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Die Erfindung betrifft ein Gießverfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Gießvorrichtung, die insbesondere zur Durchführung des Gießverfahrens eingerichtet ist.
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Gießen bildet ein Urformverfahren, bei dem aus einem formlosen, insbesondere flüssigen, Ausgangsstoff - bei Metallguss üblicherweise eine Metallschmelze - ein Formkörper erzeugt wird. Je nach eingesetztem Verfahren sind dabei grobe bis vergleichsweise feine Strukturen abbildbar. So kann beim Gießen mit Sandformen ein eher grober Formkörper mit vergleichsweise schlechter Oberflächengüte erstellt werden, der zumindest im Bereich von Funktionsflächen eine häufig entsprechend aufwendige - typischerweise spanende - Nachbehandlung erfordert. Bei dauerhaften Formen kann die Genauigkeit meist gesteigert werden, so dass ein geringerer Nachbearbeitungsaufwand erforderlich ist. Vergleichsweise genaue Formkörper können mit sogenannten Druckgießverfahren hergestellt werden. Bei diesen ist keine oder nur eine geringe spanende Nachbehandlung erforderlich, die meist nur an Kontaktflächen erfolgt.
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Gießverfahren haben meist das Problem der Schwindung, denn es erfolgt ein Phasenübergang von flüssig zu fest, der insbesondere beim Erstarren einer Schmelze mit vergleichsweise großen Volumenänderungen (insbesondere aufgrund von Kristallisationsprozessen) einhergeht. Beim „Schwerkraftgießen“ werden deshalb meist sogenannte „Steiger“ in den Gießwerkzeugen eingesetzt. Diese nehmen einerseits überschüssige Schmelze auf, ermöglichen dabei als eine Art Entlüftungskanal eine vollständige Füllung der Werkzeugkavität (der „Formhohlraum“) und halten flüssige Schmelze vor, um Schwindungsvorgänge innerhalb der Kavität ausgleichen zu können. Wird kein Nachfließen von Schmelze während der Erstarrung ermöglicht, kommt es meist zu sogenannten Lunkern - blasenartige Hohlräume im Bauteil (Formkörper). Bei Druckgießverfahren kann die Nachführung von Schmelze durch eine auch aus dem Kunststoffspritzgießen bekannte Nachdruckphase erfolgen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung bei der gießtechnischen Herstellung von Formkörpern zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gießverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Gießvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Das erfindungsgemäße Gießverfahren dient zur Herstellung eines metallischen Bauteils. Dabei wird verfahrensgemäß eine Metallschmelze in einem Schmelzeraum (auch: Schmelzekammer) bereitgestellt. Eine Dosierkammer, die einer Werkzeugkavität (auch: „Formhohlraum“; oder nachfolgend kurz: „Kavität“) fluidführungstechnisch vorgeschaltet und dem Schmelzeraum nachgeschaltet ist, wird gegenüber dem Schmelzeraum (insbesondere aktiv, d. h. unter Nutzung zusätzlicher Mittel, bspw. einer (Vakuum-) Pumpe) unter Unterdruck gesetzt. Unter Wirkung dieses Unterdrucks wird dann in die Dosierkammer zumindest ein Teil der Metallschmelze eingeleitet. Danach - d. h. insbesondere nach dem Einleiten der Metallschmelze in die Dosierkammer - wird die Dosierkammer (insbesondere aktiv, d. h. unter Nutzung zusätzlicher Mittel) mit einem Überdruck beaufschlagt, wodurch die Metallschmelze die Werkzeugkavität füllt. Außerdem erfolgt eine Druckvermittlung des Überdrucks auf die Metallschmelze innerhalb der Dosierkammer ausschließlich durch die Gasatmosphäre in der Dosierkammer.
