DE102020129794A1

DE102020129794A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Druckgießen von Metall

Info

Publication number: DE102020129794A1
Application number: DE102020129794.7A
Authority: DE
Inventors: Cord Starke; Dennis Beverung
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2021-05-27
Also published as: CN112829177A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Druckgießen von Metall, umfassend eine Gießkammer zur Aufnahme einer Schmelze des Metalls, eine Gießform mit einer Gießkavität zur Aushärtung der Schmelze des Metalls in definierter Form und einen Gießkanal welcher die Gießkammer mit der Gießkavität verbindet, derart dass die Schmelze des Metalls aus der Gießkammer durch den Gießkanal in die Gießkavität einleitbar ist, um dort in definierter Form auszuhärten und eine im Gießkanal angeordnete Schmelze-Pumpe zur Förderung der Schmelze des Metalls entlang des Gießkanals, um die Schmelze des Metalls aus der Gießkammer durch den Gießkanal in die Gießkavität einzuleiten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Druckgießen von Metall mit einer Gießkammer zur Aufnahme einer Schmelze des Metalls, einer Gießkavität zur Aushärtung der Schmelze des Metalls in definierter Form und einem Gießkanal welcher die Gießkammer mit der Gießkavität verbindet, sowie ein Verfahren zum Druckgießen von Metall.
Druckgießen ist ein Gießverfahren beidem flüssiges Metall unter Druck in eine Gießkavität eingebracht wird, um dort in der durch die Gießkavität definierten Form zu erstarren. Bevor die Schmelze des Metalls in die Gießkavität, welche auch als Gießhohlraum bezeichnet wird, gelangt, wird die Schmelze zunächst in eine mit der Gießkavität verbundene Gießkammer eingefüllt und dort mit Druck beaufschlagt, beispielsweise durch einen Druckkolben. Infolge des auf die in der Gießkammer gelagerten Schmelze wirkenden Drucks gelangt diese durch einen Gießkanal in die Gießkavität, so dass dort nach Aushärtung das gewünschte Metall-Gussstück entsteht. Beim Warmkammer-Druckgießen wird die Schmelze in der Gießkammer darüber hinaus warmgehalten, wodurch das Verfahren besser automatisiert und beschleunigt werden kann. Beim Niederdruckgießen ist die Gießkammer zur Aufnahme der Metallschmelze in der Regel unterhalb der Gießkavität angeordnet und die Druckbeaufschlagung der Schmelze erfolgt durch Druckluft, so dass die Schmelze entgegen der Schwerkraft in die Gießkavität emporsteigt.
Die DE 10 2012 010 923 A1 betrifft beispielsweise eine Fördervorrichtung für eine Schmelze in einer Metallgussmaschine. Die Fördervorrichtung besitzt einen Vorratsbehälter für die Metallschmelze und einen Förderkanal, in dem die Metallschmelze einem Formhohlraum zugeführt wird. Dabei ist vorgesehen, dass der Förderkanal eine Zylinderbohrung umfasst, in der ein Kolben axial verstellbar angeordnet ist.
Die DE 10 2012 009 790 A1 betrifft ein Verfahren bei dem eine flüssige Metall-Komponente mittels einer Düse in eine Kavität eingebracht wird. Dabei ist vorgesehen, dass ein Übergangsbereich zwischen der Düse und der Kavität nach Einbringen der Metall-Komponente in die Kavität so gekühlt wird, dass das im Angussbereich befindliche Metall erstarrt. In einem späteren Verfahrensschritt wird der Angussbereich wieder erwärmt, wodurch sich das im Angussbereich befindliche Metall wieder verflüssigt.
Nachteilig an bekannten Druckguss-Verfahren ist, dass sich in der Schmelze im Laufe der Zeit Schlacke bildet, die zu Schwankungen der Formfüllung führen oder den Gießkanal zusetzen kann. Durch den Einsatz eines Druckkolbens, der sich in der Schmelze bewegt wird dies Problem noch verstärkt. Typischerweise ist die Schmelze auch aggressiv gegenüber den eingesetzten Materialien etwa von Schmelztiegel und Kolben. Infolge dieser Probleme kann zudem ein zuverlässiges Abdichten gegeneinander beweglicher Teile erschwert werden. Auch beim Niederdruck-Gießen, bei welchem die Schmelze mit Druckluft beaufschlagt wird, besteht grundsätzlich das Problem der Schlacke-Bildung. Zudem hat das Niederdruck-Gießen den Nachteil, dass sich der Schmelzefluss schlecht dosieren und steuern lässt.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Druckgießen anzugeben, bei welchem die Bildung von Schlacke vermieden bzw. vermindert wird, und welches zugleich eine gute Dosierung und Steuerung beim Einbringen der Schmelze in die Gießkavität gewährleistet.
Gemäß DIN 8580 handelt es sich beim Druckgießen oder Niederdruckgießen um Gruppen des Urformens aus dem flüssigen Zustand, z.B. einer Metallschmelze. Davon streng zu unterscheiden ist das Urformen aus dem plastischen Zustand, z.B. das Spritzgießen oder Spritzpressen, insbesondere von Kunststoffen.
