DE102021125159A1

DE102021125159A1 - Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Feingussbauteils

Info

Publication number: DE102021125159A1
Application number: DE102021125159.1A
Authority: DE
Inventors: Henrik Franz; Sergejs Spitans; Björn Sehring
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2023-03-30
Also published as: CA3230280A1; TW202319143A; WO2023052161A1; AU2022353998A1; CN117940232A; EP4387786A1; KR20240088729A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Herstellen eines Feingussbauteils, umfassend eine Schmelzkammer (12) mit einer in der Schmelzkammer (12) angeordneten Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314), die dazu ausgebildet ist, eine zumindest abschnittsweise darin aufgenommene Elektrode (18) abzuschmelzen, um einen keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahl (40) mit einer Schmelzrate MFR von wenigstens 2,5 kg/min zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine der Schmelzkammer (12) nachgelagerte und mit dieser verbundene Gießkammer (20) mit einer darin aufgenommenen oder aufnehmbaren Feingussform zur Befüllung mittels des keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahls (40)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Feingussbauteils unter Verwendung eines keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahls. Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Feingießen von Formteilen.
Hintergrund der Erfindung
Feingussanlagen und damit durchgeführte Feingussverfahren dienen der Herstellung von Gussbauteilen aus Metalllegierungen mit vergleichsweise hoher Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit. Insbesondere können Feingussanlagen und -verfahren zum Herstellen von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie, die Stromerzeugungsindustrie, die Automobilindustrie, die Medizintechnik, die Chemie- und/oder die Elektroindustrie eingesetzt werden. Mittels Feingussverfahren hergestellt Bauteile erfordern eine minimale Nachbearbeitung. Zudem können Feingussverfahren zum Herstellen von Bauteilen mit komplexen Strukturen verwendet werden.
Bei bekannten Feingussanlagen wird zu schmelzendes Material in einem Tiegel aufgeschmolzen und anschließend in eine vorbereitete Schmelzform gegossen. Jedoch kann es bei bekannten Feingussanlagen zu ungewünschten Verunreinigungen des aufgeschmolzenen Materials kommen, wodurch die Qualität des hergestellten Gussbauteils negativ beeinträchtigt wird.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden.
Insbesondere besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die eine Herstellung von Feingussbauteilen mit verbesserter Qualität ermöglicht. Eine verbesserte Qualität kann hier beispielsweise eine höhere Materialreinheit und/oder eine höhere Oberflächengüte des Bauteils bedeuten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Weiterbildungen und Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der nachstehenden Beschreibung.
Beschreibung der Erfindung
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung oder Anlage zum Herstellen von Feingussbauteilen, insbesondere von komplexen Gussstücken. Die Vorrichtung umfasst eine Schmelzkammer mit einer in der Schmelzkammer angeordneten Induktionsspulenanordnung. Die Induktionsspulenanordnung ist dazu ausgebildet, eine zumindest abschnittsweise darin aufgenommene Elektrode abzuschmelzen, um einen keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahl mit einer Schmelzrate MFR (MFR = Melt Flow Rate) von wenigstens 2,5 kg/min zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine der Schmelzkammer nachgelagerte und mit dieser verbundene Gießkammer mit einer darin aufgenommenen oder aufnehmbaren Feingussform zur Befüllung mittels des keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahls.
Das Erzeugen und Verwenden eines keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahls kann Verunreinigungen der Schmelze während des Prozesses verhindern, was zum einen einer verbesserten Formfüllung und zum anderen einer verbesserten metallurgischen Beschaffenheit des hergestellten Gussstücks dient.
Durch das Erzeugen und Verwenden eines kontinuierlichen Schmelzstrahls kann eine wenig turbulente Formfüllung realisiert werden. Dies reduziert das Entstehen von keramischen Verunreinigungen des Schmelzmaterials und somit des Feingussteils aufgrund von aus der Formenwand herausgelösten Partikeln. Zusätzliche können durch eine kontinuierliche und gleichmäßige Füllung der Form mögliche verunreinigende Partikel beim Gießen nach oben befördert werden, wo sie die Qualität des Gussstücks weniger stark beeinträchtigen.
Die Induktionsspulenanordnung kann dazu ausgebildet sein, die zumindest abschnittsweise darin aufgenommene Elektrode so abzuschmelzen, dass sie einen keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahl mit einer Schmelzrate MFR (MFR = Melt Flow Rate) von wenigstens 4 kg/min erzeugt, vorzugsweise wenigstens 5 kg/min, bevorzugt wenigstens 6 kg/min, weiter bevorzugt wenigstens 8 kg/min.
Die Induktionsspulenanordnung kann dazu ausgebildet sein, die zumindest abschnittsweise darin aufgenommene Elektrode so abzuschmelzen, dass sie einen keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahl mit einer Schmelzrate MFR (MFR = Melt Flow Rate) von höchstens 15 kg/min erzeugt, vorzugsweise höchstens 12 kg/min, bevorzugt höchstens 10 kg/min.
Insbesondere kann die Induktionsspulenanordnung dazu ausgebildet sein, die zumindest abschnittsweise darin aufgenommene Elektrode so abzuschmelzen, dass sie einen keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahl mit einer Schmelzrate MFR (MFR = Melt Flow Rate) zwischen 2,5 kg/min und 10 kg/min erzeugt.
Die von den Erfindern festgelegte Schmelzrate MFR von wenigstens 2,5 kg/min, insbesondere im Bereich zwischen 2,5 kg/min und 10 kg/min, stellt eine für Feingussanwendungen geeignete Schmelzrate dar, die eine optimale Balance zwischen der Sicherstellung einer ausreichenden Überhitzung des Schmelzstrahls, dem Erreichen einer angemessenen Formfüllungszeit und einem in der Praxis vertretbaren Energieverbrauch darstellt.
Insbesondere haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt, dass eine ausreichende Überhitzung des Schmelzstrahls bei einer Schmelzrate MFR von mindestens 2,5 kg/min realisiert werden kann. Ein solcher überraschender Zusammenhang zwischen der Schmelzrate MRF und einer Überhitzung war basierend auf dem aus der Praxis bekannten Stand der Technik nicht zu erwarten. Vielmehr wäre zu erwarten gewesen, dass aufgrund einer durch eine erhöhte Schmelzrate relativ kurzen Verweildauer des aufgeschmolzenen Materials innerhalb der Spulenanordnung, nur eine sehr geringe Überhitzung erreicht werden könnte. Eine ausreichend hohe Überhitzung einer Schmelze ist jedoch für Feingussanwendungen erforderlich, um ein Erstarren und Verklumpen der Schmelze vor dem Einbringen in die Form zu verhindern. Gleichzeitig ist beim Feinguss ein vollständiges Befüllen innerhalb einer angemessenen Formfüllungszeit sicherzustellen, um ein Feingussbauteil mit der erforderlichen Qualität und Güte zu erzeugen.
Durch die mittels der Vorrichtung erzeugte Schmelzrate von wenigstens 2,5 kg/min, insbesondere im Bereich zwischen 2,5 kg/min und 10 kg/min, des kontinuierlichen Schmelzstrahls kann erreicht werden, dass die Feingussform in einer angemessenen Zeit vollständig befüllt wird. Mit anderen Worten kann durch die von den Erfindern vorgesehene Mindestschmelzrate die Formfüllungszeit auf ein optimales Maß reduziert werden. Bei geringeren Schmelzraten, wie sie beispielsweise aus herkömmlichen kontinuierlichen Schmelzverfahren bekannt sind, könnte eine ausreichende Formfüllung und somit eine Herstellung eines Feingussbauteils mit ausreichender Qualität nicht sichergestellt werden. Insbesondere kann sich die angemessene Formfüllungszeit auf eine Formfüllungszeit für gängige Feingussbauteile in der Luft-/Raumfahrtindustrie - beispielsweise Turbinenschaufeln, der Stromerzeugungsindustrie - beispielsweise Turbinenschaufein, der Automobilindustrie - beispielsweise Turboladerräder, der Medizintechnik, der Chemie- und/oder Elektroindustrie beziehen. Die von den Erfindern vorgesehene Mindestschmelzrate kann also insbesondere zur Herstellung von solchen Feingussbauteilen mit hoher Qualität geeignet sein, ohne darauf begrenzt zu sein.