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Verfahrensgemäß werden also (insbesondere bewusst oder gezielt eingestellte) Druckunterschiede zwischen Schmelzeraum und Dosierkammer sowie vorzugsweise auch zwischen Dosierkammer und Kavität genutzt, um Metallschmelze der Dosierkammer zuzuführen und anschließend die Formfüllung einzuleiten. Dadurch wird ermöglicht, einen Kontakt der Metallschmelze mit Mechanismen zur Schmelzeförderung und/oder -dosierung (bspw. Ventile, Dosierkolben, Förderschnecken oder dergleichen) zu vermeiden. Vorzugsweise kommen auch keine derartigen, herkömmlichen Mechanismen zum Einsatz. Der Schmelzetransport erfolgt insbesondere aufgrund von hydrostatischen und/oder hydromechanischen Vorgängen. Aufgrund der Druckvermittlung des Überdrucks durch die Gasatmosphäre kommt die Metallschmelze vorteilhafterweise nicht mit einem Druckerzeugungsmittel, bspw. einem Kolben oder dergleichen, in Kontakt, so dass unerwünschte Effekte, z. B. eine Kontamination, eine unerwünschte Abkühlung aufgrund des Kontakts und dergleichen, vermieden werden kann.
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Vorzugsweise wird bei der Erzeugung des Unterdrucks in der Dosierkammer auch die Kavität unter Unterdruck gesetzt, aufgrund der fluidischen Verbindung mit der Dosierkammer vorzugsweise auf den gleichen Druckwert. Beispielsweise wird in der Dosierkammer dabei ein, insbesondere absoluter, Druckwert von etwa 0,05 bar oder weniger erzeugt.
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In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Dosierkammer für die Überdruckbeaufschlagung (und somit für die Druckvermittlung) zumindest zu wesentlichen Teilen mit einem - vorzugsweise inerten - Prozessgas - bspw. einem Reingas oder einer Mischung mehrerer zumindest zumeist inerter Gase - gefüllt. „Zu wesentlichen Teilen“ wird hier und im Folgenden insbesondere derart verstanden, dass die Dosierkammer vollständig oder wenigstens zu mehr als 80, 90 oder vorzugsweise 95 Prozent, insbesondere abhängig vom Ausgangsdruck und/oder einer Reinheit des inerten Prozessgases, mit dem Prozessgas gefüllt wird. Optional kann dabei also ein hinsichtlich metallurgischer Gesichtspunkte vernachlässigbarer Anteil von Restatmosphäre in der Dosierkammer vorliegen.
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In einer zweckmäßigen Verfahrensvariante erfolgt die Einleitung der Metallschmelze in die Dosierkammer durch ein Steigrohr hindurch. Dessen schmelzeraumseitiges Ende verbleibt dabei vorzugsweise stets unterhalb einer sich üblicherweise auf der Metallschmelze ausbildenden Oxidhaut. Dadurch kann eine Kontamination der Metallschmelze mit dem Oxid (oder womöglich auch einer Schlacke) vermieden werden. Die Einleitung durch das Steigrohr beruht dabei vorzugsweise auf hydrostatischen Prinzipien, insbesondere auf dem Druckunterschied zwischen Schmelzeraum und Dosierkammer.
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In einer weiteren zweckmäßigen Verfahrensvariante wird eine in die Dosierkammer eingeleitete Menge der Metallschmelze erfasst und dosiert. Vorzugsweise wird dabei auf eine geeignete Sensorik für die Erfassung des Volumen- oder Massestroms der Metallschmelze - insbesondere durch das Steigrohr - sowie zur Dosierung auf die Ansteuerung von Ventilen (zumindest von wenigstens einem Ventil) zurückgegriffen. Anders ausgedrückt kommt eine solche Sensorik (bspw. ein Massenstromsensor, ein Durchflusssensor, ein Füllstandssensor im Schmelzeraum oder in der Dosierkammer oder dergleichen) sowie ein solches Ventil zum Einsatz.
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Insbesondere wird die eingeleitete Menge der Metallschmelze durch Belüftung der Dosierkammer, vorzugsweise auf einer der Kavität fluidführungstechnisch abgewandten Seite und/oder insbesondere mit dem (optional inerten) Prozessgas, dosiert. Wird der Druckwert in der Dosierkammer an den Druckwert, der auf die Metallschmelze in dem Schmelzeraum wirkt, angeglichen, bricht der Schmelzestrom durch das Steigrohr zusammen. Insbesondere wird die Dosierkammer hierzu auf einen Umgebungsdruckwert belüftet (d. h. mit dem Prozessgas geflutet) oder vorzugsweise mit einem gegenüber dem Umgebungsdruckwert erhöhten Druckwert, bspw. auf 10 bar, beaufschlagt.
