DE102022212822A1 - Method for producing a metallic component - Google Patents

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Lucas Peter Pelchen
Sebastian Müller
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Abstract

Erfindungsgemäß wird zum Herstellen eines metallischen Bauteils (2),- ein Gießwerkzeug (1) mit einer zur Ausbildung des Bauteils (2) eingerichteten Kavität (4) bereitgestellt,- zumindest ein Bereich der Kavität (4) durch eine Kavitätswand (6) aus nicht-metallischem Material gebildet,- in die Kavitätswand (6) aus nicht-metallischem Material eine Mikrostruktur (14) zur Einstellung eines Benetzungsverhaltens des Bauteils (2) eingebracht, und- für einen Gießvorgang eine Temperaturdifferenz zwischen einer in die Kavität (4) einzubringenden Metallschmelze (16) und der Kavitätswand (6) und/oder ein Schmelzedruckwert derart eingestellt werden, dass das Bauteil (2) unter hinreichender Abformung der Mikrostruktur (14) entformbar ist.According to the invention, for producing a metallic component (2),- a casting tool (1) with a cavity (4) designed to form the component (2) is provided,- at least one region of the cavity (4) is formed by a cavity wall (6) made of non-metallic material,- a microstructure (14) for adjusting a wetting behavior of the component (2) is introduced into the cavity wall (6) made of non-metallic material, and- for a casting process, a temperature difference between a metal melt (16) to be introduced into the cavity (4) and the cavity wall (6) and/or a melt pressure value are set such that the component (2) can be demolded with sufficient molding of the microstructure (14).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum, insbesondere urformtechnischen, Herstellen eines metallischen Bauteils, insbesondere eines solchen mit einem spezifischen Benetzungsverhalten. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Gießwerkzeug, das in einem solchen Verfahren zum Einsatz kommt.The invention relates to a method for producing a metallic component, in particular by primary molding, in particular one with a specific wetting behavior. Furthermore, the invention also relates to a casting tool that is used in such a method.

Metallische Bauteile werden regelmäßig mittels Urformen, Umformen sowie ablativer (auch: spanender) Bearbeitung hergestellt. Letztere Bearbeitung kommt teilweise auch in Kombination mit einem der vorgenannten Verfahren zum Einsatz, bspw. um funktionale Oberflächen endzubearbeiten, eine vorgegebene Oberflächenqualität auszubilden oder dergleichen, insbesondere in solchen Fällen, in denen mittels Ur- oder Umformens die erforderlichen Bauteileigenschaften nicht oder nur unter unwirtschaftlichem Aufwand ausgebildet werden können.Metallic components are regularly manufactured by means of primary forming, forming and ablative (also: machining) processing. The latter processing is sometimes also used in combination with one of the aforementioned processes, e.g. to finish functional surfaces, to create a specified surface quality or the like, especially in cases where the required component properties cannot be created by primary forming or forming, or can only be created at uneconomical expense.

In wirtschaftlicher Hinsicht ist eine möglichst einstufige, insbesondere nach- oder end-bearbeitungsfreie Fertigung häufig erstrebenswert, da sich dadurch aufwendige Fertigungsverfahren und/oder Maschinenaufwand für unterschiedliche Fertigungsverfahren einsparen lassen. Für metallische Bauteile mit anwendungsspezifischen Benetzungseigenschaften ist dies aber meist problematisch. Die Ausbildung hydrophober Oberflächeneigenschaften ist häufig mit einem Auftrag einer entsprechenden Beschichtung verknüpft. Dies ist beispielsweise aus dem Bereich von Kochgeschirr bekannt, bei dem unter anderem Pfannen mit einer PTFE-, Keramik- oder ähnlichem Antihaftschicht versehen werden, um ein Anhaften von Kochgut zu vermeiden.From an economic point of view, it is often desirable to have a single-stage production process, particularly one that does not require any post-processing or finishing, as this saves on complex manufacturing processes and/or machine costs for different manufacturing processes. However, this is usually problematic for metallic components with application-specific wetting properties. The development of hydrophobic surface properties is often linked to the application of a corresponding coating. This is known, for example, from the area of cookware, where pans are provided with a PTFE, ceramic or similar non-stick coating to prevent food from sticking.

In dem vorgenannten Fall wird die Hydrophobie des entsprechenden Bauteils also durch die Applikation eines anderen Materials und somit aufgrund der Nutzung der anderen Materialeigenschaften vorgegeben.In the aforementioned case, the hydrophobicity of the corresponding component is determined by the application of a different material and thus by the use of the other material properties.

Abweichend von Materialeigenschaften ist auch die Nutzung geometrischer Strukturen auf einer Oberfläche zur Beeinflussung der Benetzungseigenschaften bekannt. Dies wird auch unter dem landläufigen Begriff „Lotus-Effekt“ zusammengefasst. Dabei kommen meist mikro- oder nanoskalige Stäbchen oder Rippen zum Einsatz. Für metallische Materialien wird derzeit eine entsprechende Oberflächenstrukturierung mittels Laserstrahlbearbeitung herangezogen. Dies zieht wiederum Anlagenaufwand und vergleichsweise lange Prozesszeiten nach sich.In addition to material properties, the use of geometric structures on a surface to influence the wetting properties is also known. This is also commonly referred to as the "lotus effect". Micro- or nanoscale rods or ribs are usually used. For metallic materials, a corresponding surface structuring using laser beam processing is currently used. This in turn entails equipment expenditure and comparatively long process times.