Die Feingussform ist eine verlorene Form. Das Material der Feingussform kann beispielsweise Keramik oder Grafit sein.
Die abschmelzbare Elektrode kann insbesondere eine in der Schmelzkammer vertikal aufgehängte, rotierende Elektrode sein, die unter Vakuum oder unter Inertgasatmosphäre durch eine kontrollierte Bewegung an einem unteren Ende mittels der Induktionsspulenanordnung kontinuierlich abgeschmolzen wird. Die kontrollierte Bewegung kann neben der Rotationsbewegung für ein gleichmäßiges Abschmelzen ein kontinuierliches Nachführen der Elektrode in Richtung der Gießkammer umfassen. Die Induktionsspulenanordnung kann eine in Richtung des unteren Endes der Elektrode zulaufende konische Gestalt haben. Die Induktionsspulenanordnung und die Elektrode sind koaxial zueinander angeordnet.
In einer Ausführungsform kann die Gießkammer einen Formenheizer umfassen, der dazu ausgebildet ist, die Feingussform während des Gießens bzw. während des Herstellungsprozesses zu beheizen. Hierdurch kann ein zu frühes und unerwünschtes Abkühlen und dadurch Erstarren des in die Feingussform eingebrachten Schmelzstrahls verhindert werden. Hierdurch kann dazu beigetragen werden, dass die Feingussform vollständig gefüllt und die Qualität des hergestellten Feingussbauteils weiter erhöht wird.
Die Vorrichtung kann einen Formenabzug umfassen, mittels dessen die Feingussform in eine der Schmelzkammer abgewandte Richtung abziehbar ist. Der Formenabzug kann in oder an oder unterhalb der Gießkammer angeordnet sein. Beispielsweise kann der Formenabzug in einer Ein-/Ausschleuskammer gelagert sein. Mittels des Formenabzugs kann eine kontrollierte Erstarrung des Gussstücks erreicht werden. Hiermit kann ein Speisen bzw. Nachfüllen von Flüssigmetall aus einem oberen Teil der Form, zu dem der Schmelzstrahl zugeführt wird, zu durch Erstarrungsschrumpfen frei werdenden Bereichen der Form ermöglicht werden. Auch können mittels des Formenabzugs und der kontrollierten Erstarrung gerichtet erstarrte Gussstücke hergestellt werden.
Die Vorrichtung kann eine Ein-/Ausschleuskammer zum Ein- bzw. Ausschleusen der Feingussform umfassen. Die Ein-/Ausschleuskammer ist der Gießkammer nachgelagert.
Die Induktionsspulenanordnung kann mit einer Leistung P beaufschlagt sein, für die gilt: $P [kW] \geq 5 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweiseP [kW] \geq 15 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt P [kW] \geq 50 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt P [kW] \geq 125 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Die Induktionsspulenanordnung kann mit einer Leistung P beaufschlagt sein, für die gilt: $P [kW] \leq 600 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweise P [kW] \leq 300 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt P [kW] \leq 100 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt P [kW] \geq 35 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
Die Induktionsspulenanordnung kann mit einer Leistung P beaufschlagt sein, für die gilt: $5 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq P [kW] \leq 600 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweise 15 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq P [kW] \leq 125 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt 17,5 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq P [kW] \leq 90 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt 20 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq P [kW] \geq 30 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
Die Leistung P kann in Abhängigkeit eines Durchmessers der abzuschmelzenden Elektrode nach den vorstehenden Bedingungen eingestellt werden.
Die Induktionsspulenanordnung kann, insbesondere zum Abschmelzen einer Elektrode mit einem Durchmesser von 150 mm, mit einer Leistung P beaufschlagt sein, für die gilt: $P [kW] \geq 15 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweise P [kW] \geq 17,5 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt P [kW] \geq 20 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt P [kW] \geq 22,5 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
Die Induktionsspulenanordnung kann, insbesondere zum Abschmelzen einer Elektrode mit einem Durchmesser von 150 mm, mit einer Leistung P beaufschlagt sein, für die gilt: $P [kW] \leq 50 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweise P [kW] \leq 40 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt P [kW] \leq 35 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt P [kW] \leq 30 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
Die Induktionsspulenanordnung kann mit einer Leistung P von 400 kW oder weniger beaufschlagt sein, insbesondere 350 kW oder weniger, vorzugsweise 300 kW oder weniger.
Die genannten Leistungen P, mit denen die Induktionsspulenanordnung bzw. die Induktionsspule beaufschlagt sein kann bzw. betrieben werden kann, kann dazu beitragen, den Energieverbrauch und die Spannung der Vorrichtung zu optimieren und dabei die Balance mit der angemessenen Formfüllungszeit und der optimalen Überhitzung sicherzustellen.
Die Induktionsspulenanordnung kann dazu eingerichtet sein, den Schmelzstrahl in Abhängigkeit der Schmelzrate MFR derart zu überhitzen, dass für die Überhitzungstemperatur T_sup gilt: $T_{sup} [° C] \geq 5 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${vorzugsweise T}_{sup} [° C] \leq 45 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${bevorzugt T}_{sup} [° C] \geq 100 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${weiter bevorzugt T}_{sup} [° C] \geq 270 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
Die Induktionsspulenanordnung kann dazu eingerichtet sein, den Schmelzstrahl in Abhängigkeit der Schmelzrate MFR derart zu überhitzen, dass für die Überhitzungstemperatur T_sup gilt: $T_{sup} [° C] \leq 600 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${vorzugsweise T}_{sup} [° C] \leq 400 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${bevorzugt T}_{sup} [° C] \leq 250 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${weiter bevorzugt T}_{sup} [° C] \leq 100 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
Die Induktionsspulenanordnung kann dazu eingerichtet sein, den Schmelzstrahl in Abhängigkeit der Schmelzrate MFR derart zu überhitzen, dass für die Überhitzungstemperatur T_sup gilt: $5 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq T_{sup} [° C] \leq 600 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweise 7 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq T_{sup} [° C] \leq 400 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt 25 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq T_{sup} [° C] \leq 250 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt 10 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq T_{sup} [° C] \leq 100 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Die Überhitzungstemperatur T_sup kann in Abhängigkeit eines Durchmessers der abzuschmelzenden Elektrode nach den vorstehenden Bedingungen eingestellt werden.
Die Induktionsspulenanordnung kann dazu eingerichtet sein, insbesondere zum Abschmelzen einer Elektrode mit einem Durchmesser von 150 mm, den Schmelzstrahl in Abhängigkeit der Schmelzrate MFR derart zu überhitzen, dass für die Überhitzungstemperatur T_sup gilt: $T_{sup} [° C] \geq 5 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${vorzugsweise T}_{sup} [° C] \geq 6,5 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${bevorzugt T}_{sup} [° C] \geq 7,9 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Die Induktionsspulenanordnung kann dazu eingerichtet sein, den Schmelzstrahl um wenigstens 10 °C zu überhitzten, vorzugsweise um wenigstens 20 °C, bevorzugt um wenigstens 40 °C, weiter bevorzugt um wenigstens 60 °C, noch weiter bevorzugt um wenigstens 80 °C. Auch kann eine Überhitzung von über 100 °C erreicht werden.