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In einer zweckmäßigen Verfahrensvariante wird - alternativ zum oder auch vor oder nach dem Belüften der Dosierkammer - ein im Steigrohr angeordnetes Ventil zum Ende der Einleitung der Metallschmelze geschlossen. Dies dient optional zur Dosierung, vorzugsweise aber als Rückfluss-Sicherung nach dem Belüften der Dosierkammer, so dass unter der Wirkung des nachfolgend aufgebrachten Überdrucks keine Metallschmelze aus der Dosierkammer zurück in den Schmelzeraum fließen kann. Des Weiteren kann dadurch aber auch verhindert werden, dass ein erhöhter Druckwert infolge der Belüftung und/oder Druckbeaufschlagung der Dosierkammer zu einer Beschädigung von Teilen des Steigrohrs und/oder des Schmelzeraums führt.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird das vorstehend beschriebene, im Steigrohr angeordnete Ventil derart angesteuert, dass nachdem dieses Ventil geschlossen ist, zwischen diesem Ventil und der im Steigrohr befindlichen Schmelze ein Unterdruck verbleibt. Dieser Unterdruck verhindert ein Zurückfließen dieser restlichen Schmelze in den Schmelzeraum und somit unnötige Turbulenzen in der (im Schmelzeraum vorgehaltenen) Metallschmelze und verringert damit die Gefahr von Lufteinschlüssen.
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Vorzugsweise wird bei der Überdruckbeaufschlagung die Dosierkammer (insbesondere ebenfalls auf der der Kavität abgewandten Seite) mit einem Druckwert („Nachdruckwert“) von wenigstens ca. 200 bar (ca. im Sinn von +/- 10%) beaufschlagt.
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In einer weiteren zweckmäßigen Verfahrensvariante wird zur Überdruckbeaufschlagung die in der Dosierkammer befindliche Atmosphäre, insbesondere das eingefüllte Prozessgas, mittels eines Kolbens auf den Nachdruckwert komprimiert. Insbesondere ist dieser Kolben in einem Zylinder angeordnet, der pneumatisch mit der Dosierkammer verbunden ist, optional mit vollem Querschnitt an diese angebunden, um ein strahlartiges Einströmen von Prozessgas in die Dosierkammer zu vermeiden. Vorzugsweise wird nach dem Dosieren der Metallschmelze und vor der Überdruckbeaufschlagung eine vorgegebene Zeit abgewartet, damit sich die Metallschmelze beruhigen kann. Dies dient bspw. dazu, eventuell beim Durch- oder Ausströmen aus dem Steigrohr aufgenommene Luftblasen wieder aus der Metallschmelze entweichen zu lassen.
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Optional wird - insbesondere vor der Kompression mittels des Kolbens - das Prozessgas bereits auf einen vorgegebenen, verhältnismäßig kleinen, aber oberhalb eines Umgebungsdruckwerts liegenden, Druckwert in die Dosierkammer eingeleitet. Beispielsweise wird beim Einleiten des Prozessgases bereits ein Druckwert von etwa 2 bis 10 bar in der Dosierkammer eingestellt. Anders ausgedrückt wird so viel Prozessgas eingeleitet, bis der entsprechend gewählte Druckwert erreicht ist. Da dieser Druckwert höher liegt, als der Druckwert, der als Unterdruckwert in der Dosierkammer und somit auch der Kavität eingestellt wird, erfolgt optional bereits bei diesem Vorkompressionsdruckwert zumindest eine teilweise Füllung der Kavität mit der Metallschmelze.
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In einer vorteilhaften Verfahrensvariante wird der Überdruck in der Dosierkammer während der Füllung der Werkzeugkavität, sowie vorzugsweise auch während der Erstarrung der Metallschmelze, auf den Nachdruckwert geregelt. Ein Nachfließen von Metallschmelze aus der Dosierkammer in die Kavität aufgrund von Schwindung der in der Kavität abkühlenden Metallschmelze, wird somit effektiv unterstützt.