Des Weiteren sind auch ätztechnische Verfahren bekannt, bei denen meist mittels bspw. Säuren und in mehreren Stufen Strukturen in die Oberfläche eingebracht werden. Hier ist allerdings das Problem, dass hierbei erforderliche ätzende Medien meist umweltbedenklich sind und deren Entsorgung und/oder Handhabung somit vermieden werden sollte.Furthermore, etching processes are also known in which structures are introduced into the surface, usually using acids, for example, and in several stages. The problem here, however, is that the corrosive media required are usually harmful to the environment and their disposal and/or handling should therefore be avoided.

Neben dem vorstehend genannten hydrophoben Benetzungsverhalten kann aber auch ein hydrophiles Benetzungsverhalten wünschenswert sein, bspw. um Flüssigkeiten gezielt an einem Bauteil zu halten und/oder zu verteilen.In addition to the hydrophobic wetting behavior mentioned above, a hydrophilic wetting behavior may also be desirable, e.g. to specifically hold and/or distribute liquids on a component.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines metallischen Bauteils mit einem spezifischen Benetzungsverhalten zu verbessern.The invention is based on the object of improving the production of a metallic component with a specific wetting behavior.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Gießwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 18. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.This object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1. Furthermore, this object is achieved according to the invention by a casting tool having the features of claim 18. Advantageous and partly inventive embodiments and further developments of the invention are set out in the subclaims and the following description.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen eines metallischen Bauteils. Hierzu wird verfahrensgemäß zunächst ein Gießwerkzeug mit einer zur Ausbildung des Bauteils eingerichteten Kavität bereitgestellt. Zumindest ein Bereich der Kavität wird dabei durch eine Kontaktfläche einer Kavitätswand aus nicht-metallischem Material gebildet. Vorzugsweise wird das Material dieser Kavitätswand (d. h. also zumindest deren Kontaktfläche) abhängig von einem (insbesondere beabsichtigten) Benetzungsverhalten mit einer in die Kavität einzubringenden Metallschmelze gewählt - vorzugsweise dahingehend, dass die zum Einsatz kommende Metallschmelze eine schlechte Benetzung oder Haftung an dem Material der Kontaktfläche der Kavitätswand aufweist, um eine möglichst gute Entformbarkeit zu ermöglichen. Außerdem wird in diese, aus nicht-metallischem Material gebildete, Kontaktfläche der Kavitätswand eine Mikrostruktur zur - insbesondere gezielten - Einstellung eines Benetzungsverhaltens des Bauteils eingebracht. Des Weiteren werden für einen Gießvorgang eine Temperaturdifferenz zwischen der in die Kavität einzubringenden Metallschmelze und der Kavitätswand und/oder ein Schmelzedruckwert derart eingestellt (d. h. vorgegeben), dass das Bauteil unter hinreichender Abformung der Mikrostruktur entformbar ist.The method according to the invention is used to produce a metallic component. For this purpose, according to the method, a casting tool with a cavity designed to form the component is first provided. At least one area of the cavity is formed by a contact surface of a cavity wall made of non-metallic material. The material of this cavity wall (i.e. at least its contact surface) is preferably selected depending on a (particularly intended) wetting behavior with a metal melt to be introduced into the cavity - preferably in such a way that the metal melt used has poor wetting or adhesion to the material of the contact surface of the cavity wall in order to enable the best possible demoldability. In addition, a microstructure is introduced into this contact surface of the cavity wall, which is made of non-metallic material, for - in particular targeted - adjustment of a wetting behavior of the component. Furthermore, for a casting process, a temperature difference between the metal melt to be introduced into the cavity and the cavity wall and/or a melt pressure value are set (i.e. specified) in such a way that the component can be demolded with sufficient molding of the microstructure.

Unter „hinreichender Abformung“ wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass eine geometrische Vorgabe des Gießwerkzeugs zu wenigstens 75 Prozent abgeformt wird - eine technisch-physikalisch realisierbare Größe und ein zugeordnetes Aspektverhältnis der geometrischen Vorgabe vorausgesetzt. Z. B. wird hierbei eine Rille der Kavitätswand von einem Millimeter Tiefe und 0,5 Millimeter Breite derart abgeformt, dass die Breite und Höhe der korrespondierenden Struktur des Bauteils wenigstens 75 Prozent der Abmessungen aufweist. Eine Strukturbreite und/oder -tiefe von weniger als fünf Mikrometer kann dagegen aufgrund physikalischer Wechselwirkungen innerhalb der Metallschmelze und/oder zwischen der Metallschmelze und der Kavitätswand regelmäßig nicht mehr hinreichend abgeformt. Strukturbreiten im Bereich von 10 und 20 µm und einer Strukturriefe von 20 bzw. 50 µm (insbesondere als mit einem Aspektverhältnis von 2) können hierbei noch hinreichend genau abgeformt werden.The term “adequate molding” is understood here and in the following to mean that a geometric specification of the casting tool is molded to at least 75 percent - a technical A technically and physically realizable size and an associated aspect ratio of the geometric specification are required. For example, a groove in the cavity wall of one millimeter deep and 0.5 millimeters wide is molded in such a way that the width and height of the corresponding structure of the component is at least 75 percent of the dimensions. A structure width and/or depth of less than five micrometers, on the other hand, can usually no longer be adequately molded due to physical interactions within the molten metal and/or between the molten metal and the cavity wall. Structure widths in the range of 10 and 20 µm and a structure groove of 20 or 50 µm (especially with an aspect ratio of 2) can still be molded with sufficient accuracy.