Die Induktionsspulenanordnung kann dazu eingerichtet sein, insbesondere zum Abschmelzen einer Elektrode mit einem Durchmesser von 150 mm, den Schmelzstrahl in Abhängigkeit der Schmelzrate MFR derart zu überhitzen, dass für die Überhitzungstemperatur T_sup gilt: $T_{sup} [° C] \leq 25 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${vorzugsweise T}_{sup} [° C] \leq 20 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${bevorzugt T}_{sup} [° C] \leq 15 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
Die Überhitzung kann hier eine über die Zeit und das Volumen gemittelte Überhitzung des Schmelzstrahls sein.
Die Induktionsspulenanordnung kann dazu eingerichtet sein, den Schmelzstrahl um 250 °C oder weniger zu überhitzen, vorzugsweise 200 °C oder weniger, weiter bevorzugt 150 °C oder weniger. Die Überhitzung kann materialabhängig (bezogen auf die Elektrode) eingestellt werden.
Die genannte Überhitzung des Schmelzstrahls kann zu einer Optimierung der Balance zwischen dem Energieverbrauch und der Spannung der Vorrichtung, der angemessenen Formfüllungszeit und der optimalen Überhitzung sicherzustellen. Insbesondere kann die spezifizierte Überhitzung in Abhängigkeit der Schmelzrate ein Maß darstellen, mit dem die Qualität der Feingussbauteile weiter verbessert werden kann.
Die Induktionsspulenanordnung kann mit einer Spannung von 1200 V oder weniger, vorzugsweise 1000 V oder weniger beaufschlagt sein. Die Spannung kann mindestens 100 V, vorzugsweise mindestens 200 V, bevorzugt mindestens 450 V betragen. Durch die genannte Spannungsobergrenze von 1000 V die Anlage im Niederspannungsbereich betrieben werden. Auch kann bei einer solchen Spannung beispielsweise auf Isolierungen zwischen den Windungen der Induktionsspule verzichtet werden.
In alternativen Ausführungsformen sind jedoch auch höhere Spannungen zur Beaufschlagung der Induktionsspulenanordnung möglich. Insbesondere kann bei einem Betrieb der Anlage unter erhöhtem Druck eine höhere Spannung, beispielsweise von 1500 V oder mehr vorgesehen sein.
Die Induktionsspulenanordnung kann mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 300 kHz, vorzugsweise zwischen 50 kHz und 200 kHz, bevorzugt zwischen 75 kHz und 125 kHz beaufschlagt sein. Insbesondere kann eine Frequenz 100 kHz betragen.
Zumindest die Schmelzkammer kann mit einem Absolutdruck beaufschlagt sein, sodass der Schmelzstrahls unter diesem Absolutdruck erzeugt wird. Der Absolutdruck kann wenigstens 30 mbar, vorzugsweise wenigstens 1 bar, bevorzugt wenigstens 5 bar betragen. Der Absolutdruck kann weniger als 10 bar betragen. Der Absolutdruck kann zwischen 30 mbar und 10 bar betragen, vorzugsweise zwischen 1 bar und 10 bar. Insbesondere in einer solchen Ausführungsform kann die Induktionsspulenanordnung mit einer Spannung von 1000 V oder mehr, vorzugsweise 1200 V oder mehr, bevorzugt 1500 V oder mehr betrieben werden.Die Induktionsspulenanordnung kann wenigstens eine Induktionsspule mit vier seriellen Windungen oder weniger umfassen, vorzugsweise mit drei seriellen Windungen oder weniger, bevorzugt mit zwei seriellen Windungen oder weniger (also mit nur einer Windung).
Eine Induktionsspule mit vier Windungen kann auch als vierwindige Induktionsspule bezeichnet werden. Sie beschreibt hier eine Induktionsspule mit vier seriell verknüpften Windungen. Eine Induktionsspule mit drei Windungen kann auch als dreiwindige Induktionsspule bezeichnet werden. Sie beschreibt hier eine Induktionsspule mit drei seriell verknüpften Windungen. Eine Induktionsspule mit zwei Windungen kann auch als zweiwindige Induktionsspule bezeichnet werden. Sie beschreibt hier eine Induktionsspule mit zwei seriell verknüpften Windungen. Eine Induktionsspule mit einer Windung kann auch als einwindige Induktionsspule bezeichnet werden.
Die Induktionsspulenanordnung kann wenigstens eine Induktionsspule mit wenigstens zwei parallelen Windungen mit einer gemeinsamen Stromaufnahme umfassen. Vorzugsweise kann die Induktionsspulenanordnung eine Induktionsspule mit genau zwei parallelen Windungen mit einer gemeinsamen Stromaufnahme aufweisen. In diesem Fall umfasst die Induktionsspulenanordnung eine einwindige Induktionsspule mit zwei parallelen Windungen.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungen der Induktionsspule können demnach miteinander kombiniert werden. So kann die Induktionsspulenanordnung eine n x m-windige Induktionsspule umfassen, wobei m die Anzahl von seriellen Windungen der Induktionsspule angibt und n die Anzahl paralleler m-windiger Windungsanordnungen angibt. In einer Ausführungsform kann die Induktionsspulenanordnung eine 2x2-windige Induktionsspule umfassen, also eine Induktionsspule mit insgesamt vier Windungen, von denen zwei seriell miteinander verbundene Windungen parallel mit zwei anderen seriell miteinander verbundenen Windungen verbunden sind und eine gemeinsame Stromaufnahme mit diesen aufweisen. Insbesondere sind in einer solchen Anordnung die erste und die letzte, d.h. die oberste und die unterste bzw. die äußeren, Windung seriell miteinander verknüpft und sind die zweite und die dritte, d.h. die beiden dazwischen liegenden bzw. inneren, Windungen seriell miteinander verknüpft. Die beiden äußeren Windungen sind parallel mit den beiden inneren Windungen verknüpft. In einer Ausführungsform kann die Induktionsspulenanordnung eine 2x1-windige Induktionsspule umfassen, also eine Induktionsspule mit insgesamt zwei parallelen Einwindungen. In einer Ausführungsform kann die Induktionsspulenanordnung eine 1x2-windige Induktionsspule umfassen, mit anderen Worten eine zweiwindige Induktionsspule, also eine Induktionsspule mit insgesamt zwei seriellen Windungen.
Eine Induktionsspulenanordnung der vorstehend beschriebenen Art kann dazu beitragen, die angestrebte optimale Balance zwischen der Sicherstellung einer ausreichenden Überhitzung des Schmelzstrahls, dem Erreichen einer angemessenen Formfüllungszeit und einem in der Praxis vertretbaren Energieverbrauch zu erreichen. So kann eine Induktionsspulenanordnung der vorstehend beschriebenen Art, insbesondere eine 2x2-windige Induktionsspule, dazu beitragen, einen gleichmäßigen Leistungseintrag in die Elektrodenspitze einer Elektrode mit großen Elektrodendurchmesser (z.B. 150 mm oder mehr) zu gewährleisten, und gleichzeitig ein Überschreiten der Spannung einer Obergrenze von beispielsweise 1000 V zu vermeiden.
Die Verwendung einer Induktionsspule mit einer geringeren Anzahl an Windungen - verglichen mit einer Spule gleicher Dimension und einer größeren Anzahl an Windungen - ermöglicht die Erzeugung einer größeren Überhitzung bei einem Betrieb mit niedrigerer Spannung. Insbesondere kann hier beispielsweise eine zweiwindige (1x2-windige) Induktionsspule oder eine 2x2-windige Induktionsspule vorgesehenen sein.