Vor diesem Hintergrund ist es ein auch ein Aspekt der Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Metall-Druckguss-Prozess so prozesssicher und wartungsarm zu gestalten wie einen Kunststoff-Spritzguss-Prozess, um ein Mehr-Komponenten-Verfahren mit einer Kunststoff-Spritzguss-Komponente und einer Metall-Druckguss-Komponente anzugeben, welches einen effizienten Verbundprozess bildet. Hierzu wird einerseits - wie bereits ausgeführt - eine Verminderung oder Vermeidung von Schlacke-Bildung sowie eine Verbesserung der Dosierung und Steuerung des Schmelzeflusses angestrebt, um den Wartungsaufwand des Druckgießens gering zu halten. Andererseits soll auch ein angussloses und überlaufloses Metall-Druckgießen ermöglicht werden, um ein Abtrennen von Anguss und Überlauf vor oder nach einem Spritzguss-Verfahrensschritt zu vermeiden und somit den Verbundprozess zu beschleunigen und zu vereinfachen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Druckgießen von Metall mit einer Gießkammer zur Aufnahme einer Schmelze des Metalls, einer Gießform mit einer Gießkavität zur Aushärtung der Schmelze des Metalls in definierter Form, und einem Gießkanal welcher die Gießkammer mit der Gießkavität verbindet, derart dass die Schmelze des Metalls aus der Gießkammer durch den Gießkanal in die Gießkavität einleitbar ist, um dort in der definierten Form auszuhärten.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine im Gießkanal angeordnete Schmelze-Pumpe zur Förderung der Schmelze des Metalls entlang des Gießkanals, um die Schmelze des Metalls aus der Gießkammer durch den Gießkanal in die Gießkavität einzuleiten. Die Schmelze-Pumpe bildet somit insbesondere einen Teil des Gießkanals zur Verbindung der Gießkammer mit der Gießkavität. Anders ausgedrückt erstreckt sich der Gießkanal insbesondere zumindest teilweise durch die Schmelze-Pumpe.
Es ist somit im Rahmen der Erfindung ein Unterdruck und/oder ein Überdruck aktiv innerhalb des Gießkanals bewirkbar, der zur Förderung der Schmelze dient. Insbesondere kann daher auf eine aktive Druckbeaufschlagung auf die in der Gießkammer befindliche Schmelze von außen, etwa mittels eines Kolbens, verzichtet werden. Es gelingt somit, dass in vorteilhafter Weise auf bewegliche Teile in der Schmelze wie einen Kolben verzichtet werden kann, wodurch die Bildung von Schlacke vermindert oder vermieden wird. Ferner wird auch eine verbesserte Dosierung und Steuerung des Schmelzeflusses ermöglicht. Beispielsweise gegenüber dem Niederdruckgießen mit aktiver Druckluftzufuhr wird die Dosierbarkeit und Steuerung optimiert, weil der Pumpvorgang direkt auf die Metallschmelze wirkt, die durch den Pumpvorgang bedingte Drücke aufgrund ihrer Inkompressibilität verlustfrei weitergibt.
Bei dem herkömmlichen Druckgießen bzw. Warmkammerdruckgießverfahren mit einem Druckkolben, der auf die in der Gießkammer befindliche Schmelze wirkt, entstehen hohe Instandhaltungsaufwände durch Oxidationseffekte zwischen dem verwendeten Lot und dem Gießkolben. An der Grenzfläche zwischen Kolbenstange und der natürlichen Schlackeschicht auf dem Lotbad bildet sich im Laufe der Betriebszeit eine erhebliche Menge an Oxidstaub die wiederum zu Verstopfungen im Schmelzekanal zwischen Gießaggregat und Werkzeugkavität führt. Umfangreiche Testreihen mit unterschiedlichen Kolbengeometrien, Kolbenwerkstoffen und auch die Beaufschlagung der Lotbadoberfläche mit Stickstoff haben keine zufriedenstellende Reduzierung der Staubbildung ergeben. Diese Probleme werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Schmelze-Pumpe reduziert oder nahezu vermieden.
Mit der Schmelze-Pumpe wird eine technische Lösung zur Verarbeitung der Schmelze unter Verzicht auf mechanisch bewegte Teile zwischen Lotbadoberfläche und Umgebungsluft bereit gestellt. Die Schmelze-Pumpe erlaubt insbesondere die Förderung der niedrigviskosen Schmelze bzw. einen druckarmen und schonenden Förderprozess. Ferner ist es mit der Schmelze-Pumpe möglich bei entsprechender systemischer Gestaltung den Kontakt zwischen dem Lot (Schmelze) und der Umgebungsluft zu vermeiden.
Als Metallschmelze kommen insbesondere folgende Legierungen in Betracht: Indium-Zinn-Eutektikum 52ln (48Sn Schmelztemperatur ca. 117 °C), Bismut-Zinn-Eutektikum 58Bi (42Sn Schmelztemperatur ca. 138 °C), Zinn, Lötzinn Sn (Schmelztemperatur: ca. 180°C-232°C), sowie weitere niedriger oder höher schmelzende Legierungen. Die Gießkammer (Warmkammer-Vorrichtung) und/oder der Gießkanal kann insbesondere mindestens erwärmt werden auf die Schmelztemperatur der Legierung bis hin zu ca. 70°C höher. Vorzugsweise sind alle mit der Schmelze in Berührung stehenden Materialien beständig gegen die Schmelze (Ablegierung), um zu vermeiden, dass sich die eingesetzten Materialen (z.B. Metalle) in der Schmelze lösen, die Schmelze wird mit Fremdstoffen angereichert wird und/oder Bauteile ersetzt werden müssen. Mit der Erfindung wird insbesondere die Vermeidung metallischer Komponenten (z.B. Kolben) in der Schmelze ermöglicht, wodurch derartige nachteilige Effekte vermieden werden können.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Schmelze-Pumpe weist vorzugsweise eine Ansaugöffnung und eine Ausstoßöffnung auf, wobei die Ansaugöffnung der Schmelze-Pumpe mit einem zur Gießkammer führenden ersten Gießkanal-Abschnitt verbunden ist und die Ausstoßöffnung der Schmelze-Pumpe mit einem zur Gießkavität führenden zweiten Gießkanal-Abschnitt verbunden ist, um die Schmelze des Metalls über den ersten Gießkanal-Abschnitt anzusaugen und über den zweiten Gießkanal-Abschnitt wieder auszustoßen.