Vorzugsweise wird hierzu der Schmelzedruckwert derart niedrig gewählt, dass (insbesondere gerade noch) eine hinreichende Formfüllung sowie auch Abformung der Kavität ermöglicht wird. Lunker, Einfallstellen und ähnliche schwindungsbedingte Gießfehler sollten dabei ebenfalls vermieden werden.Preferably, the melt pressure value is chosen to be so low that (especially just) sufficient mold filling and molding of the cavity is possible. Blowholes, sink marks and similar casting defects caused by shrinkage should also be avoided.

Zur Abformung der Mikrostruktur wird in einer optionalen Verfahrensvariante eine geringe Temperaturdifferenz zwischen Metallschmelze und Kavitätswand gewählt. Beispielsweise wird hierzu eine sogenannte variotherme Temperierung der Kavität gewählt, so dass während des Einbringens der Metallschmelze in die Kavität eine möglichst geringe Temperaturdifferenz vorliegen kann, die Werkzeugtemperatur aber auch abgesenkt werden kann.In an optional process variant, a small temperature difference between the molten metal and the cavity wall is selected to form the microstructure. For example, a so-called variothermal temperature control of the cavity is selected so that the temperature difference can be as small as possible when the molten metal is introduced into the cavity, but the tool temperature can also be reduced.

Weiter optional wird ein Einfülltemperaturwert der Metallschmelze, den letztere zum Zeitpunkt der Formfüllung aufweist, derart hoch gewählt, dass (optional eine teilweise erstarrte Schmelze vorliegt, aber dennoch) eine möglichst niedrige Viskosität der Metallschmelze und dadurch die Abformung der Mikrostruktur ermöglicht (aber zweckmäßigerweise auch noch eine zerstörungsfreie Entformung ermöglicht) wird. Im Fall der teilweise erstarrten Schmelze wird die Metallschmelze zweckmäßiger Weise, insbesondere zum Einstellen thixotropen Verhaltens, vor dem Einfüllen verrührt. Optional wird ein Festkörperanteil der teilweise erstarrten Schmelze von 5 Prozent angestrebt.Furthermore, optionally, a filling temperature value of the molten metal, which the latter has at the time of filling the mold, is selected to be so high that (optionally a partially solidified melt is present, but nevertheless) the viscosity of the molten metal is as low as possible and thus the microstructure can be molded (but expediently also enables non-destructive demolding). In the case of partially solidified melt, the molten metal is expediently stirred before filling, in particular to set thixotropic behavior. Optionally, a solids content of 5 percent of the partially solidified melt is aimed for.

Für „Reinaluminium“ (im Folgenden wird ein Legierungsanteil von 99,5 GewichtsProzent Aluminium als Reinaluminium verstanden) liegt ein Einfülltemperaturwert für eine solche teilweise erstarrte Schmelze mit 5 Prozent Festkörperanteil für nicht-dauerhafte Formwerkzeuge (für diese wird vorzugsweise ohne zusätzliche Druckbeaufschlagung oder bis zu 3 bar abgeformt) vorzugsweise bei 660-720 Grad Celsius (°C). Für eine Abformung mittels Dauerformen kann eine Druckbeaufschlagung von bis zu etwa 800 bar durchgeführt werden, wobei auch der Bereich des Einfülltemperaturwerts zwischen 580 und 720 °C liegen kann. Für Stahl liegt für vergleichbare Bedingungen der Einfülltemperaturwert - abhängig von der Legierung - zwischen etwa 1150 und 1540 °C. Insbesondere lassen sich diese Temperaturbereiche für die entsprechende Legierungszusammensetzung und den beabsichtigten Festkörperanteil aus dem dem entsprechenden Legierungssystem zugeordneten Phasendiagramm (AI oder Fe-C, also dem Eisen-Kohlenstoffdiagramm) entnehmen. Für Stahl kann bei nicht-dauerhaften Formwerkzeuge ebenfalls eine Druckbeaufschlagung von 3 bar herangezogen werden. Für Dauerformen ist auch ein höherer Druckwert möglich. Vergleichbares gilt insbesondere auch für Kupfer.For "pure aluminum" (hereafter, an alloy content of 99.5 percent aluminum by weight is understood as pure aluminum), a filling temperature value for such a partially solidified melt with 5 percent solid content for non-permanent molding tools (for these, molding is preferably carried out without additional pressure or up to 3 bar) is preferably 660-720 degrees Celsius (°C). For molding using permanent molds, a pressure of up to about 800 bar can be applied, whereby the range of the filling temperature value can also be between 580 and 720 °C. For steel, for comparable conditions, the filling temperature value - depending on the alloy - is between about 1150 and 1540 °C. In particular, these temperature ranges for the corresponding alloy composition and the intended solid content can be taken from the phase diagram assigned to the corresponding alloy system (Al or Fe-C, i.e. the iron-carbon diagram). For steel, a pressure of 3 bar can also be used for non-permanent molds. A higher pressure value is also possible for permanent molds. The same applies in particular to copper.

Bevorzugt werden als Materialien, insbesondere Metalle und/oder Legierungen, für die Metallschmelze solche herangezogen, die einen Schmelzpunkt von mehr als 200 °C aufweisen.Preferably, the materials used for the metal melt are those, in particular metals and/or alloys, which have a melting point of more than 200 °C.