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Die Formfüllung erfolgt in den vorstehenden Verfahrensvarianten somit insbesondere mittelbar durch die Verdichtung des (optional inerten) Prozessgases.
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In einer optionalen Verfahrensvariante wird die Metallschmelze in dem Schmelzeraum erschmolzen. D. h. in den Schmelzeraum wird massives Metall eingefüllt und unter Wirkung von Temperatur verflüssigt. Bspw. wird hierfür eine Induktionsheizung eingesetzt. Alternativ wird bereits erschmolzene Metallschmelze in den Schmelzeraum eingefüllt und in diesem für die Dosierung in die Dosierkammer vorgehalten. Optional wird der Schmelzeraum in diesem Fall beheizt, um eine Zieltemperatur der Metallschmelze im flüssigen Werkstoffzustand zu erreichen bzw. beizubehalten.
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Insbesondere um eine hohe Prozessdynamik für kleinvolumige und/oder dünnwandige Bauteile zu ermöglichen, ist in einer zweckmäßigen Verfahrensvariante ein Verschlussventil der Dosierkammer und der Werkzeugkavität zwischengeschaltet. Dieses Verschlussventil (bspw. nach Art einer Nadelverschlussdüse) wird dabei erst dann geöffnet und somit die Füllung der Kavität mit der Metallschmelze freigegeben, wenn in der Dosierkammer ein hinreichend hoher Druckwert aufgebaut ist. Insbesondere wird der Kolben zur Druckbeaufschlagung der Metallschmelze hierbei bereits vor oder (insbesondere unmittelbar) mit Öffnung des Verschlussventils zur Komprimierung angesteuert. In ersterem Fall führt die Ansteuerung des Kolbens mithin zu einer Art Vorkompression insbesondere des Prozessgases gegen die am Verschlussventil angestaute Metallschmelze, die sich dann bei Öffnung des Verschlussventils in die Kavität „entlädt“. Das Verschlussventil wird also verwendet, um eine teilweise Füllung der Kavität vor der eigentlichen Druckbeaufschlagung zu vermeiden. In beiden Fällen (Druckbeaufschlagung bereits vor oder erst mit Ventilöffnung) kann somit eine hohe Dynamik bei der Füllung der Kavität ermöglicht werden, was insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen von Vorteil ist, da hier eine langsame Füllung zu einer unerwünschten Erstarrung der Metallschmelze und schlimmstenfalls unzureichenden Formfüllung führen kann.
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Zweckmäßigerweise wird nach dem Erstarren der Metallschmelze in der Kavität der Überdruck in der Dosierkammer wieder reduziert, insbesondere indem der Kolben in seine Grundposition zurückbewegt wird und gegebenenfalls ein Ventil zur Belüftung der Dosierkammer geöffnet wird. Hiernach wird dann die Kavität geöffnet und das hergestellte Bauteil entformt.
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Die erfindungsgemäße Gießvorrichtung ist zur Durchführung des hier beschriebenen Gießverfahrens eingerichtet und vorgesehen. Die Gießvorrichtung weist dazu den Schmelzeraum und die Dosierkammer auf. Zusätzlich weist die Gießvorrichtung das Gießwerkzeug und/oder eine Schnittstelle zur Verbindung der Dosierkammer mit dem Gießwerkzeug auf. Die Dosierkammer ist dabei im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand fluidführungstechnisch der Kavität des Gießwerkzeugs vorgeschaltet und dem Schmelzeraum nachgeschaltet. Außerdem weist die Gießvorrichtung ein Steuergerät auf, das zur Durchführung des hier beschriebenen Gießverfahrens eingerichtet und vorgesehen ist.