Die Induktionsspulenanordnung kann eine erste Induktionsspule und wenigstens eine zweite Induktionsspule umfassen. Die beiden Induktionsspulen sind voneinander getrennt und haben jeweils eine eigene Stromaufnahme. Die erste Induktionsspule, die wenigstens zweite Induktionsspule oder die erste und die wenigstens zweite Induktionsspule können mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen ausgebildet sein. Die erste Induktionsspule kann mit einer Leistung P1, einer Frequenz f1 und einer Spannung U1 (vorzugsweise U1 ≤ 1000 V) beaufschlagt sein bzw. betrieben werden. Die wenigstens zweite Induktionsspule kann mit einer Leistung P2, einer Frequenz f2 und einer Spannung U2 (vorzugsweise U2 ≤ 1000 V) beaufschlagt sein bzw. betrieben werden.
In einer Ausführungsform können die erste Induktionsspule und die wenigstens zweite Induktionsspule derart angeordnet sein, dass beide Induktionsspulen dem Abschmelzen der Elektrode dienen. Hierzu können die beiden Induktionsspulen nebeneinander angeordnet und entlang eines gedachten Zylinders oder eines gedachten Kegels ausgerichtet sein. Mit anderen Worten können in einer Querschnittsansicht nebeneinander liegende Windungsquerschnitte beider Induktionsspulen entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sein. Die gemeinsame Achse im Wesentlichen parallel zu einer schrägen Fläche eines angeschmolzenen Endbereichs der Elektrode angeordnet sein. Beide Induktionsspulen können eine konische Gestalt haben. Die beiden Induktionsspulen können in ein weichmagnetisches Joch eingebettet sein, wodurch eine ungewünschte Spuleninteraktion verhindert wird. Mittels einer solchen Ausführungsform kann die erzeugte Schmelzrate erhöht werden, d.h. P1 + P2 führt zu einer Erhöhung der Schmelzrate MFR.
In einer Ausführungsform kann die erste Induktionsspule derart angeordnet sein, dass sie dem Abschmelzen der Elektrode dient, während die wenigstens zweite Induktionsspule der ersten Induktionsspule nachgelagert und derart angeordnet sein kann, dass sie einem Heizen des Schmelzstrahls dient. Hierzu kann/können die Windung/en der ersten Induktionsspule im Wesentlichen parallel zu einer schrägen Fläche eines angeschmolzenen Endbereichs der Elektrode angeordnet sein. Die erste Induktionsspule kann eine konische Gestalt haben. Die nachgelagerte wenigstens zweite Induktionsspule kann koaxial zu dem mittels der ersten Induktionsspule erzeugten Schmelzstrahl sein und eine zylindrische Gestalt aufweisen. Die wenigstens zweite Induktionsspule kann in ein weichmagnetisches Joch eingebettet sein. Mittels einer solchen Ausführungsform kann die Überhitzung des erzeugten Schmelzstrahls weiter erhöht werden, d.h. P2 dient einer Verstärkung der Überhitzung.
In einer Ausführungsform kann die erste Induktionsspule derart angeordnet sein, dass sie dem Abschmelzen der Elektrode dient, während die zweite Induktionsspule der ersten Induktionsspule vorgelagert und derart angeordnet sein kann, dass sie dem Vorheizen der abzuschmelzenden Elektrode dient. Hierzu kann/können die Windung/en der ersten Induktionsspule im Wesentlichen parallel zu einer schrägen Fläche eines angeschmolzenen Endbereichs der Elektrode angeordnet sein. Die erste Induktionsspule kann eine konische Gestalt haben. Die vorgelagerte wenigstens zweite Induktionsspule kann koaxial zu der Elektrode sein und eine zylindrische Gestalt aufweisen. Die wenigstens zweite Induktionsspule kann in ein weichmagnetisches Joch eingebettet sein. Mittels einer solchen Ausführungsform kann die Überhitzung des erzeugten Schmelzstrahls weiter erhöht werden, d.h. P2 dient einer Verstärkung der Überhitzung. Zudem kann auch die vorgelagerte zweite Induktionsspule zumindest geringfügig zur Erzeugung des Schmelzstrahls beitragen, sodass P1 + P2 zu einer Erhöhung der Schmelzrate MFR beitragen.
Die Induktionsspulenanordnung kann in einer Ausführungsform einen mittleren Spulendurchmesser von 50 mm oder mehr haben, vorzugsweise von 150 mm oder mehr. Insbesondere kann die Induktionsspulenanordnung derart ausgebildet sein, dass sie eine Elektrode mit einem Durchmesser von 50 mm oder mehr, vorzugsweise von 150 mm oder mehr, zumindest abschnittsweise aufnehmen kann. Das Verwenden einer Elektrode mit einem Durchmesser von 150 mm oder mehr kann dazu beitragen, dass ausreichend Material zum Füllen einer Feingussform bereitgestellt werden kann, da die Länge der Elektroden anlagenbedingt begrenzt sein kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System zum Herstellen eines Feingussbauteils, das eine Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art und die zumindest abschnittsweise darin aufgenommene Elektrode umfasst.
Die Elektrode kann eine gegossene Elektrode sein. Alternativ kann die Elektrode eine zusammengepresste Elektrode („compacted electrode“) aus einer Vielzahl an Partikeln bzw. Teilstücken sein. Die Partikel oder Teilstücke können von undefinierter Form sein, d.h. sie können unterschiedliche und nahezu beliebige Formen aufweisen. Eine solche Elektrode kann kostengünstiger in der Herstellung sein. Die Elektrode kann aus einer Metalllegierung bestehen oder eine Metalllegierung umfassen. Die Elektrode kann Titan oder eine Titanlegierung umfassen oder aus dieser bestehen, beispielsweise Ti64. Die Elektrode kann eine Nickel-Chrom-Legierung umfassen oder aus dieser bestehen, beispielsweise IN718. Es versteht sich, dass die Elektrode auch sonstige Metalle oder Metalllegierungen umfassen oder daraus bestehen kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Feingussbauteils, also ein Feingussverfahren. Das Verfahren umfasst die Schritte:

Bereitstellen einer Elektrode in einer Schmelzkammer;
zumindest abschnittsweises Einbringen der Elektrode in eine in der Schmelzkammer angeordneten Induktionsspulenanordnung;
Erzeugen eines keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahls mit einer Schmelzrate von wenigstens 2,5 kg/min durch Abschmelzen der Elektrode mittels der Induktionsspulenanordnung;
Bereitstellen einer Feingussform in einer der Schmelzkammer nachgelagerten und mit dieser verbundenen Gießkammer;
kontinuierliches Befüllen der Feingussform mit dem Schmelzstrahl.

Die Feingussform kann während des Herstellungsprozesses mittels eines Formenheizers der Gießkammer beheizt werden.
Die Feingussform kann während des kontinuierlichen Befüllens in eine der Schmelzkammer abgewandte Richtung mittels eines Formenabzugs abgezogen werden.
Bei dem Verfahren kann die Induktionsspulenanordnung mit einer Leistung P betrieben werden, für die gilt: $P [kW] \geq 5 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweise P [kW] \geq 15 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt P [kW] \geq 50 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt P [kW] \geq 125 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Bei dem Verfahren kann die Induktionsspulenanordnung mit einer Leistung P betrieben werden, für die gilt: $P [kW] \leq 600 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweise P [kW] \leq 300 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt P [kW] \leq 100 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt P [kW] \leq 35 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
Bei dem Verfahren kann die Induktionsspulenanordnung mit einer Leistung P betrieben werden, für die gilt: $5 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq P [kW] \leq 600 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweise 15 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq P [kW] \leq 125 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt 17,5 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq P [kW] \leq 90 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt 20 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq P [kW] \leq 30 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Die Leistung P kann in Abhängigkeit eines Durchmessers der abzuschmelzenden Elektrode nach den vorstehenden Bedingungen eingestellt werden.