Die Auswahl des Materials für die nicht-metallische Kontaktfläche der Kavitätswand erfolgt dabei vorzugsweise auch anhand thermophysikalischer Eigenschaften und/oder einer Grenzflächenchemie zwischen der Metallschmelze und dem Material für die Kavitätswand. Anders ausgedrückt werden insbesondere Wechselwirkungen des Materials mit der Metallschmelze auch bei erhöhten Temperaturen (insbesondere im Bereich um den Schmelzetemperaturwert - insbesondere den vorstehend genannten Einfülltemperaturwert) berücksichtigt.The selection of the material for the non-metallic contact surface of the cavity wall is preferably also based on thermophysical properties and/or an interfacial chemistry between the molten metal and the material for the cavity wall. In other words, interactions of the material with the molten metal are taken into account, even at elevated temperatures (in particular in the range around the melt temperature value - in particular the filling temperature value mentioned above).

So kann bspw. eine schlechte Benetzung des Materials für die nicht-metallische Kontaktfläche der Kavitätswand zwar einer (zumindest schwerkraftgetriebenen) Abformung entgegenwirken, aber - sofern sich dies auch in einer geringen Anhaftung des erstarrten Metalls an diesem Material niederschlägt - für die Entformung vorteilhaft sein. Der gegebenenfalls behinderten Abformung kann in diesem Fall bspw. mittels einer Nachdruckphase im Rahmen eines Druckguss-Prozesses entgegengewirkt werden.For example, poor wetting of the material for the non-metallic contact surface of the cavity wall can counteract (at least gravity-driven) molding, but - provided this is also reflected in a low adhesion of the solidified metal to this material - can be advantageous for demolding. In this case, the possibly hindered molding can be counteracted, for example, by means of a holding pressure phase as part of a die-casting process.

Optional wird die Kavität nur in einem gegenüber deren Gesamt-Oberfläche abgegrenzten, verkleinerten Bereich durch die vorstehende nicht-metallische und mit der Mikrostruktur versehene Kontaktfläche der Kavitätswand versehen, wenn nur in diesem Bereich anwendungsspezifische Benetzungseigenschaften des herzustellenden Bauteils gewünscht oder erforderlich sind.Optionally, the cavity is provided with the protruding non-metallic contact surface of the cavity wall provided with the microstructure only in a reduced area that is delimited compared to its overall surface, if application-specific wetting properties of the component to be produced are desired or required only in this area.

Die Verwendung der Kavität, die zumindest in einem Bereich aus der nicht-metallischen, mit der Mikrostruktur versehenen Kontaktfläche der Kavitätswand gebildet ist, hat dabei den Vorteil, dass die Abformung der Mikrostruktur sowie die Entformung des Bauteils aufgrund der entsprechenden geringen Anhaftung der Metallschmelze sowie insbesondere auch des Metalls des herzustellenden Bauteils ermöglicht wird. Dadurch können hinsichtlich ihrer Benetzungseigenschaften mikrostrukturierte Bauteile vorteilhafterweise auch in einem Urform-Verfahren hergestellt werden, was regelmäßig wirtschaftlicher als individuelle Nachbearbeitung von Oberflächen ist.The use of the cavity, which consists at least in one area of the non-metallic, microstructured contact surface of the cavity The advantage of using a molding process that is formed on a wall of the material has the advantage that the molding of the microstructure and the demolding of the component are made possible due to the correspondingly low adhesion of the molten metal and in particular of the metal of the component to be produced. In terms of their wetting properties, microstructured components can therefore also be advantageously manufactured using a primary molding process, which is usually more economical than individual post-processing of surfaces.

In einer optionalen Ausführung weist die Kavitätswand eine nicht-metallische Beschichtung der Oberfläche, die somit die Kontaktfläche bildet, auf. Alternativ (und bevorzugt) ist aber die gesamt Kavitätswand in diesem Bereich aus dem entsprechenden nicht-metallischen Material gebildet, bspw. in Form eines Einsatzes des Gießwerkzeugs.In an optional embodiment, the cavity wall has a non-metallic coating on the surface, which thus forms the contact surface. Alternatively (and preferably), the entire cavity wall in this area is made of the corresponding non-metallic material, e.g. in the form of an insert of the casting tool.

Optional wird die Mikrostruktur an hydrophobes oder hydrophiles Benetzungsverhalten der entsprechenden Oberfläche des Bauteils angepasst. Anders ausgedrückt wird für hydrophobes oder hydrophiles Benetzungsverhalten insbesondere eine unterschiedliche Mikrostrukturierung herangezogen. Eine derartige Mikrostrukturierung ist dabei aktuell für metallische Bauteile nur unter Nutzung von strahlungsgebundener Oberflächenbehandlung bekannt.Optionally, the microstructure is adapted to the hydrophobic or hydrophilic wetting behavior of the corresponding surface of the component. In other words, a different microstructuring is used for hydrophobic or hydrophilic wetting behavior. Such microstructuring is currently only known for metallic components using radiation-based surface treatment.