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Bei der Schnittstelle zur Verbindung der Dosierkammer mit dem Gießwerkzeug handelt es sich beispielsweise um eine mechanische Vorrichtung, die eine Kupplung unterschiedlicher Gießwerkzeuge mit einer Ausströmöffnung der Dosierkammer ermöglicht. Bspw. handelt es sich dabei um eine an die Dosierkammer anschließende Flanschfläche, an die das Gießwerkzeug angesetzt und befestigt werden kann. Vorzugsweise weist die Gießvorrichtung auch eine Schließvorrichtung auf, die eine reversible Öffnung des - vorzugsweise zweiteiligen - Gießwerkzeugs zur Entnahme des aus der Metallschmelze hergestellten Bauteils aus der Kavität ermöglicht. Diese Schließvorrichtung ist bevorzugt mit dem Steuergerät signaltechnisch verknüpft.
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Die Dosierkammer ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass Kavitäten unterschiedlichen Volumens befüllt werden können. Insbesondere ist die Dosierkammer hierzu mit einem hinreichend großen Volumen (insbesondere mit einem Bereich zur Aufnahme der Metallschmelze („Schmelzetopf“), der dieses Volumen aufweist) ausgestaltet, so dass die Dosierkammer bei einer kleinen Kavität entsprechend gering befüllt wird und bei einer entsprechend großen Kavität (bspw. nahezu) vollständig gefüllt wird. Liegt eine „Spreizung“ zwischen den Volumina unterschiedlicher Kavität außerhalb eines bestimmten Bereichs, steigt ein Risiko, dass bei einem kleinen zu füllenden Volumen ein in der Dosierkammer verbleibendes „Restvolumen“ dazu führt, dass der vorgenannte Kolben das im diesem zugeordneten Zylindervolumen und dem Restvolumen angeordnete Prozessgas nicht mehr bis zu dem erforderlichen Nachdruckwert verdichten kann. Aus diesem Grund ist die Dosierkammer alternativ (oder auch zusätzlich) austauschbar in der Gießvorrichtung angeordnet, so dass letztere in Abhängigkeit vom Volumen der eingesetzten Kavität mit einer Dosierkammer größeren oder kleineren Volumens ausgestattet werden kann. Der Bereich, innerhalb dessen die vorgenannte Spreizung zwischen den Volumina zulässig ist, kann dabei anhand des komprimierbaren Zylindervolumens und des nicht verringerbaren Restvolumens ermittelt werden. Das Restvolumen vergrößert sich sogar während der Füllung der Kavität.
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Das Steuergerät (auch: „Controller“) kann im Rahmen der Erfindung als nicht-programmierbare elektronische Schaltung („ASIC“) ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Steuergerät aber durch einen Mikrocontroller (insbesondere mit einem zugeordneten Speicher) gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Gießverfahrens in Form eines Softwaremoduls implementiert ist. Beispielsweise ist dieses Steuergerät als Teil einer Steuerung der die Gießvorrichtung bildenden Anlage ausgebildet. Insbesondere ist das Steuergerät hierzu mit dem jeweiligen Ventil, dem Kolben, der einen oder der jeweiligen (Prozessgas-) Pumpe etc. steuerungstechnisch verknüpft.
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Die erfindungsgemäße Gießvorrichtung weist somit die gleichen Vorteile auf wie das erfindungsgemäße Gießverfahren. Außerdem weist die Gießvorrichtung in entsprechenden Ausführungen auch die gleichen körperlichen Merkmale auf, die sich aus der Beschreibung des erfindungsgemäßen Gießverfahrens ergeben.
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In einer zweckmäßigen Ausführung weist die Gießvorrichtung den vorstehend beschriebenen Kolben (sowie insbesondere auch den zugeordneten Zylinder) zur Erzeugung des Überdrucks in der Dosierkammer auf. Dieser Kolben ist vorzugsweise hydraulisch, optional auch elektromechanisch betätigt.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist der Schmelzeraum einen Schmelztiegel, in dem die Metallschmelze erschmolzen oder vorgehalten wird, sowie eine diesen gasdicht umschließende Einhausung auf. Vorzugsweise ist dem Schmelzeraum auch eine Vakuumpumpe zugeordnet, die einen Unterdruck von bspw. 0,5 bar bis zu 0,1 bar in dem Schmelzeraum erzeugt. Dadurch wird vorteilhafterweise bereits eine Umgebungsluftatmosphäre auch im Schmelzeraum verringert, so dass die dort vorgehaltene (eingefüllte oder erschmolzene) Metallschmelze einer geringen Kontamination durch Umgebungsluft ausgesetzt ist.