Wie beschrieben ist die Schmelze-Pumpe erfindungsgemäß im Gießkanal angeordnet. Insbesondere ist die Schmelze-Pumpe nicht lediglich am Ende des Gießkanals angeordnet. Vielmehr befindet sich die Schmelze-Pumpe bevorzugt zwischen der Gießkammer und der Gießform. Vorzugsweise ist die Schmelze-Pumpe derart im Gießkanal angeordnet, dass die Länge des ersten Gießkanal-Abschnitts zumindest 1% der Länge des Gießkanals beträgt, insbesondere zumindest 10% der Länge des Gießkanals beträgt, insbesondere zumindest 20% der Länge des Gießkanals beträgt. Bevorzugt gilt entsprechendes für den zweiten Gießkanal-Abschnitt. Vorzugsweise ist die Schmelze-Pumpe außerhalb der Schmelze, besonders bevorzugt außerhalb der Gießkammer angeordnet.
Bevorzugt umfasst die Schmelze-Pumpe ein elastisches Element, um die Schmelze des Metalls durch Verformung des elastischen Elements zu fördern, wobei das flexible Element vorzugsweise ein Elastomer umfasst oder daraus besteht, insbesondere ein Perfluorelastomer und/oder einen Silikon-Kautschuk.
Bevorzugt umfasst die die Schmelze-Pumpe außerdem einen, insbesondere mit der Ansaugöffnung und der Ausstoßöffnung verbundenen, Pumpenraum, welcher leckfrei, insbesondere luftdicht, insbesondere hermetisch abgeschlossenen ausgebildet ist, insbesondere um einen Sauerstoffkontakt der Schmelze zu vermeiden. Mit anderen Worten ist der Pumpenraum abgesehen von der oder den Ansaugöffnungen bzw. Ausstoßöffnungen vorzugsweise leckfrei, luftdicht und/oder hermetisch ausgebildet.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Schmelze-Pumpe ein, insbesondere an der Ansaugöffnung oder im ersten Gießkanal-Abschnitt angeordnetes Ansaugventil auf, welches dazu eingerichtet ist, sich beim Ansaugen von Schmelze zu öffnen. Ferner kann sich das Ansaugventil beim Ausstoßen schließen. Darüber hinaus kann die Schmelze-Pumpe auch ein, insbesondere an der Ausstoßöffnung oder im zweiten Gießkanal-Abschnitt angeordnetes Ausstoßventil umfassen, welches dazu eingerichtet ist, sich beim Ausstoßen von Schmelze zu öffnen. Das Ausstoßventil kann sich vorzugsweise außerdem beim Ansaugen schließen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Schmelze-Pumpe als Membranpumpe ausgebildet. Mit anderen Worten ist eine Membran umfasst, welche ausgelenkt werden kann, um den Fördervorgang der Schmelze zu bewirken. Die Membran bildet somit insbesondere das vorstehend genannte elastische Element. Zudem ist beim Einsatz einer Membranpumpe ein Ansaugventil und ein Ausstoßventil besonders bevorzugt.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Schmelze-Pumpe als Schlauchpumpe ausgebildet. Mit anderen Worten ist ein Schlauch umfasst, welcher durch äußere mechanische Verformung den Fördervorgang der Schmelze bewerkstelligt. Der Schlauch bildet hierbei insbesondere das vorstehend genannte elastische Element.
Da die zu befördernde Metallschmelze vergleichsweise hohen Prozesstemperaturen aufweisen kann, ist es vorteilhaft, wenn die Schlauchpumpe bzw. deren Materialien entsprechend temperaturbeständig sind. Bevorzugt sind die Materialien, insbesondere die flexiblen Materialien für Membran bzw. Schlauch, ausreichend temperaturbeständig, um den oben genannten Schmelze-Temperaturen dauerhaft standzuhalten. Das oben genannten Perfluorelastomer kann beispielsweise bis zu einer Betriebstemperatur von 330°C eingesetzt werden. Silikon-Kautschuk bis zu einer Betriebstemperatur von 250°C bis ca. 300°C. Es sind aber auch je nach SchmelzeTemperatur andere Elastomere möglich.
Vorzugsweise ist die Schmelze-Pumpe demnach eingerichtet zur Förderung einer Schmelze eines Metalls von bis zu 300°C, insbesondere von bis zu 290°C, insbesondere von bis zu 280°C, insbesondere von bis zu 270°C, insbesondere von bis zu 260°C, insbesondere von bis zu 250°C, insbesondere von bis zu 232°C, insbesondere von bis zu 138°C, insbesondere von bis zu 117°C.
Ferner ist die Schmelze-Pumpe bevorzugt eingerichtet ist zum Betrieb bei bis zu 500°C, insbesondere bei bis zu 400°C, insbesondere bei bis zu 330°C, insbesondere bei bis zu 300°C, insbesondere bei bis zu 290°C, insbesondere bei bis zu 280°C, insbesondere bei bis zu 270°C, insbesondere bei bis zu 260°C, insbesondere bei bis zu 250°C.
Insbesondere ist das elastische Element, insbesondere die Membran und/oder der Schlauch, eingerichtet ist zum Betrieb bei bis zu 500°C, insbesondere bei bis zu 400°C, insbesondere bei bis zu 330°C, insbesondere bei bis zu 300°C, insbesondere bei bis zu 290°C, insbesondere bei bis zu 280°C, insbesondere bei bis zu 270°C, insbesondere bei bis zu 260°C, insbesondere bei bis zu 250°C.