In einer besonders zweckmäßigen Verfahrensvariante wird nach einem Einbringen der Metallschmelze in die Kavität ein Prozessfluid in einen Prozessspalt zwischen der Kavitätswand und dem Bauteil eingebracht und dadurch eine zusätzliche Beeinflussung des Benetzungsverhaltens des Bauteils vorgenommen. Das Benetzungsverhalten wird somit nicht nur aufgrund der Oberflächenstruktur, sondern auch aufgrund einer „Oberflächenchemie“ oder „-Metallurgie“, die durch das Prozessfluid beeinflusst wird, eingestellt, d. h. insbesondere variiert. Beispielsweise kann dadurch der durch die Oberflächenstruktur erzielbare Effekt verstärkt werden.In a particularly useful process variant, after the molten metal has been introduced into the cavity, a process fluid is introduced into a process gap between the cavity wall and the component, thereby additionally influencing the wetting behavior of the component. The wetting behavior is thus adjusted, i.e. in particular varied, not only based on the surface structure, but also based on a "surface chemistry" or "metallurgy" that is influenced by the process fluid. For example, the effect that can be achieved through the surface structure can be enhanced in this way.

In einer weiteren zweckmäßigen Verfahrensvariante wird die Kavität, und optional auch zur Schmelzedosierung und/oder Bereitstellung dienende Anlagenkomponenten, zumindest vor dem Einbringen der Metallschmelze unter Unterdruck gesetzt, auch: „evakuiert“. Dadurch kann einerseits das Formfüllverhalten der Metallschmelze in der Kavität verbessert werden. Andererseits kann auch die Füllung des Prozessspalts mit dem Prozessfluid unterstützt werden. Außerdem kann eine unerwünschte Oxid-Bildung verhindert und verringert werden.In another useful process variant, the cavity, and optionally also the system components used for melt dosing and/or provision, are placed under negative pressure, or "evacuated", at least before the molten metal is introduced. This can improve the mold filling behavior of the molten metal in the cavity. On the other hand, the filling of the process gap with the process fluid can also be supported. In addition, undesirable oxide formation can be prevented and reduced.

Vorzugsweise wird die Kavität nach dem Einbringen der Metallschmelze gegenüber der Umgebung abgedichtet. Besonders bevorzugt wird die Kavität aber auch schon vor dem Einbringen der Metallschmelze abgedichtet, insbesondere um die vorstehend beschriebene „Evakuierung“, also die Unter-Unterdrucksetzung der Kavität zu vereinfachen. Dadurch kann eine Kontamination der Metallschmelze mit Umgebungseinflüssen (Sauerstoff oder Verunreinigungen) verhindert werden.Preferably, the cavity is sealed from the environment after the molten metal has been introduced. However, it is particularly preferred that the cavity is sealed before the molten metal is introduced, in particular to simplify the "evacuation" described above, i.e. the pressurization of the cavity. This can prevent contamination of the molten metal with environmental influences (oxygen or impurities).

Grundsätzlich kann als Prozessspalt ein Spalt herangezogen werden, der sich aufgrund der Schwindung der Metallschmelze und des erstarrten Metalls während der auf das Einbringen der Metallschmelze folgenden Abkühlphase einstellt. Vorzugsweise - unter anderem um möglichst stabile und kontrollierte Prozessbedingungen zu schaffen - wird die Kavität aber zur Einstellung des Prozessspalts zumindest teilweise geöffnet. Insbesondere um auch während dieser zur Einstellung des Prozessspalts dienenden Öffnung weiterhin eine Abdichtung der Kavität zu ermöglichen, wird eine Art Tauchkanten-Werkzeug herangezogen, das auch im nicht vollständig geschlossenen Zustand sich überdeckende und die Kavität begrenzende Wände aufweist.In principle, a gap that is created due to the shrinkage of the molten metal and the solidified metal during the cooling phase following the introduction of the molten metal can be used as the process gap. Preferably, however - among other things in order to create the most stable and controlled process conditions possible - the cavity is at least partially opened to adjust the process gap. In particular, in order to continue to enable the cavity to be sealed during this opening used to adjust the process gap, a type of dipping edge tool is used that has walls that overlap and delimit the cavity even when not completely closed.

Weiter vorzugsweise kommt keine Prozesschemie zur Förderung der Entformung (insbesondere Trennmittel, Schlichten oder dergleichen) zum Einsatz. Dadurch kann eine Kontamination der Metallschmelze oder deren Oberfläche vermieden werden.Furthermore, it is preferable that no process chemicals are used to promote demolding (in particular release agents, coatings or the like). This can prevent contamination of the molten metal or its surface.

Zur Ausbildung einer (insbesondere super-) hydrophoben Bauteiloberfläche, also zur Einstellung eines hydrophoben Benetzungsverhaltens, wird in einer zweckmäßigen Verfahrensvariante (insbesondere unabhängig vom Bauteilmaterial) das Prozessfluid derart gewählt, dass sich in der Oberfläche des Bauteils Nitride, Oxide und/oder Carbide einstellen.In order to form a (particularly super-) hydrophobic component surface, i.e. to establish a hydrophobic wetting behavior, in a suitable process variant (particularly independent of the component material) the process fluid is selected such that nitrides, oxides and/or carbides are established in the surface of the component.