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In einer besonders zweckmäßigen Ausführung ist die Dosierkammer mechanisch hochdruckstabilisiert. D. h. die Dosierkammer ist mechanisch derart ausgestaltet, dass die vorstehend beschriebenen hohen Werte des Nachdrucks, insbesondere von etwa 200 bar, widerstanden werden können. Insbesondere weist die Dosierkammer dazu eine besonders steife Wandung auf. In diesem Fall ist die Dosierkammer also ähnlich wie eine Matrize zum (Kalt-) Umformen von Metallen „armiert“.
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In einer bevorzugten Ausführung ist zumindest die Dosierkammer, vorzugsweise aber auch der Schmelztiegel, sowie optional das Steigrohr, aus einem nicht-metallischen Werkstoff ausgebildet. Insbesondere sind diese Bauelemente aus einem keramischen Werkstoff gebildet. Vorzugsweise sind also alle schmelzeberührenden Bauelemente (vorzugsweise zumindest die dem Gießwerkzeug vorgelagerten) aus einem nicht-metallischen Werkstoff gebildet. Optional sind das Gießwerkzeug und dessen Innenwände (also die Kavitätswände) allerdings aus einem Metall gebildet.
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Der Vorteil der Erfindung liegt wie bereits erwähnt darin, dass ein Schmelzekontakt mit metallischen Elementen vermieden oder sogar ausgeschlossen werden kann, insbesondere indem alle schmelzeberührenden Elemente aus einem keramischen Material gebildet sind. Dadurch kann das hergestellte (Guss-) Bauteil neben Luftfahrt- und Automobiltechnik auch in hygienerelevanten Bereichen wie Medizintechnik, die auch Biokompatibilität fordern, eingesetzt werden. Des Weiteren kann auch Gießprozesschemie, bspw. Schlichten, Fließhilfen und dergleichen, entfallen.
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Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden insbesondere derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in einer schematischen Darstellung eine Gießvorrichtung in einem ersten Verfahrensschritt,
- 2-5 in Ansicht gemäß 1 die Gießvorrichtung jeweils in einem weiteren Verfahrensschritt, und
- 6 in Ansicht gemäß 1 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Gießvorrichtung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch eine Gießvorrichtung 1 dargestellt. Diese weist einen Schmelzeraum 4 auf, in dem wiederum ein Schmelztiegel 6 angeordnet ist. Außerdem ist in dem Schmelzeraum 4 auch eine Heizvorrichtung 8 - hier schematisch durch eine Induktionsheizung dargestellt - angeordnet, um in den Schmelztiegel 6 eingebrachtes Metall zu schmelzen. Des Weiteren weist die Gießvorrichtung 1 eine Dosierkammer 10 auf. Die Dosierkammer 10 dient zur Dosierung von Metallschmelze 12 auf eine Menge, die zum gießtechnischen Füllen einer Kavität 14 und somit zum Gießen eines der Kavität 14 entsprechenden Bauteils 16 (s. 5) hinreichend ist. Ein Gießwerkzeug 18, in dem die Kavität 14 ausgeformt ist, bildet im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls einen Teil der Gießvorrichtung 1. Das Gießwerkzeug 18, zumindest eine der Dosierkammer 10 zugewandte Werkzeughälfte, ist dabei mittels einer nicht näher dargestellten Spannvorrichtung mit der Dosierkammer 10 derart gekoppelt, dass ein Schmelzetopf 20 der Dosierkammer 10 (also eine Kavität innerhalb der Dosierkammer 10, in der die dosierte Menge Metallschmelze 12 aufgenommen wird) mit der Kavität 14 in fluidischer Verbindung stehen.