Bei dem Verfahren kann die Induktionsspulenanordnung, insbesondere bei einer Verwendung einer Elektrode mit einem Durchmesser von 150 mm, mit einer Leistung P betrieben werden, für die gilt: $P [kW] \geq 15 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweise P [kW] \geq 17,5 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt P [kW] \geq 20 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt P [kW] \geq 22,5 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Bei dem Verfahren kann mittels der Induktionsspulenanordnung der Schmelzstrahl in Abhängigkeit der Schmelzrate MFR derart überhitzt werden, dass für die Überhitzungstemperatur T_sup gilt: $T_{sup} [° C] \geq 5 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${vorzugsweise T}_{sup} [° C] \geq 45 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${bevorzugt T}_{sup} [° C] \geq 00 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${weiter bevorzugt T}_{sup} [° C] \geq 270 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Bei dem Verfahren kann mittels der Induktionsspulenanordnung der Schmelzstrahl in Abhängigkeit der Schmelzrate MFR derart überhitzt werden, dass für die Überhitzungstemperatur T_sup gilt: $T_{sup} [° C] \leq 600 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${vorzugsweise T}_{sup} [° C] \leq 400 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${bevorzugt T}_{sup} [° C] \leq 250 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${weiter bevorzugt T}_{sup} [° C] \leq 100 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Bei dem Verfahren kann mittels der Induktionsspulenanordnung der Schmelzstrahl in Abhängigkeit der Schmelzrate MFR derart überhitzt werden, dass für die Überhitzungstemperatur T_sup gilt: $5 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq T_{sup} [° C] \leq 600 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweise 7 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq T_{sup} [° C] \leq 400 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt 25 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq T_{sup} [° C] \leq 250 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt 10 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR \leq T_{sup} [° C] \leq 100 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Die Überhitzungstemperatur T_sup kann in Abhängigkeit eines Durchmessers der abzuschmelzenden Elektrode nach den vorstehenden Bedingungen eingestellt werden.
Bei dem Verfahren kann mittels der Induktionsspulenanordnung der Schmelzstrahl in Abhängigkeit der Schmelzrate MFR, insbesondere zum Abschmelzen einer Elektrode mit einem Durchmesser von 150 mm, derart überhitzt werden, dass für die Überhitzungstemperatur T_sup gilt: $T_{sup} [° C] \geq 5 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${vorzugsweise T}_{sup} [° C] \geq 6,5 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${bevorzugt T}_{sup} [° C] \geq 7,9 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Der Schmelzstrahl kann mittels der Induktionsspulenanordnung um wenigstens 10 °C überhitzt werden, vorzugsweise um wenigstens 20 °C, bevorzugt um wenigstens 40 °C, weiter bevorzugt um wenigstens 60 °C, noch weiter bevorzugt um wenigstens 80 °C.
Die Induktionsspulenanordnung kann betrieben werden mit einer Spannung von 1200 V oder weniger, vorzugsweise 1000 V oder weniger. Die Induktionsspulenanordnung kann betrieben werden mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 300 kHz, vorzugsweise zwischen 50 kHz und 200 kHz, bevorzugt zwischen 75 kHz und 125 kHz.
Zumindest die Schmelzkammer kann mit einem Absolutdruck beaufschlagt werden, sodass der Schmelzstrahls unter diesem Absolutdruck erzeugt wird. Der Absolutdruck kann wenigstens 30 mbar, vorzugsweise wenigstens 1 bar, bevorzugt wenigstens 5 bar betragen. Der Absolutdruck kann weniger als 10 bar betragen. Der Absolutdruck kann zwischen 30 mbar und 10 bar betragen, vorzugsweise zwischen 1 bar und 10 bar.
Ein weiterer Aspekt betrifft die strukturelle Ausgestaltung der Induktionsspulenanordnung. Dieser Aspekt kann unabhängig von der beschriebenen Ausgestaltung der Gesamtvorrichtung sein und einen eigenen Gegenstand bilden. Die Induktionsspulenanordnung kann wenigstens eine Induktionsspule mit vier seriellen Windungen oder weniger umfassen, vorzugsweise mit drei seriellen Windungen oder weniger, bevorzugt mit zwei seriellen Windungen oder weniger (also mit nur einer Windung). Eine Induktionsspule mit vier Windungen kann auch als vierwindige Induktionsspule bezeichnet werden. Sie beschreibt hier eine Induktionsspule mit vier seriell verknüpften Windungen. Eine Induktionsspule mit drei Windungen kann auch als dreiwindige Induktionsspule bezeichnet werden. Sie beschreibt hier eine Induktionsspule mit drei seriell verknüpften Windungen. Eine Induktionsspule mit zwei Windungen kann auch als zweiwindige Induktionsspule bezeichnet werden. Sie beschreibt hier eine Induktionsspule mit zwei seriell verknüpften Windungen. Eine Induktionsspule mit einer Windung kann auch als einwindige Induktionsspule bezeichnet werden.
Die Induktionsspulenanordnung kann wenigstens eine Induktionsspule mit wenigstens zwei parallelen Windungen mit einer gemeinsamen Stromaufnahme umfassen. Vorzugsweise kann die Induktionsspulenanordnung eine Induktionsspule mit genau zwei parallelen Windungen mit einer gemeinsamen Stromaufnahme aufweisen. In diesem Fall umfasst die Induktionsspulenanordnung eine einwindige Induktionsspule mit zwei parallelen Windungen.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungen der Induktionsspule können demnach miteinander kombiniert werden. So kann die Induktionsspulenanordnung eine n x m-windige Induktionsspule umfassen, wobei m die Anzahl von seriellen Windungen der Induktionsspule angibt und n die Anzahl paralleler m-windiger Windungsanordnungen angibt. In einer Ausführungsform kann die Induktionsspulenanordnung eine 2x2-windige Induktionsspule umfassen, also eine Induktionsspule mit insgesamt vier Windungen, von denen zwei seriell miteinander verbundene Windungen parallel mit zwei anderen seriell miteinander verbundenen Windungen verbunden sind und eine gemeinsame Stromaufnahme mit diesen aufweisen. Insbesondere sind in einer solchen Anordnung die erste und die letzte, d.h. die oberste und die unterste bzw. die äußeren, Windung seriell miteinander verknüpft und sind die zweite und die dritte, d.h. die beiden dazwischen liegenden bzw. inneren, Windungen seriell miteinander verknüpft. Die beiden äußeren Windungen sind parallel mit den beiden inneren Windungen verknüpft. In einer Ausführungsform kann die Induktionsspulenanordnung eine 2x1-windige Induktionsspule umfassen, also eine Induktionsspule mit insgesamt zwei parallelen Einwindungen. In einer Ausführungsform kann die Induktionsspulenanordnung eine 1x2-windige Induktionsspule umfassen, mit anderen Worten eine zweiwindige Induktionsspule, also eine Induktionsspule mit insgesamt zwei seriellen Windungen.
Die Verwendung einer Induktionsspule mit einer geringeren Anzahl an Windungen - verglichen mit einer Spule gleicher Dimension und einer größeren Anzahl an Windungen - ermöglicht die Erzeugung einer größeren Überhitzung bei einem Betrieb mit niedrigerer Spannung. Insbesondere kann hier beispielsweise eine zweiwindige (1x2-windige) Induktionsspule oder eine 2x2-windige Induktionsspule vorgesehenen sein.