Insbesondere wird zur Einstellung der hydrophoben Bauteiloberfläche das Prozessfluid derart gewählt, dass sich bei als Bauteilmaterial eingesetztem Aluminium Aluminiumoxid- und/oder Graphitverbindungen (insbesondere in einer Oberflächenschicht des Bauteils) einstellen. Bei als Bauteilmaterial eingesetztem Stahl wird das Prozessfluid vorzugsweise derart gewählt, dass sich Magnetit-, Maghämit-, Hämatit- und/oder Graphitverbindungen (wiederum insbesondere in einer Oberflächenschicht des Bauteils) einstellen. Bei als Bauteilmaterial eingesetztem Kupfer wird das Prozessfluid insbesondere derart gewählt, dass sich Kupfer(II)-Oxidverbindungen einstellen.In particular, to adjust the hydrophobic component surface, the process fluid is selected such that, when aluminum is used as the component material, aluminum oxide and/or graphite compounds (in particular in a surface layer of the component) are formed. When steel is used as the component material, the process fluid is preferably selected such that magnetite, maghemite, hematite and/or graphite compounds (again in particular in a surface layer of the component) are formed. When copper is used as the component material, the process fluid is selected in particular such that copper(II) oxide compounds are formed.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung zur Bildung der hydrophoben Bauteiloberfläche werden für Aluminium, insbesondere für Rein-Aluminium (d. h. mit einem Aluminium-Anteil von 99,5, vorzugsweise von 99,9 %), als Bauteilmaterial als Prozessfluid ein Kohlenstoffdioxid-Inertgas-Gemisch und ein Temperaturwert innerhalb des Prozessspalts von wenigstens 200 °C bis maximal zu einem Schmelztemperaturwert (des Aluminiums). Außerdem wird ein Sauerstoff-Partialdruck von mehr als etwa 10-40 atm bis zu einer Obergrenze von 100 atm herangezogen. Dabei wird ein (innerhalb dieses Bereichs) höherer Partialdruck bevorzugt. Grundsätzlich ist dabei auch die Verwendung von Rein-Sauerstoff möglich, allerdings unterstützt der Einsatz von Kohlenstoffdioxid eine Aufkohlung der Bauteiloberfläche, so dass die Bildung der hydrophoben Bauteiloberfläche begünstigt wird.In a suitable further development for the formation of the hydrophobic component surface, for aluminium, in particular for pure aluminium (ie with an aluminium content of 99.5, preferably 99.9%), as component material, a carbon dioxide-inert gas mixture and a tempering agent are used as the process fluid. temperature value within the process gap of at least 200 °C up to a maximum of a melting temperature value (of the aluminum). In addition, an oxygen partial pressure of more than about 10 -40 atm up to an upper limit of 10 0 atm is used. A higher partial pressure (within this range) is preferred. In principle, the use of pure oxygen is also possible, but the use of carbon dioxide supports carburization of the component surface, thus promoting the formation of the hydrophobic component surface.

Für Stahl als Bauteilmaterial, insbesondere für Stahl 1.4301, werden in einer zweckmäßigen Weiterbildung zur Bildung der hydrophoben Bauteiloberfläche als Prozessfluid ein Kohlenstoffdioxid-Inertgas-Gemisch, ein Temperaturwert innerhalb des Prozessspalts von weniger als 900 °C, insbesondere von wenigster 550 °C, und ein vorgegebener Sauerstoff-Partialdruck herangezogen werden. Dabei ein Sauerstoff-Partialdruck von weniger als einem insbesondere temperaturabhängigen oberen Grenzwert herangezogen. Vorzugsweise wird als dieser obere Grenzwert bei 400 °C ein Wert von 10-24 atm und bei 800 °C ein Wert von 10-10 atm herangezogen. Dabei gilt insbesondere näherungsweise umgekehrt zu Aluminium, dass ab diesem Grenzwert ein niedrigerer Sauerstoff-Partialdruck einen stärkeren (positiven) Effekt für die Bildung der hydrophoben Bauteilfläche hat.For steel as a component material, in particular for steel 1.4301, in an expedient further development for forming the hydrophobic component surface, a carbon dioxide-inert gas mixture, a temperature value within the process gap of less than 900 °C, in particular of at least 550 °C, and a predetermined oxygen partial pressure are used as the process fluid. An oxygen partial pressure of less than an upper limit value, which is particularly dependent on the temperature, is used. Preferably, this upper limit value is a value of 10 -24 atm at 400 °C and a value of 10 -10 atm at 800 °C. In particular, the opposite applies to aluminum, in that from this limit value onwards a lower oxygen partial pressure has a stronger (positive) effect on the formation of the hydrophobic component surface.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung zur Ausbildung einer hydrophilen (insbesondere einer superhydrophilen) Bauteiloberfläche, also zur Einstellung eines hydrophilen Benetzungsverhaltens, wird das Prozessfluid derart gewählt, dass sich bei Aluminium als Bauteilmaterial Böhmit oder insbesondere Böhmitverbindungen bilden. Für Stahl als Bauteilmaterial wird das Prozessfluid für eine solche hydrophobe Bauteiloberfläche vorzugsweise derart gewählt, dass sich Eisen(III)-Hydroxidverbindungen, oder bei Kupfer als Bauteilmaterial Kupfer(II)-Hydroxidverbindungen einstellen. Vorzugsweise sollen sich also für (super-) hydrophile Bauteileigenschaften Hydroxidverbindungen einstellen.In an expedient further development for the formation of a hydrophilic (in particular a superhydrophilic) component surface, i.e. for setting a hydrophilic wetting behavior, the process fluid is selected such that boehmite or in particular boehmite compounds are formed when aluminum is the component material. For steel as the component material, the process fluid for such a hydrophobic component surface is preferably selected such that iron(III) hydroxide compounds are formed, or for copper as the component material, copper(II) hydroxide compounds are formed. Hydroxide compounds should therefore preferably be formed for (super-) hydrophilic component properties.