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Die Gießvorrichtung 1 weist außerdem ein Steigrohr 22 auf, das den Schmelztiegel 6 mit dem Schmelzetopf 20 der Dosierkammer 10 verbindet. In dem Steigrohr 22 ist ein steuerbares Ventil 24 angeordnet. Die Gießvorrichtung 1 weist außerdem einen Pneumatik-Zylinder 30 mit einem Kolben 32 auf. Der Zylinderraum 34 steht dabei fluidisch mit der Dosierkammer, konkret dem Schmelzetopf 20 in Verbindung. In den Zylinderraum 34 führt ein Belüftungsventil 36.
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Der Schmelzeraum 4 ist mit einem Gehäuse 40 umschlossen, so dass dessen Schmelztiegel 6 via ein Vakkumventil 42 evakuiert, konkret unter einen, gegenüber Umgebungsdruck niedrigeren Unterdruckwert gesetzt werden kann. Dazu ist an das Vakuumventil 42 eine nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen.
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Außerdem weist die Gießvorrichtung 1 ein nicht dargestelltes Steuergerät auf, das steuerungstechnisch mit den Ventilen 24, 36, 42, der erwähnten Vakuumpumpe sowie weiteren ansteuerbaren Elementen der Gießvorrichtung 1 verknüpft ist.
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Der Schmelzetopf 20 der Dosierkammer 10 ist mit einem Gehäuse 44 armiert, so dass der Schmelzetopf 20 hohen (Innen-) Drücken widerstehen kann. Außerdem ist der Schmelzetopf 20 aus einem keramischen Werkstoff gebildet oder mit einem solchen ausgekleidet, so dass die Metallschmelze 12 nicht in Kontakt mit anderen Metallen kommt.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1, skizziert in 1, wird die Metallschmelze 12 bereitgestellt, im dargestellten Ausführungsbeispiel also erschmolzen. Das Steigrohr 22 ist dabei mit einem tiegelseitigen Ende stets unterhalb eines Spiegels der Metallschmelze 12 angeordnet. Außerdem sind zunächst alle Ventile 24, 36 und 42 geöffnet, so dass Umgebungsdruck (d. h. der zugeordnete Druckwert von üblicherweise 1 bar) im Schmelzeraum 4, in der Dosierkammer 10 (und somit auch im Zylinderraum 34) und in der Kavität 14 vorliegt. Optional sind der Schmelzeraum 4, die Dosierkammer 10 (und somit auch der Zylinderraum 34) und die Kavität 14 dabei mit einem inerten Prozessgas geflutet. Bei oder nach dem Schmelzen des Metalls wird über das Vakuumventil 42 ein Unterdruckwert von etwa 0,2 bar in dem Schmelzeraum 4 eingestellt.
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Anschließend - d. h. wenn die Metallschmelze 12 im Schmelzeraum vorliegt - wird in einem zweiten Verfahrensschritt S2 (s. 2) via das Belüftungsventil 36 in der Dosierkammer 10 (und somit auch in der Kavität 14 und im Zylinderraum 34) ein Unterdruck gegenüber dem Schmelzeraum 4 erzeugt. Der Unterdruckwert in der Dosierkammer 10 beträgt dabei absolut etwa 0,05 bar. Aufgrund der Druckdifferenz gegenüber dem Schmelzeraum 4 steigt die Metallschmelze 12 durch das Steigrohr 22 auf und fließt in den Schmelzetopf 20. Insbesondere wird die Druckdifferenz zwischen der Dosierkammer 10 und dem Schmelzeraum 4 abhängig von der geodätischen Höhe gewählt, konkret also derart, dass der durch das Steigrohr 22 hindurch zu überwindende Höhenunterschied von der Metallschmelze 12 überwunden werden kann.
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Mittels eines nicht näher dargestellten Sensors (bspw. ein Massenstromsensor) wird die Menge der in den Schmelzetopf 20 fließenden Metallschmelze 12 durch das Steuergerät erfasst. Erreicht die Menge im Schmelzetopf 20 einen Zielwert, wird über das Belüftungsventil 36 das inerte Prozessgas in die Dosierkammer 10 und den Zylinderraum 34 eingelassen. Dadurch steigt dort der Druckwert in Richtung Umgebungsdruck und der Schmelzefluss durch das Steigrohr 22 bricht zusammen. Anschließend wird das Ventil 24 im Steigrohr 22 geschlossen, um im nachfolgenden dritten Verfahrensschritt S3 einen Rückfluss von Metallschmelze 12 zum Schmelztiegel 6 zu vermeiden. Der Zielwert der Menge der Metallschmelze 12 ist derart gewählt, dass die Masse der Metallschmelze 12 mindestens der des Bauteils 16 zuzüglich eines Aufschlags für einen Angussbereich und dergleichen entspricht.