Aber auch der Pumpenraum, und vorzugsweise das Ansaugventil und/oder das Ausstoßventil, sind vorzugsweise eingerichtet zum Betrieb bei bis zu 500°C, insbesondere bei bis zu 400°C, insbesondere bei bis zu 330°C, insbesondere bei bis zu 300°C, insbesondere bei bis zu 290°C, insbesondere bei bis zu 280°C, insbesondere bei bis zu 270°C, insbesondere bei bis zu 260°C, insbesondere bei bis zu 250°C.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Gießkavität überlauflos ausgebildet, umfasst also keinen Überlauf der dazu eingerichtet ist, dass Schmelze darin einfließt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ein angussloses und überlaufloses Befüllen der Kavität ermöglicht, wodurch das Metall-Druckgießen vereinfacht und beschleunigt werden kann, und somit ähnlich wartungsarm und prozesssicher werden kann wie das Kunststoff-Spritzgießen.
Die Gießkavität kann aber einen Auslass zum Austreten oder zum Abpumpen eines in der Gießkavität befindlichen Gases aufweisen. Der Auslass ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die in die Gießkavität einzuleitende Schmelze des Metalls nicht in den Auslass einfließen kann.
Eine Möglichkeit, um zu gewährleisten, dass die in die Gießkavität einzuleitende Schmelze des Metalls nicht in den Auslass einfließen kann ist es, den Querschnitt des Auslasses zu begrenzen. Bevorzugt liegt der Querschnitt zwischen 0,0001 und 10 Quadratmillimeter, besonders bevorzugt zwischen 0,001 und 1 Quadratmillimeter. Ein Auslass, beispielsweise in Form eines Spalts oder einer Bohrung, kann beispielsweise einen Durchmesser von ca. 0.05mm bis 1 mm aufweisen. Ferner sind auch mehrere Auslässe möglich, welche insbesondere parallel geschaltet sein können. Ein Auslass kann auch durch einen porösen Bereich der Gießkavität, z.B. einen porösen Werkzeugeinsatz, gebildet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Auslasses umfasst, damit die Schmelze des Metalls am Auslass aushärtet, so dass die in die Gießkavität einzuleitende Schmelze des Metalls nicht in den Auslass einfließen kann. Mit anderen Worten kann im Bereich des Auslasses oder im Auslass oder im Bereich eines porösen Einsatzes eine aktive Kühlung vorgesehen sein, um ein schnelles Erstarren der Schmelze zu sichern. Zusätzlich kann dafür ein gut wärmeleitfähiger Werkstoff eingesetzt werden, z.B. mit hohem Kupferanteil. Sollte dennoch ein minimales Eindringen der Schmelze in den Auslass erfolgen, kann auch ein im Auslass platzierter Auswerfer vorgesehen sein, um den Auslass nach jedem Schuss von Rückständen eingedrungener Schmelze zu reinigen.
Es kann außerdem eine Unterdruckpumpe, insbesondere eine Vakuumpumpe umfasst sein, welche mit dem Auslass der Gießkavität verbunden ist, um das in der Gießkavität befindliche Gas durch den Auslass abzupumpen. Ein (Unter)druck kann insbesondere im Bereich von -1,1 bis - 0,7 bar, z.B. bei ca. -0,9 bar liegen.
Insbesondere im Hinblick auf eine Vermeidung oder Verminderung von Schlacke-Bildung kann die Vorrichtung zum Druckgießen von Metall ferner einen Außenbehälter zur Aufnahme eines Fluides, insbesondere eines Gases, umfassen, um einen Sauerstoffabschluss der in der Gießkammer befindlichen Schmelze-Oberfläche zu gewährleisten. Der Außenbehälter kann die Gießkammer beherbergen oder durch diese gebildet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein die Schmelze-Oberfläche bedeckendes Fluid zur Bildung eines Sauerstoffabschlusses keine aktive Druckbeaufschlagung der äußeren Schmelze-Oberfläche bewirkt.
Neben der vorstehend beschriebenen Vorrichtung betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Druckgießen von Metall, insbesondere mittels einer Vorrichtung zum Druckgießen von Metall umfassend eine Gießkammer, eine Gießform mit einer Gießkavität und einen Gießkanal welcher die Gießkammer mit der Gießkavität verbindet, vorzugsweise wie vorstehend ausgeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Schmelze eines Metalls in die Gießkammer eingebracht und von innerhalb des Gießkanals aus der Gießkammer angesaugt, insbesondere indem aktiv innerhalb des Gießkanals eine Druckveränderung in der Schmelze bewirkt wird. Vorzugsweise wird die Schmelze des Metalls außerdem wiederum von innerhalb des Gießkanals in Richtung der Gießkavität ausgestoßen wird, wozu wiederum aktiv innerhalb des Gießkanals eine Druckveränderung in der Schmelze bewirkt werden kann. Mit aktiv innerhalb des Gießkanals ist hierbei gemeint, dass der Ort, an dem die Druckveränderung herbeigeführt wird, nicht außerhalb des Gießkanals liegt, d.h. dass sich die Druckveränderung nicht bloß in den Gießkanal hinein fortpflanzt.
Vorzugsweise erfolgt das Ansaugen und/oder das Ausstoßen der Schmelze von außerhalb der Schmelze, besonders bevorzugt von außerhalb der Gießkammer.
Ferner kann das Verfahren zum Druckgießen von Metall auch weitere der oben im Rahmen der Vorrichtung zum Druckgießen von Metall erläuterten Merkmale umfassen.