Bevorzugt wird hierzu, insbesondere also zur Ausbildung der jeweiligen Hydroxidverbindungen, Wasser (H2O), bspw. in Form von Wasserdampf, als Prozessfluid gewählt. Vorzugsweise wird hierbei der Anteil an gebundenem Sauerstoff in Form von H2O im Verhältnis zu freiem Sauerstoff möglichst hoch gewählt. Insbesondere wird hierzu Wasserdampf in einem Inertgas (oder einem Inertgasgemisch) transportiert.Preferably, water (H 2 O), for example in the form of water vapor, is chosen as the process fluid for this purpose, particularly for the formation of the respective hydroxide compounds. Preferably, the proportion of bound oxygen in the form of H 2 O in relation to free oxygen is chosen to be as high as possible. In particular, water vapor is transported in an inert gas (or an inert gas mixture).

Für die Einleitung von Wasser wird vorzugsweise ein Temperaturwert von mindestens 100 °C (sowohl für Aluminium, als auch für Stahl und Kupfer) gewählt. Insbesondere wird der Temperaturwert aber derart gewählt, dass eine schlagartige Expansion des Wassers vermieden wird. Optional kann, um dies zu vermeiden, bereits entsprechend erhitzter Wasserdampf eingeleitet werden.For the introduction of water, a temperature value of at least 100 °C is preferably selected (for aluminum, steel and copper). In particular, the temperature value is selected in such a way that a sudden expansion of the water is avoided. To avoid this, appropriately heated steam can optionally be introduced.

In einer zweckmäßigen Verfahrensvariante werden die hier und im Folgenden beschriebenen Einstellungen (oder: Parameter) sowie auch das entsprechende Prozessfluid, das in Verbindung den Parametern zur Ausbildung der jeweiligen hydrophoben oder auch der hydrohilen Oberflächeneigenschaften des Bauteils - insbesondere also zu den vorstehend beschriebenen Verbindungen in der jeweiligen Bauteiloberfläche - führen, einem sogenannten Ellingham-Diagramm entnommen. Aus diesem lassen sich insbesondere die freie Bildungsenergie von Metalloxiden und der korrespondierende Sauerstoffpartialdruck im Gleichgewicht (Equilibrium) ablesen. Für die vorstehend beschriebene Bildung von Oxiden und/oder Graphit für hydrophobe Stahl- oder Aluminium-Bauteile wird im Ellingham-Diagramm zunächst der genutzte Temperaturwert gewählt, die entsprechende Reaktionskurve (für das entsprechende Metalloxid) identifiziert und dessen Schnittpunkt mit der vertikalen Isotherme ermittelt. Anschließend wird der Kohlenstoff-Nullpunkt (etwa mittig an Ordinate und mit „C“ markiert) oder der Sauerstoff-Nullpunkt (Nullpunkt „O“ der Ordinate links oben) gewählt und jeweils eine Gerade durch den zuvor ermittelten Schnittpunkt gelegt. Diese Gerade liefert (je nach Ausgangspunkt „C“ oder „O“) das Gleichgewichts-Partialdruckverhältnis CO/CO2 bzw. den Gleichgewichts-Sauerstoff-Partialdruck für die gewünschte Reaktion und Temperatur. Für die Ausbildung der Hydroxidverbindungen ist das Vorgehen vergleichbar, wobei zum Auslesen der entsprechenden Grenzwerte ein Ellingham-Diagramm erforderlich ist, in dem eine H/H2O-Partialdruckverhältnisskala vorhanden ist.In a practical process variant, the settings (or parameters) described here and below, as well as the corresponding process fluid, which in conjunction with the parameters lead to the formation of the respective hydrophobic or hydrophilic surface properties of the component - in particular to the compounds described above in the respective component surface - are taken from a so-called Ellingham diagram. From this, the free formation energy of metal oxides and the corresponding oxygen partial pressure in equilibrium can be read off. For the formation of oxides and/or graphite for hydrophobic steel or aluminum components described above, the temperature value used is first selected in the Ellingham diagram, the corresponding reaction curve (for the corresponding metal oxide) is identified and its intersection with the vertical isotherm is determined. Then the carbon zero point (approximately in the middle of the ordinate and marked with "C") or the oxygen zero point (zero point "O" of the ordinate top left) is selected and a straight line is drawn through the previously determined intersection point. This straight line provides (depending on the starting point "C" or "O") the equilibrium partial pressure ratio CO/CO 2 or the equilibrium oxygen partial pressure for the desired reaction and temperature. The procedure is similar for the formation of hydroxide compounds, although an Ellingham diagram is required to read the corresponding limit values, in which an H/H 2 O partial pressure ratio scale is present.

Im Hinblick auf die Ausbildung von hydrophoben Bauteileigenschaften wird vorzugsweise, sofern sich im Ellingham-Diagramm die Gleichgewichtskurve des entsprechend gewünschten Metalloxids unterhalb der Kohlenstoff-Sauerstoff-Reaktionskurven (C+O2=CO2, CO+O=CO2 und C+O=CO) befindet, CO2 als Prozessfluid gewählt. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass neben der Oxidierung der Bauteiloberfläche auch eine Abscheidung von elementarem Graphit ermöglicht, was wiederum die Hydrophobie begünstigt.With regard to the formation of hydrophobic component properties, CO 2 is preferably selected as the process fluid if the equilibrium curve of the desired metal oxide is below the carbon-oxygen reaction curves (C+O 2 =CO 2 , CO+O=CO 2 and C+O=CO) in the Ellingham diagram. This has the additional advantage that in addition to oxidizing the component surface, it also enables the deposition of elemental graphite, which in turn promotes hydrophobicity.