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Im dritten Verfahrensschritt S3 (s. 3) wird nach Beruhigung der Metallschmelze 12 im Schmelzetopf 20 - konkret nach Ablauf einer vorgegebenen Wartezeit nach dem Belüften der Dosierkammer 10 - über das Belüftungsventil 36 weiteres Prozessgas in die Dosierkammer 10 und den Zylinderraum 34 gepumpt. Dabei wird ein Druckwert von etwa 2 bis 10 bar eingestellt. Da die Metallschmelze 12 die Verbindung zwischen Zylinderraum 34 und Kavität 14 unterbricht, herrscht hier auch ein Druckgefälle in Richtung der Kavität 14 und die Metallschmelze 14 beginnt, durch eine Zuflussleitung oder „Düse 46“ die Kavität 14 zu füllen. Anschließend wird das Belüftungsventil 36 geschlossen und der Kolben 32 wird zur Kompression des Prozessgases im Zylinderraum 34 in Richtung auf den Schmelzetopf 20 verfahren. Da der Zylinderraum 34 mit der Dosierkammer 10, genauer dem Schmelzetopf 20, in pneumatischer Verbindung steht, wird dadurch die Metallschmelze 12 in die Kavität 14 gedrückt. Der Kolben 32 wird dabei auf einen „Nachdruckwert“ von 200 bar druckgeregelt. Die Druckregelung bewirkt dabei, dass beim Erstarren und damit verbundenen Schwinden der Metallschmelze 12 in der Kavität 14 weiter flüssige Metallschmelze 12 aus dem Schmelzetopf 20 in die Kavität 14 gefördert wird.
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In einem vierten Verfahrensschritt S4 (s. 4) wird nach dem vollständigen Erstarren der Metallschmelze 12 der Kolben 32 in seine Ausgangsstellung zurückbewegt und das Belüftungsventil 36 zur Belüftung des Zylinderraums 34 und damit auch der Dosierkammer 10 geöffnet.
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Anschließend wird in einem fünften Verfahrensschritt S5 (s. 5) das Gießwerkzeug 18 geöffnet und das Bauteil 16 aus der Kavität 14 entformt.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel (s. 6) ist in die Düse 46 ein Verschlussventil 48 (bspw. nach Art einer Nadelverschlussdüse) integriert. Dieses Verschlussventil 48 bleibt im Verfahrensschritt S3 geschlossen bis der Kolben 32 zur Kompression des Prozessgases im Zylinderraum 34 in Richtung auf den Schmelzetopf 20 verfahren wird. Erst dann wird das Verschlussventil 48 geöffnet. Dadurch wird eine vorzeitige Teilfüllung der Kavität 14 verhindert und eine hohe Formfüllungsdynamik erreicht, was wiederum für ein dünnwandig gestaltetes Bauteil 16 vorteilhaft ist. Ansonsten entspricht das übrige Vorgehen der vorstehenden Beschreibung.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gießvorrichtung
- 4
- Schmelzeraum
- 6
- Schmelztiegel
- 8
- Heizungsvorrichtung
- 10
- Dosierkammer
- 12
- Metallschmelze
- 14
- Kavität
- 16
- Bauteil
- 18
- Gießwerkzeug
- 20
- Schmelzetopf
- 22
- Steigrohr
- 24
- Ventil
- 30
- Pneumatik-Zylinder
- 32
- Kolben
- 34
- Zylinderraum
- 36
- Belüftungsventil
- 40
- Gehäuse
- 42
- Vakuumventil
- 44
- Gehäuse
- 46
- Düse
- 48
- Verschlussventil
- S1-S5
- Verfahrensschritt