So kann die Schmelze des Metalls etwa insbesondere durch Verformung eines elastischen Elements, insbesondere einer Membran und/oder eines Schlauchs, angesaugt werden und/oder ausgestoßen werden. Ferner wird die Schmelze des Metalls bevorzugt leckfrei, insbesondere luftdicht angesaugt und/oder ausgestoßen. Auch kann beim Ansaugen der Schmelze des Metalls ein Ansaugventil geöffnet werden und/oder beim Ausstoßen der Schmelze des Metalls ein Ausstoßventil geöffnet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei einem Mehr-Komponenten-Verfahren (Verbundprozess) mit zumindest einer Kunststoff-Spritzguss-Komponente und zumindest einer Metall-Druckguss-Komponente zum Einsatz kommen. Hierbei ist gemäß DIN 8580 ausdrücklich zwischen dem Begriff des Druckgusses, der sich insbesondere auf eine Metallschmelze bezieht, und dem Begriff des Spritzgusses, der sich demgegenüber insbesondere auf einen Kunststoff bezieht, zu unterscheiden.
Grundsätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst vorgesehen sein, dass ein Bauteil in die Gießkavität eingelegt wird, bevor die Schmelze des Metalls in die Gießkavität eingeleitet wird, so dass das Bauteil mit der Schmelze des Metalls ganz oder zumindest teilweise umgossen wird. Mit anderen Worten wird im Rahmen dieser Offenbarung auch ein Verfahren zum Umgießen von Bauteilen angegeben.
Insbesondere kann in einem dem Druckguss vorgelagerten Schritt das Bauteil mit einem Kunststoff zumindest teilweise umspritzt werden, derart, dass auf dem Bauteil eine Kunststoff-Spritzguss-Komponente gebildet wird, bevor das Bauteil in die Gießkavität eingelegt wird. Es kann dann im Rahmen des Druckgusses die auf dem Bauteil gebildete Kunststoff-Spritzguss-Komponente mit der Schmelze des Metalls zumindest teilweise umgossen werden, derart, dass auf der Kunststoff-Spritzguss-Komponente eine Metallguss-Komponente gebildet wird.
Optional kann darüber hinaus nachdem die auf dem Bauteil gebildete Kunststoff-Spritzguss-Komponente mit der Schmelze des Metalls zumindest teilweise umgossen wurde, die Metallguss-Komponente wiederum zumindest teilweise mit Kunststoff umspritzt werden, derart, dass auf der Metallguss-Komponente eine weitere, insbesondere eine äußere, Kunststoff-Spritzguss-Komponente gebildet wird.
In einer konkreten Anwendung kann es sich bei dem in die Gießkavität eingelegten Bauteil um einen elektrischen Verbinder handeln, wobei der elektrische Verbinder ein oder mehrere Leitungselemente, die wenigstens einer Leitung oder wenigstens einem Steckverbinder angehören, sowie eine oder mehrere Abschirmhüllen oder Abschirmgehäuse, die wenigstens einer Leitung oder wenigstens einem Steckverbinder angehören, umfasst. In Bezug weitere Details zu dem elektrischen Verbinder wird auf die DE 10 2015 102 703 A1 verwiesen, die sich derselben Nomenklatur bedient und die hiermit durch Referenz inkorporiert wird.
In der konkreten Anwendung des Verfahrens für einen derartigen Verbinder kann vorgesehen sein, dass die Leitungselemente des elektrischen Verbinders mit dem Kunststoff zumindest teilweise umspritzt werden, um eine als Zwischenisolierkörper ausgebildete Kunststoff-Spritzguss-Komponente zu bilden, welche die Leitungselemente beim Umgießen mit der Schmelze des Metalls schützt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die als Zwischenisolierkörper ausgebildete Kunststoff-Spritzguss-Komponente mit der Schmelze des Metalls zumindest teilweise umgossen wird, um eine als Schirmgehäuse ausgebildete Metallguss-Komponente zu bilden, welche entweder mehrere Abschirmhüllen untereinander, oder wenigstens eine Abschirmhülle mit wenigstens einem Abschirmgehäuse, oder mehrere Abschirmgehäuse untereinander verbindet, oder einen Teil des Abschirmgehäuses bildet.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die als Schirmgehäuse ausgebildete Metallguss-Komponente wiederum zumindest teilweise mit Kunststoff umspritzt wird, derart, dass auf der Metallguss-Komponente eine äußere Kunststoff-Spritzguss-Komponente gebildet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand der Zeichnungen beschrieben Dabei zeigt:

1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Druckgießen von Metall,
2 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Druckgießen von Metall,
3 drei Verfahrensschritte eines Verbundprozesses mit Spritzgießen und Druckgießen,
4 eine kombinierte Spritzguss-Druckguss-Form.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Druckguss-Vorrichtung 10, auch als Gießaggregat bezeichnet, mit einer Gießkammer 100, einer zweiteiligen Gießform 301 mit einer darin befindlichen Gießkavität 300 und einem Gießkanal 200 in dem eine Schmelze-Pumpe 250 angeordnet ist. In der beheizten Gießkammer 100 (Warmkammer) befindet sich eine Schmelze eines Metalls 110, insbesondere eine niedrig schmelzende Metalllegierung.
Die Schmelze-Pumpe 250 ist in diesem Beispiel als Membran-Pumpe ausgebildet. Durch Entlasten der Membran 270 entsteht im Pumpenraum 265, welcher einen Teil des Gießkanals 200 bildet, ein Unterdruck, so dass Metall-Schmelze 110 aus der Gießkammer 100 angesaugt wird (1a). Durch Belasten der Membran 270 entsteht demgegenüber im Pumpenraum 265, und damit innerhalb des Gießkanals 200, ein Überdruck, so dass die Metall-Schmelze 110 in Richtung der Gießkavität 300 befördert wird (1b). Das Entlasten bzw. Belasten der Membran 270 kann mittels eines geeigneten Aktors erfolgen (nicht dargestellt).