Obgleich einige Merkmale, Vorteile, Funktionen, Wirkweisen, Ausführungsformen und Weiterbildungen vorstehend nur in Bezug auf die Vorrichtung beschrieben wurden, können diese entsprechend auch für das Verfahren gelten und andersherum.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in Bezug auf die beiliegende schematische Figur näher erläutert. Es stellt dar:

1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2A eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Induktionsspule für die Vorrichtung aus 1;
2B eine schematische Schnittansicht der Induktionsspule aus 2A im Betrieb;
3 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Induktionsspulenanordnung im Betrieb;
4 eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Induktionsspulenanordnung im Betrieb;
5 eine schematische Darstellung einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Induktionsspulenanordnung im Betrieb;
6 ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Überhitzungstemperatur und Schmelzrate in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für unterschiedliche Elektrodenmaterialien;
7 ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Spannung und Schmelzrate in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für unterschiedliche Elektrodenmaterialien;
8 ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Leistung und Schmelzrate in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für unterschiedliche Elektrodenmaterialien;
9 ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Überhitzungstemperatur und Schmelzrate in erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit unterschiedlichen Induktionsspulenausführungen;
10 ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Spannung und Schmelzrate in erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit unterschiedlichen Induktionsspulenausführungen; und
11 ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Leistung und Schmelzrate in erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit unterschiedlichen Induktionsspulenausführungen.

Figurenbeschreibung
1 zeigt eine Vorrichtung bzw. Anlage 10 zum Herstellen von Feingussbauteilen. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Schmelzkammer 12 mit einer in der Schmelzkammer 12 montierten Induktionsspulenanordnung 14. Die Schmelzkammer 12 ist mit Vakuum beaufschlagt. Alternativ kann die Schmelzkammer 12 mit einer Inertgasatmosphäre beaufschlagt sein.
Oberhalb der Schmelzkammer 12, also dieser vorgelagert, ist ein Elektroden-Chargierer 16. Dieser umfasst eine Elektrode 18, die mittels des Elektroden-Chargierers 16 entlang ihrer Längsachse in Richtung der Induktionsspulenanordnung 14 verlagerbar und um ihre Längsachse rotierbar ist. Die Elektrode 18 ist hier in diesem Ausführungsbeispiel eine Elektrode aus einer Titanlegierung. Es versteht sich, dass auch Elektroden aus anderen Metallen oder Metalllegierungen vorgesehen sein können. Die Elektrode 18 wird bei einem Betrieb der Anlage zumindest abschnittsweise, genauer gesagt mit einem unteren Endabschnitt, in die Induktionsspulenanordnung 14 eingebracht.
Die Induktionsspulenanordnung 14 ist dazu eingerichtet, die Elektrode 18 abzuschmelzen, um einen keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahl (in 1 nicht gezeigt, siehe jedoch beispielsweise 2B) zu erzeugen. Durch ein Nachführen der Elektrode 18 sowie ein Rotieren der Elektrode 18 mittels des Elektroden-Chargierers 16 kann ein gleichmäßiges Abschmelzen der Elektrode 18 und ein Erzeugen eines im Wesentlichen ununterbrochenen, kontinuierlichen Schmelzstrahls sichergestellt werden.
Die Induktionsspulenanordnung 14 ist so betrieben bzw. gesteuert, dass sie die Elektrode 18 abschmilzt und einen kontinuierlichen Schmelzstrahl mit einer Schmelzrate MFR von wenigstens 2,5 kg/min erzeugt, insbesondere zwischen 2,5 kg/min und 10 kg/min.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine der Schmelzkammer 12 nachgelagerte, d.h. unterhalb dieser angeordnete, Gießkammer 20, die mit der Schmelzkammer 12 druckdicht verbunden ist. Die Gießkammer 20 ist dafür vorgesehen, eine Feingussform (hier nicht gezeigt) aufzunehmen, die im Betrieb mit dem Schmelzstrahl befüllt wird. Die Feingussform kann eine beliebige Gestalt aufweisen, abhängig von dem herzustellenden Feingussteil. Insbesondere kann die Feingussform eine Keramikform sein.
Die Gießkammer 20 umfasst einen Formenheizer 22. Der Formenheizer 22 dient dazu, eine in der Gießkammer 20 bereitgestellte Feingussform vor Beginn des Schmelzprozesses bzw. einer Schmelzsequenz aufzuheizen. Zudem kann der Formenheizer 22 dazu verwendet werden, die Feingussform während des Schmelzens und Befüllens weiter zu heizen. Hierdurch kann verhindert werden, dass die Schmelze zu früh und bei Kontakt mit der Wand der Feingussform erstarrt, was die Qualität des Feingussbauteils negativ beeinflussen würde.
Unterhalb der Gießkammer 20 ist eine Ein-/Ausschleuskammer 24 der Vorrichtung 10 ausgebildet, die mit der Gießkammer 20 verbunden ist. Die Ein-/Ausschleuskammer 24 dient dem Einbringen der Feingussform und dem Entnehmen des gegossenen Feingussteils.
In der Ein-/Ausschleuskammer 24 ist ein Formenabzug 26 ausgebildet, mittels dessen die Feingussform in eine der Schmelzkammer 12 abgewandte Richtung abziehbar ist.
Des Weiteren ist in 1 eine an der Vorrichtung 10 ausgebildete Wartungsbühne 28 sowie eine an der Vorrichtung 10 ausgebildete Bedienbühne 29 dargestellt.
Die 2A und 2B zeigen eine Ausführungsform einer Induktionsspule 30 der Induktionsspulenanordnung 14 aus 1. Wie in der perspektivischen Ansicht von 2A zu erkennen ist, ist die Induktionsspule 30 in dieser Ausführungsform als eine 2x2-windige Induktionsspule ausgebildet. Das heißt, dass die Induktionsspule 30 zwei parallele zweiwindige Windungsanordnungen umfasst. Die Windungen 32 bis 38 haben eine gemeinsame Stromaufnahme (nicht gezeigt). Der Stromfluss durch die Induktionsspule 30, genauer gesagt dessen gleichmäßige Aufteilung aufgrund der Parallelschaltung, ist in 2A durch die Linien 40 und 42 dargestellt. Auch ist die gleichmäßige Aufteilung des Stroms in 2B durch die unterschiedlichen Muster der Querschnitte der Windungen 32 bis 38 kenntlich gemacht. Wie aus den 2A und 2B zu erkennen ist, sind die Windungen 32 und 38 seriell miteinander verbunden und parallel zu den Windungen 34 und 36 geschaltet, welche (also die Windungen 34 und 36) wiederrum seriell miteinander verbunden sind.
Durch die in den 2A und 2B gezeigte 2x2-windige Spulenkonfiguration kann ein gleichmäßiger Leistungseintrag in die abzuschmelzende Elektrode 18 erreicht werden. Es versteht sich, dass in anderen Ausführungsformen der Erfindung andere Spulenkonfigurationen vorgesehen sein können. Insbesondere können zweiwindige, dreiwindige oder vierwindige Spulenkonfigurationen ohne parallele Windungen vorgesehen sein. Alternativ können einwindige Spulenkonfigurationen mit oder ohne Parallelschaltung von Windungen vorgesehen sein (eine Induktionsspule mit zwei oder mehr parallelen einwindigen Windungsanordnungen kann hier dennoch als einwindige Spule bezeichnet werden).
2B zeigt zusätzlich zu der Spulenkonfiguration auch die abschnittsweise in die Induktionsspule 30 eingebrachte Elektrode 18, die an einem unteren Ende mittels der Induktionsspule 30 abgeschmolzen wird, wodurch ein kontinuierlicher Schmelzstrahl 40 erzeugt wird.
