kern kann entformt und entnommen werden, um ihn dann in einem Gießprozess entsprechend einzusetzen.
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All dies ist soweit prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Die Besonderheit liegt nun in der Begasungsplatte 5. Diese weist nicht lediglich eine Mehrzahl von Öffnungen 7 zur Verbindung eines Sammelraums 8, welcher über die Zuleitung 6 mit dem Gasgemisch versorgt wird, und dem den Kernformstoff enthaltenen Hohlraum des Kernkastens 3 auf. Vielmehr weisen zumindest einige dieser Öffnungen 7 Ventileinrichtungen 9 auf. Dies ist in der schematischen Schnittdarstellung der 4 entsprechend angedeutet. Die schematische Schnittdarstellung durch die Begasungsplatte 5 zeigt den Sammelraum 8, welcher mit der Zuleitung 6 verbunden ist. Von diesem Sammelraum 8 zweigen in Richtung des hier lediglich angedeuteten Kernkastens 3 mehrere Öffnungen 7 in Form von kleinen Zweigleitungen ab. Diese haben in der Darstellung der 4 beispielhaft unterschiedliche Durchmesser, wobei auch eine Ausgestaltung mit jeweils gleichen Durchmessern der Öffnungen 7 prinzipiell denkbar wäre. Einige dieser Öffnungen 7, und zwar hier die zwei jeweils außen befindlichen Öffnungen 7, weisen dabei die Ventileinrichtungen 9 auf, welche hier schematisch angedeutet sind. Jede der Ventileinrichtungen 9 kann vorzugsweise als einfach und effizient zu realisierendes Auf/Zu-Ventil ausgebildet sein. Die Ansteuerung der Ventileinrichtungen 9 kann beispielsweise über elektromagnetische Aktuatoren, Piezoaktuatoren oder ähnliches erfolgen. Prinzipiell ist auch jede andere Art der Ansteuerung denkbar, beispielsweise eine federbelastete Ausführung, sodass die Ventile erst ab einem gewissen Druck des zuströmenden Gases öffnen, sodass eine Ansteuerung mittelbar über eine Drucksteuerung des zugeführten Gases erfolgen könnte.
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Die Ventileinrichtungen 9 lassen sich im Idealfall zeitlich ansteuern und erlauben eine getaktete Ansteuerung, um somit den im zeitlichen Mittel die Ventileinrichtung 9 durchströmenden Volumenstrom zu beeinflussen. Somit lässt sich über jede der Öffnungen 7 mit einer Ventileinrichtung 9 zu einem gewünschten Zeitpunkt eine gewünschte Menge an Gas einleiten. Gleichzeitig lässt sich die Geschwindigkeit des Gases bei konstantem Vordruck in dem Sammelraum 8 beeinflussen. Durch ein schneller strömendes Gas im Kernformstoff in dem Hohlraum des Kernkastens 3 lässt sich dann eine schnellere Aushärtung erzielen, als bei einem entsprechend langsamer strömenden Gas. Ergänzend kann prinzipiell auch die Absaugung des Gases durch die Entlüftungsöffnungen 4 mitbenutzt werden, um eine gezielte und differenzierte Begasung einzelner Bereiche des Gießkerns zu gewünschten Zeitpunkten mit den gewünschten Gasmengen und/oder Gasgeschwindigkeiten zu realisieren.
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Daneben ist es auch möglich, einzelne der Öffnungen 7 ohne eine Ventileinrichtung 9 zu lassen, wie es bei der zentralen Öffnung 7 in der Darstellung der 4 angedeutet ist. Prinzipiell wäre es jedoch auch denkbar, alle der Öffnungen 7 mit Ventileinrichtungen 9 zu versehen, was die Steuerbarkeit und die Beeinflussbarkeit des Aushärtens noch weiter verbessert. Existieren in einem Bauteil jedoch Bereiche, welche konstant angeströmt werden sollen, kann auch auf einzelne Ventileinrichtungen 9 verzichtet werden, wie es hier bei der bereits erwähnten zentralen Öffnung 7 angedeutet ist.
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Alles in allem hilft dies sehr schnell und sehr effizient einen qualitativ hochwertigen Gießkern herzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018120993 A1 [0004]
- EP 2734320 B1 [0005]