Die im Gießkanal 200 eingebaute Schmelze-Pumpe 250 ist einerseits über eine Ansaugöffnung 252 mit einem zur Gießkammer 100 führenden Gießkanal-Abschnitt 202 verbunden, um die Schmelze aus der Gießkammer 100 ansaugen zu können. Andererseits ist die Pumpe 250 über eine Ausstoßöffnung 254 mit einem zur Gießkavität 300 führenden Gießkanal-Abschnitt 204 verbunden, um die Schmelze in die Gießkavität 300 einleiten zu können.
Wenn im ersten Schritt (1a) die Membran 270 entlastet wird, kann sich ein an der Ansaugöffnung 252 angeordnetes Ansaugventil 256 öffnen und zugleich ein an der Ausstoßöffnung 254 befindliches Ausstoßventil 258 schließen. Auf diese Weise wird ein Rückströmen von Schmelze aus dem zur Gießkavität 300 führenden Gießkanal-Abschnitt 204 vermieden, so dass keine Umgebungsluft in den Gießkanal gelangt und eine Oxidation vermieden wird. Das Öffnen des Ansaugventils 256 und/oder das Schließen des Ausstoßventils 256 kann dabei durch den entstehenden Unterdruck selbst bewirkt werden. Alternativ können die Ventile motorisch geöffnet bzw. geschlossen werden.
Wenn im zweiten Schritt (1b) die Membran 270 belastet wird, kann in umgekehrter Weise das Ansaugventil 256 geschlossen und/oder Ausstoßventil 258 geöffnet werden. Durch eine Belastung der Membran 270 erfolgt schließlich der Fördervorgang der Schmelze 110 aus der Pumpe zur Kavität 300 bzw. zum Werkzeug.
Der Anschluss des zur Gießkammer 100 führenden Gießkanal-Abschnitts 202 erfolgt an der Gießkammer 100 vorzugsweise am oder nah am Boden der Gießkammer 100, um sauberes Lot aus tieferen Schichten in das System anzusaugen, so dass auch hierdurch der Eintrag von Oxidpartikeln vermindert oder vermieden wird.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Druckguss-Vorrichtung 10, welche wiederum über eine Gießkammer 100, einen Gießkanal 200 mit Schmelze-Pumpe 250 und eine Gießkavität 300 verfügt.
Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist die innerhalb des Gießkanals 200 befindliche Schmelze-Pumpe 250 nun als Schlauchpumpe ausgebildet. Der Pumpenraum 265 wird demnach durch einen verformbaren Schlauch 280 gebildet, welcher zudem einen Teil des Gießkanals 200 bildet und den zur Gießkammer führenden Gießkanalabschnitt 202 mit dem zur Gießkavität 300 führenden Gießkanalabschnitt 204 verbindet.
Der Pumpbetrieb wird durch Rotation einer Nockenwelle 290 realisiert durch die der Schlauch zwischen Nockenwelle und Pumpengehäuse „geknetet“ wird. Aus dieser Knetbewegung resultiert ein mehr oder weniger stark pulsierender Förderstrom der Schmelze 110 aus der Gießkammer 100 zur Gießkavität 300.
Ebenso wie mit der Membran-Pumpe kann auch mit diesem System ein geschlossener, luftfreier Prozess realisiert werden, so dass in vorteilhafter Weise Oxidprodukte im Schmelzesystem vermieden werden. Bei diesem Systemaufbau können Ansaugventil und Ausstoßventil optional vorgesehen sein. Es kann aber auch auf die Ventile verzichtet werden. Ferner lässt sich mit diesem System ein nahezu kontinuierlicher Fördervorgang erzielen, mit dem auch sehr große Füllvolumen sehr einfach realisierbar sind.
3 zeigt einen dreistufigen Verbundprozess umfassend Spritzgießen von Kunststoff und Druckgießen von Metall, wobei die Begriffe des Spritzgießen und des Druckgießens gemäß DIN 8580 definiert und voneinander zu trennen sind.
In einem ersten Schritt (a) wird eine Spritzguss-Form 301' mit einer Spritzkavität 300' bereitgestellt und Kunststoff über eine Spritzleitung 200' in die Spritzguss-Form 301' eingespritzt. Es entsteht dadurch ein Bauteil mit einer Kunststoff-Spritzguss-Komponente, welches dann in die Gießkavität 300 einer Druckguss-Form 301 eingelegt und in einem zweiten Schritt (b) mit Metall umgossen wird, indem durch den Gießkanal 200 eine Metallschmelze, insbesondere wie vorstehend beschrieben, eingeleitet wird, so dass eine Metallguss-Komponente gebildet wird. Es entsteht dadurch ein Zwei-Komponenten-Bauteil, welches optional nochmals in eine Spritzkavität 300" einer weiteren Spritzguss-Form 301" eingelegt werden kann, um nochmals mit Kunststoff umspritzt zu werden.
4 zeigt eine zweiteilig ausgebildete kombinierte Spritzguss-Druckguss-Form 312 mit die vorstehend beschriebenen Schritte ebenfalls ausgeführt werden können. Die kombinierte Spritzguss-Druckguss-Form 312 umfasst eine erste Spritzkavität 300' zur Aushärtung eines eingespritzten Kunststoffs, eine separate Gießkavität 300 zur Aushärtung einer Schmelze eines Metalls und eine separate zweite Spritzkavität 300" zur Aushärtung eines eingespritzten Kunststoffs.