Unterschiedliche Induktionsspulenanordnungen 114, 214 und 314 sind in den 3 bis 5 gezeigt. Jede dieser Induktionsspulenanordnungen 114, 214, 314 umfasst in den gezeigten Ausführungsformen zusätzlich zur Induktionsspule 30 eine weitere Induktionsspule 50, die in den 3 bis 5 nur schematisch angedeutet sind. Sie können jeweils ein- oder mehrwindig sein und dieselbe oder eine voneinander unterschiedliche Anzahl an Windungen aufweisen. Die beiden Induktionsspulen 30, 50 sind in den gezeigten Induktionsspulenanordnungen 114, 214, 314 separat voneinander ausgebildet und gesteuert. Sie haben jeweils eine eigene Stromversorgung. Die Induktionsspule 30 wird in den gezeigten Ausführungsformen mit einer Leistung P1, einer Frequenz f1 und einer Spannung U1 betrieben (hier z.B. U1 ≤ 1000 V, P1 ≤ 500 kW, f1 ≤ 350 kHz). Die zweite Induktionsspule 50 wird mit einer Leistung P2, einer Frequenz f2 und einer Spannung U2 betrieben (hier z.B. U2 ≤ 1000 V, P2 ≤ 500 kW, f2 ≤ 350 kHz kHz).
In der in 3 dargestellten Ausführungsform sind beide Induktionsspulen 30 ,50 so angeordnet, dass sie beide dem Abschmelzen der Elektrode 18 dienen. Die Induktionsspulen 30, 50 sind nebeneinander angeordnet. In der gezeigten Querschnittsansicht sind die nebeneinander liegenden Windungsquerschnitte beider Induktionsspulen im Wesentlichen parallel zu einer schrägen Fläche des angeschmolzenen Endbereichs der Elektrode 18 angeordnet. Beide Induktionsspulen 30, 50 haben in 3 eine konische Gestalt. Die beiden Induktionsspulen 30, 50 sind hier in ein weichmagnetisches Joch 52 eingebettet, wodurch eine ungewünschte Spuleninteraktion verhindert wird. Mittels einer solchen Ausführungsform kann die erzeugte Schmelzrate MFR mittels der Erhöhung der Leistungen P1 und P2 der beiden Induktionsspulen 30, 50 erhöht werden.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist die erste Induktionsspule 30 so angeordnet sein, dass sie zum Abschmelzen der Elektrode 18 dient. Die zweite Induktionsspule 50 ist der ersten Induktionsspule nachgelagert und so angeordnet, dass sie einem Heizen des bereits aufgeschmolzenen Schmelzstrahls 40 dient. Die Windung/en der ersten Induktionsspule 30 sind im Wesentlichen parallel zu der schrägen Fläche des angeschmolzenen Endbereichs der Elektrode 18 angeordnet. Die erste Induktionsspule 30 hat eine konische Gestalt. Die nachgelagerte zweite Induktionsspule 50 hat eine zylindrische Gestalt und umschließt den Schmelzstrahl 40 abschnittsweise. Die zweite Induktionsspule 50 ist in ein weichmagnetisches Joch 52 eingebettet sein. Mittels einer solchen Ausführungsform kann die Überhitzung des erzeugten Schmelzstrahls weiter erhöht werden, indem die Leistung P2 der zweiten Induktionsspule 50 erhöht wird.
In der in 5 dargestellten Ausführungsform ist die erste Induktionsspule 30 so angeordnet, dass sie dem Abschmelzen der Elektrode 18 dient. Die zweite Induktionsspule 50 ist der ersten Induktionsspule 30 vorgelagert und so angeordnet, dass sie dem Vorheizen der abzuschmelzenden Elektrode 18 dient. Hierzu sind die Windung/en der ersten Induktionsspule 30 im Wesentlichen parallel zu der schrägen Fläche des angeschmolzenen Endbereichs der Elektrode 18 angeordnet. Die erste Induktionsspule 30 hat auch hier eine konische Gestalt. Die vorgelagerte zweite Induktionsspule 50 hat eine zylindrische Gestalt und umschließt die Elektrode 18 abschnittsweise, genauer gesagt einen noch nicht angeschmolzenen Teil der Elektrode 18. Die zweite Induktionsspule 50 ist in ein weichmagnetisches Joch 52 eingebettet. Mittels einer solchen Ausführungsform kann die Überhitzung des erzeugten Schmelzstrahls weiter erhöht werden, indem die Leistung P2 der zweiten Induktionsspule 50 erhöht wird. Zudem kann auch die vorgelagerte zweite Induktionsspule 50 zumindest geringfügig zur Erzeugung des Schmelzstrahls beitragen, sodass eine Erhöhung von P1 und P2 zu einer Erhöhung der Schmelzrate MFR beitragen kann.
6 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines ermittelten Zusammenhangs zwischen der Überhitzungstemperatur T_sup [°C] des Schmelzstrahls und der Schmelzrate MFR [kg/min] in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 mit einer zweiwindigen Induktionsspule. Die Linie A1 zeigt den Zusammenhang für eine Elektrode 18 aus Ti64. Die Linie A2 zeigt den Zusammenhang für eine Elektrode 18 aus IN718. Wie zu erkennen ist, kann bei einer Schmelzrate von wenigstens 2,5 kg/min eine ausreichende Überhitzung erreicht werden.
7 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines ermittelten Zusammenhangs zwischen der Spannung U [V] mit der die Induktionsspule betrieben wird und der Schmelzrate MFR [kg/min] in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 mit einer zweiwindigen Induktionsspule. Die Linie B1 zeigt den Zusammenhang für eine Elektrode 18 aus Ti64. Die Linie B2 zeigt den Zusammenhang für eine Elektrode 18 aus IN718.
8 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines ermittelten Zusammenhangs zwischen der Leistung P [kW] mit der die Induktionsspule betrieben wird und der Schmelzrate MFR [kg/min] in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 mit einer zweiwindigen Induktionsspule. Die Linie C1 zeigt den Zusammenhang für eine Elektrode 18 aus Ti64. Die Linie C2 zeigt den Zusammenhang für eine Elektrode 18 aus IN718.
9 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines ermittelten Zusammenhangs zwischen der Überhitzungstemperatur T_sup [°C] des Schmelzstrahls und der Schmelzrate MFR [kg/min] in erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10 mit unterschiedlichen Induktionsspulenausführungen. Genauer gesagt wird der Zusammenhang hier gezeigt für Induktionsspulenausführungen mit unterschiedlichen Windungsanzahlen. Die Linie D1 zeigt den Zusammenhang für eine zweiwindige Induktionsspule zum Erzeugen des Schmelzstrahls (ohne parallelgeschaltete Windungen). Die Linie D2 zeigt den Zusammenhang für eine dreiwindige Induktionsspule zum Erzeugen des Schmelzstrahls (ohne parallelgeschaltete Windungen). Die Linie D3 zeigt den Zusammenhang für eine vierwindige Induktionsspule zum Erzeugen des Schmelzstrahls (ohne parallelgeschaltete Windungen).Wie zu erkennen ist, kann mittels einer geringeren Windungsanzahl der Induktionsspule eine größere Überhitzung T_sup bei gleicher Schmelzrate MFR erreicht werden.
10 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines ermittelten Zusammenhangs zwischen der Spannung U [V] mit der die Induktionsspule betrieben wird und der Schmelzrate MFR [kg/min] in erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10 mit unterschiedlichen Induktionsspulenausführungen. Genauer gesagt wird der Zusammenhang hier gezeigt für Induktionsspulenausführungen mit unterschiedlichen Windungsanzahlen. Die Linie E1 zeigt den Zusammenhang für eine zweiwindige Induktionsspule zum Erzeugen des Schmelzstrahls (ohne parallelgeschaltete Windungen). Die Linie E2 zeigt den Zusammenhang für eine dreiwindige Induktionsspule zum Erzeugen des Schmelzstrahls (ohne parallelgeschaltete Windungen). Die Linie E3 zeigt den Zusammenhang für eine vierwindige Induktionsspule zum Erzeugen des Schmelzstrahls (ohne parallelgeschaltete Windungen).Wie zu erkennen ist, ist bei einer geringeren Windungsanzahl der Induktionsspule eine geringere Spannung U erforderlich, um die gleiche Schmelzrate MFR zu erzeugen.