Ein Mehr-Komponenten Spritz-Guss-Spritz-Prozess in einer Verbundanlage kann z.B. zur Herstellung einer Schirmung eines elektrischen Verbinders genutzt werden. Zunächst wird der elektrische Verbinder in einem Kunststoff-Spritzguss umspritzt, direkt danach zum Herstellen einer Schirmung mit Metall umgossen, direkt danach wiederum mit Kunststoff-Spritzguss umspritzt. Mit dem erfindungsgemäßen Druckguss-Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Druckguss-Vorrichtung kann der Metall-Guss Prozess so prozesssicher und wartungsarm gestaltet werden, wie ein Kunststoff-Spritzguss-Prozesse bzw. beide Kunststoff-Spritzguss-Prozesse. Wie bereits vorstehend beschrieben wird dies insbesondere ermöglicht durch ein angussloses und auch überlaufloses Druckgießen, so dass keine Abtrennung von Anguss und Überlauf vor dem nachfolgenden Umspritz-Prozess nötig ist. Durch die Vermeidung der Bildung von Schlacke in der Metallschmelze werden in vorteilhafter Weise Schwankungen der Formfüllung im Gießprozess und ein Zusetzen des Gießkanals vermieden, so dass das Druckgießen wartungsarm ist.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012010923 A1 [0003]
DE 102012009790 A1 [0004]
DE 102015102703 A1 [0043]

Claims

Vorrichtung (10) zum Druckgießen von Metall, umfassend: eine Gießkammer (100) zur Aufnahme einer Schmelze (110) des Metalls, eine Gießform (301) mit einer Gießkavität (300) zur Aushärtung der Schmelze (110) des Metalls in definierter Form und einen Gießkanal (200) welcher die Gießkammer (100) mit der Gießkavität (300) verbindet, derart dass die Schmelze (110) des Metalls aus der Gießkammer (100) durch den Gießkanal (200) in die Gießkavität (300) einleitbar ist, um dort in definierter Form auszuhärten und eine im Gießkanal (200) angeordnete Schmelze-Pumpe (250) zur Förderung der Schmelze (110) des Metalls entlang des Gießkanals (200), um die Schmelze (110) des Metalls aus der Gießkammer (100) durch den Gießkanal (200) in die Gießkavität (300) einzuleiten.
Vorrichtung (10) zum Druckgießen von Metall gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die Schmelze-Pumpe (250) eine Ansaugöffnung (252) und eine Ausstoßöffnung (254) umfasst, und wobei die Ansaugöffnung (252) der Schmelze-Pumpe (250) mit einem zur Gießkammer (100) führenden ersten Gießkanal-Abschnitt (202) verbunden ist und die Ausstoßöffnung (254) der Schmelze-Pumpe (250) mit einem zur Gießkavität (300) führenden zweiten Gießkanal-Abschnitt (204) verbunden ist, um die Schmelze (110) des Metalls über den ersten Gießkanal-Abschnitt (202) anzusaugen und über den zweiten Gießkanal-Abschnitt (204) wieder auszustoßen.
Vorrichtung (10) zum Druckgießen von Metall gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schmelze-Pumpe (250) ein elastisches Element (260) umfasst, um die Schmelze (110) des Metalls durch Verformung des elastischen Elements (260) zu fördern, wobei das flexible Element (260) vorzugsweise ein Elastomer umfasst oder daraus besteht, insbesondere ein Perfluorelastomer und/oder einen Silikon-Kautschuk.
Vorrichtung (10) zum Druckgießen von Metall gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schmelze-Pumpe (250) einen, insbesondere mit der Ansaugöffnung (252) und der Ausstoßöffnung (254) verbundenen, Pumpenraum (265) umfasst, welcher leckfrei, insbesondere luftdicht, insbesondere hermetisch abgeschlossenen ausgebildet ist, insbesondere um einen Sauerstoffkontakt der Schmelze (110) zu vermeiden.
Vorrichtung (10) zum Druckgießen von Metall gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schmelze-Pumpe (250) ein, insbesondere an der Ansaugöffnung (252) oder im ersten Gießkanal-Abschnitt (202) angeordnetes Ansaugventil (256) umfasst, welches dazu eingerichtet ist, sich beim Ansaugen von Schmelze (110) zu öffnen und/oder wobei die Schmelze-Pumpe (250) ein, insbesondere an der Ausstoßöffnung (254) oder im zweiten Gießkanal-Abschnitt (204) angeordnetes Ausstoßventil (258) umfasst, welches dazu eingerichtet ist, sich beim Ausstoßen von Schmelze (110) zu öffnen.
Vorrichtung (10) zum Druckgießen von Metall gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schmelze-Pumpe (250) als Membranpumpe mit einer Membran (270) ausgebildet ist, und wobei die Membran (270) vorzugsweise das elastische Element (260) bildet.
Vorrichtung (10) zum Druckgießen von Metall gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schmelze-Pumpe (250) als Schlauchpumpe mit einem Schlauch (280) ausgebildet ist, und wobei der Schlauch (280) vorzugsweise das elastische Element (260) bildet.
Vorrichtung (10) zum Druckgießen von Metall gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schmelze-Pumpe (250) eingerichtet ist zur Förderung einer Schmelze eines Metalls von bis zu 300°C, insbesondere von bis zu 290°C, insbesondere von bis zu 280°C, insbesondere von bis zu 270°C, insbesondere von bis zu 260°C, insbesondere von bis zu 250°C, insbesondere von bis zu 232°C, insbesondere von bis zu 138°C, insbesondere von bis zu 117°C und/oder wobei die Schmelze-Pumpe (250) eingerichtet ist zum Betrieb bei bis zu 500°C, insbesondere bei bis zu 400°C, insbesondere bei bis zu 330°C, insbesondere bei bis zu 300°C, insbesondere bei bis zu 290°C, insbesondere bei bis zu 280°C, insbesondere bei bis zu 270°C, insbesondere bei bis zu 260°C, insbesondere bei bis zu 250°C, und/oder wobei das elastische Element (260), insbesondere die Membran (270) und/oder der Schlauch (280), eingerichtet ist zum Betrieb bei bis zu 500°C, insbesondere bei bis zu 400°C, insbesondere bei bis zu 330°C, insbesondere bei bis zu 300°C, insbesondere bei bis zu 290°C, insbesondere bei bis zu 280°C, insbesondere bei bis zu 270°C, insbesondere bei bis zu 260°C, insbesondere bei bis zu 250°C und/oder wobei der Pumpenraum (270), und vorzugsweise das Ansaugventil (256) und/oder das Ausstoßventil (258), eingerichtet ist zum Betrieb bei bis zu 500°C, insbesondere bei bis zu 400°C, insbesondere bei bis zu 330°C, insbesondere bei bis zu 300°C, insbesondere bei bis zu 290°C, insbesondere bei bis zu 280°C, insbesondere bei bis zu 270°C, insbesondere bei bis zu 260°C, insbesondere bei bis zu 250°C.
Verfahren zum Druckgießen von Metall, insbesondere mittels einer Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Schmelze (110) eines Metalls in eine Gießkammer (100) eingebracht wird, und wobei die Schmelze (110) des Metalls von innerhalb des Gießkanals (200) aus der Gießkammer (100) angesaugt wird, und wobei die Schmelze (110) des Metalls vorzugsweise wiederum von innerhalb des Gießkanals (200) in Richtung der Gießkavität (300) ausgestoßen wird.
Verfahren zum Druckgießen von Metall gemäß Anspruch 9, wobei die Schmelze (110) des Metalls durch Verformung eines elastischen Elements (260), insbesondere einer Membran (270) und/oder eines Schlauchs (280), angesaugt wird und/oder wobei die Schmelze (110) des Metalls durch Verformung des elastischen Elements (260), insbesondere der Membran (270) und/oder des Schlauchs (280), ausgestoßen wird.
Verfahren zum Druckgießen von Metall gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Schmelze (110) des Metalls leckfrei, insbesondere luftdicht angesaugt und/oder ausgestoßen wird.
Verfahren zum Druckgießen von Metall gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei beim Ansaugen der Schmelze (110) des Metalls ein Ansaugventil (256) geöffnet wird und/oder wobei beim Ausstoßen der Schmelze (110) des Metalls ein Ausstoßventil (258) geöffnet wird.
Verfahren zum Druckgießen von Metall gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei bevor die Schmelze (110) des Metalls in die Gießkavität eingeleitet wird, ein Bauteil in die Gießkavität eingelegt wird und wobei das Bauteil mit der Schmelze des Metalls zumindest teilweise umgossen wird.
Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoff und Druckgießen von Metall gemäß Anspruch 13, wobei bevor das Bauteil in die Gießkavität eingelegt wird, das Bauteil mit einem Kunststoff zumindest teilweise umspritzt wird, derart, dass auf dem Bauteil eine Kunststoff-Spritzguss-Komponente gebildet wird, und wobei die auf dem Bauteil gebildete Kunststoff-Spritzguss-Komponente mit der Schmelze des Metalls zumindest teilweise umgossen wird, derart, dass auf der Kunststoff-Spritzguss-Komponente eine Metallguss-Komponente gebildet wird und wobei optional nachdem die auf dem Bauteil gebildete Kunststoff-Spritzguss-Komponente mit der Schmelze des Metalls zumindest teilweise umgossen wurde, die Metallguss-Komponente wiederum zumindest teilweise mit Kunststoff umspritzt wird, derart, dass auf der Metallguss-Komponente eine weitere Kunststoff-Spritzguss-Komponente gebildet wird.
Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoff und Druckgießen von Metall gemäß Anspruch 14, wobei das in die Gießkavität eingelegte Bauteil ein elektrischer Verbinder ist, wobei der elektrische Verbinder umfasst: ein oder mehrere Leitungselemente, die wenigstens einer Leitung oder wenigstens einem Steckverbinder angehören, eine oder mehrere Abschirmhüllen oder Abschirmgehäuse, die wenigstens einer Leitung oder wenigstens einem Steckverbinder angehören, und wobei die Leitungselemente des elektrischen Verbinders mit dem Kunststoff zumindest teilweise umspritzt werden, um eine als Zwischenisolierkörper ausgebildete Kunststoff-Spritzguss-Komponente zu bilden, welche die Leitungselemente beim Umgießen mit der Schmelze des Metalls schützt, und wobei die als Zwischenisolierkörper ausgebildete Kunststoff-Spritzguss-Komponente mit der Schmelze des Metalls zumindest teilweise umgossen wird, um eine als Schirmgehäuse ausgebildete Metallguss-Komponente zu bilden, welche entweder mehrere Abschirmhüllen untereinander, oder wenigstens eine Abschirmhülle mit wenigstens einem Abschirmgehäuse, oder mehrere Abschirmgehäuse untereinander verbindet, oder einen Teil des Abschirmgehäuses bildet.
Kombinierte Spritzguss-Druckguss-Form (312) mit einer Spritzkavität (300') zur Aushärtung eines eingespritzten Kunststoffs und einer separaten Gießkavität (300) zur Aushärtung einer Schmelze eines Metalls und vorzugsweise einer weiteren separaten Spritzkavität (300") zur Aushärtung eines eingespritzten Kunststoffs, wobei die Größe der Kavitäten bevorzugt ansteigt, so dass ein Bauteil der Reihe nach erst in der Spritzkavität mit Kunststoff umspritzt, dann in der Gießkavität mit Metall umgossen, und ggf. schließlich nochmals in der weiteren Spitzkavität mit Kunststoff umspritzt werden kann.