11 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines ermittelten Zusammenhangs zwischen der Leistung P [kW] mit der die Induktionsspule betrieben wird und der Schmelzrate MFR [kg/min] in erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10 mit unterschiedlichen Induktionsspulenausführungen. Genauer gesagt wird der Zusammenhang hier gezeigt für Induktionsspulenausführungen mit unterschiedlichen Windungsanzahlen. Die Linie F1 zeigt den Zusammenhang für eine zweiwindige Induktionsspule zum Erzeugen des Schmelzstrahls (ohne parallelgeschaltete Windungen). Die Linie F2 zeigt den Zusammenhang für eine dreiwindige Induktionsspule zum Erzeugen des Schmelzstrahls (ohne parallelgeschaltete Windungen). Die Linie F3 zeigt den Zusammenhang für eine vierwindige Induktionsspule zum Erzeugen des Schmelzstrahls (ohne parallelgeschaltete Windungen). Wie zu erkennen ist, hat die unterschiedliche Windungsanzahl der Induktionsspule keine wesentliche Auswirkung auf die erforderliche Leistung P, die zum Erzeugen einer bestimmten Schmelzrate MFR einzubringen ist.
Die Diagramme der 9 bis 11 beziehen sich auf eine verwendete Elektrode aus IN718 mit einem Elektrodendurchmesser von 150 mm.
Die für die 6 bis 11 eingestellte Frequenz der Induktionsspule beträgt 100 kHz.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Schmelzkammer
14, 114, 214, 314: Induktionsspulenanordnungen
16: Elektroden-Chargierer
18: Elektrode
20: Gießkammer
22: Formenheizer
24: Ein-/Ausschleußkammer
26: Formenabzug
28: Wartungsbühne
29: Bedienbühne
30: Induktionsspule
32, 34, 36, 38: Windungen
40, 42: Schmelzstrahl
50: zweite Induktionsspule
52: weichmagnetisches Joch

Claims

Vorrichtung (10) zum Herstellen eines Feingussbauteils, umfassend eine Schmelzkammer (12) mit einer in der Schmelzkammer (12) angeordneten Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314), die dazu ausgebildet ist, eine zumindest abschnittsweise darin aufgenommene Elektrode (18) abzuschmelzen, um einen keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahl (40) mit einer Schmelzrate MFR von wenigstens 2,5 kg/min zu erzeugen, eine der Schmelzkammer (12) nachgelagerte und mit dieser verbundene Gießkammer (20) mit einer darin aufgenommenen oder aufnehmbaren Feingussform zur Befüllung mittels des keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahls (40).
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Gießkammer (20) einen Formenheizer (22) umfasst, der dazu ausgebildet ist, die Feingussform zu beheizen.
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314) mit einer Leistung P beaufschlagt ist, für die gilt: $P [kW] \geq 5 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweise P [kW] \geq 15 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt P [kW] \geq 50 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt P [kW] \geq 125 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314) dazu eingerichtet ist, den Schmelzstrahl (40) in Abhängigkeit der Schmelzrate MFR derart zu überhitzen, dass für die Überhitzungstemperatur T_sup gilt: $T_{sup} [° C] \geq 5 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${vorzugsweise T}_{sup} [° C] \geq 45 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${bevorzugt T}_{sup} [° C] \geq 100 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${weiter bevorzugt T}_{sup} [° C] \geq 270 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314) beaufschlagt ist mit einer Spannung von 1200 V oder weniger, vorzugsweise 1000 V oder weniger, bei einer Frequenz zwischen 10 kHz und 300 kHz, vorzugsweise zwischen 50 kHz und 200 kHz, bevorzugt zwischen 75 kHz und 125 kHz.
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314) wenigstens eine Induktionsspule (30, 50) mit vier Windungen oder weniger umfasst, vorzugsweise mit drei Windungen oder weniger, bevorzugt mit zwei Windungen oder weniger.
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314) wenigstens eine Induktionsspule (30, 50) mit zwei parallelen Windungen mit einer gemeinsamen Stromaufnahme umfasst.
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314) eine erste Induktionsspule (30) und wenigstens eine zweite Induktionsspule (50) umfasst, wobei vorzugsweise die erste Induktionsspule (30) und die zweite Induktionsspule (50) derart angeordnet sind, dass beide Induktionsspulen dem Abschmelzen der Elektrode (18) dienen; oder die erste Induktionsspule (30) derart angeordnet ist, dass sie dem Abschmelzen der Elektrode (18) dient, und die zweite Induktionsspule (50) der ersten Induktionsspule (30) nachgelagert und derart angeordnet ist, dass sie einem Heizen des Schmelzstrahls (40) dient; oder die erste Induktionsspule (30) derart angeordnet ist, dass sie dem Abschmelzen der Elektrode (18) dient, und die zweite Induktionsspule (50) der ersten Induktionsspule (30) vorgelagert und derart angeordnet ist, dass sie dem Vorheizen der abzuschmelzenden Elektrode (18) dient.
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314) einen mittleren Spulendurchmesser von 50 mm oder mehr hat.
Verfahren zum Herstellen eines Feingussbauteils, das die Schritte umfasst Bereitstellen einer Elektrode (18) in einer Schmelzkammer (12); zumindest abschnittsweises Einbringen der Elektrode (18) in eine in der Schmelzkammer (12) angeordneten Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314); Erzeugen eines keramikfreien, kontinuierlichen Schmelzstrahls (40) mit einer Schmelzrate von wenigstens 2,5 kg/min durch Abschmelzen der Elektrode (18) mittels der Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314); Bereitstellen einer Feingussform in einer der Schmelzkammer (12) nachgelagerten und mit dieser verbundenen Gießkammer (20); kontinuierliches Befüllen der Feingussform mit dem Schmelzstrahl (40).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314) mit einer Leistung P betrieben wird, für die gilt: $P [kW] \geq 5 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$vorzugsweise P [kW] \geq 15 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$bevorzugt P [kW] \geq 50 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
$weiter bevorzugt P [kW] \geq 125 [k W \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei mittels der Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314) der Schmelzstrahl (40) in Abhängigkeit der Schmelzrate MFR derart überhitzt wird, dass für die Überhitzungstemperatur T_sup gilt: $T_{sup} [° C] \geq 5 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${vorzugsweise T}_{sup} [° C] \geq 45 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${bevorzugt T}_{sup} [° C] \geq 100 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR,$
${bevorzugt T}_{sup} [° C] \geq 270 [° C \cdot \frac{m i n}{k g}] \cdot MFR .$
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Schmelzstrahl (40) mittels der Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314) um wenigstens 10 °C überhitzt wird, vorzugsweise um wenigstens 20 °C, bevorzugt um wenigstens 40 °C, weiter bevorzugt um wenigstens 60 °C, noch weiter bevorzugt um wenigstens 80 °C.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Induktionsspulenanordnung (14, 114, 214, 314) betrieben wird mit einer Spannung von 1200 V oder weniger, vorzugsweise 1000 V oder weniger, bei einer Frequenz zwischen 10 kHz und 300 kHz, vorzugsweise zwischen 50 kHz und 200 kHz, bevorzugt zwischen 75 kHz und 125 kHz.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei zumindest die Schmelzkammer (12) mit einem Absolutdruck von wenigstens 30 mbar, vorzugsweise wenigstens 1 bar, bevorzugt wenigstens 5 bar, und weiter bevorzugt weniger als 10 bar, beaufschlagt wird, sodass der Schmelzstrahls (40) unter diesem Absolutdruck erzeugt wird.