In einer weiteren zweckmäßigen Verfahrensvariante wird als Mikrostruktur ein Gitter aus parallelen und sich rechtwinklig kreuzenden Rippen in die Kavitätswand eingebracht. Mittels dieser Mikrostruktur wird entsprechend ein Gitter aus parallelen und sich rechtwinklig kreuzenden Rillen (oder: Nuten) in dem Bauteil erzeugt. Eine derartige, regelmäßige Mikrostruktur hat gegenüber unregelmäßigen Strukturen den Vorteil der einfacheren Herstellbarkeit und meist auch einer besseren Entformbarkeit.In another useful process variant, a grid of parallel and perpendicularly intersecting ribs is introduced into the cavity wall as a microstructure. Using this microstructure, a grid of parallel and perpendicularly intersecting grooves (or: slots) is created in the component. Such a regular Compared to irregular structures, microstructure has the advantage of being easier to manufacture and usually also easier to demold.

In einer bevorzugten Weiterbildung werden zur Ausbildung der (insbesondere super-) hydrophoben sowie vorzugsweise auch der (super-) hydrophilen Bauteiloberfläche (zusätzlich oder alternativ zu dem vorstehend beschriebenen Einsatz des Prozessfluids) für Aluminium als Bauteilmaterial die Rippen mit einer Breite von 20 µm, einer Höhe von wenigstens 50 µm und einem Abstand zueinander von 80 µm ausgebildet.In a preferred development, in order to form the (in particular super-) hydrophobic and preferably also the (super-) hydrophilic component surface (in addition to or alternatively to the use of the process fluid described above) for aluminum as the component material, the ribs are formed with a width of 20 µm, a height of at least 50 µm and a distance from one another of 80 µm.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden zur Ausbildung der (insbesondere super-) hydrophoben sowie vorzugsweise auch der (super-) hydrophilen Bauteiloberfläche (zusätzlich oder alternativ zu dem vorstehend beschriebenen Einsatz des Prozessfluids) für Stahl als Bauteilmaterial die Rippen mit einer Breite von 10 µm, einer Höhe von wenigstens 20 µm und einem Abstand zueinander von 30 µm ausgebildet werden.In a further preferred development, in order to form the (in particular super-) hydrophobic and preferably also the (super-) hydrophilic component surface (in addition to or alternatively to the use of the process fluid described above) for steel as the component material, the ribs are formed with a width of 10 µm, a height of at least 20 µm and a distance from one another of 30 µm.

Anhand der vorstehend beschriebenen Rippen ergeben sich entsprechend Strukturen in der Bauteiloberfläche mit einer Breite von 10 bzw. 20 µm und einer Tiefe von 20 bzw. 50 µm oder wie vorstehend beschrieben zumindest mit einem entsprechenden Abschlag im Rahmen einer hinreichenden Abformung.Based on the ribs described above, corresponding structures are created in the component surface with a width of 10 or 20 µm and a depth of 20 or 50 µm or, as described above, at least with a corresponding reduction within the scope of sufficient molding.

Sowohl für Aluminium als auch für Stahl hat sich hierbei gezeigt, dass die Mikrostruktur zwar einen Einfluss auf die Bauteileigenschaften, konkret auf das Benetzungsverhalten, hat, aber dieser Einfluss bei Kombination mit der Oberflächenbehandlung mit dem Prozessfluid von letzterem bestimmt wird und dabei - bei gleicher Gestaltung - sowohl für eine hydrophobe als auch für eine hydrophile Bauteiloberfläche geeignet ist. Dieser Effekt, dass sich bei gleicher Mikrostruktur superhydrophobes oder superhydrophiles Benetzungsverhalten einstellen lässt, beruht unter anderem darauf, dass hier vornehmlich Rauhigkeitsspitzen, mit denen die eine auf das Bauteil applizierte Flüssigkeit in Kontakt kommt, und deren chemische (oder metallurgische) Zusammensetzung zum Tragen kommen und somit die Bauteileigenschaften hinsichtlich des Benetzungsverhaltens beruhen.For both aluminum and steel, it has been shown that the microstructure does indeed have an influence on the component properties, specifically on the wetting behavior, but that this influence is determined by the latter when combined with the surface treatment with the process fluid and is suitable for both a hydrophobic and a hydrophilic component surface - with the same design. This effect, that superhydrophobic or superhydrophilic wetting behavior can be achieved with the same microstructure, is based, among other things, on the fact that it is primarily roughness peaks with which the liquid applied to the component comes into contact and their chemical (or metallurgical) composition that come into play and thus the component properties are based on the wetting behavior.

In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird für Aluminium als Bauteilmaterial die Kavitätswand oder deren Oberflächenschicht aus nicht-metallischem Material, konkret aus einem Aluminiumtitanat ausgebildet. Für Kupfer als Bauteilmaterial kommt vorzugsweise eine Kavitätswand (bzw. Oberflächenschicht) aus einem Zirkonium-basierten Material und für Stahl bevorzugt aus Chrom-Vanadium-Nickel zum Einsatz. Für Stahl können des Weiteren auch Nitrid- oder Carbid-Keramiken (massiv oder als Beschichtung) zum Einsatz kommen. Vorzugsweise kommt das jeweilige Material für die Kavitätswand in dem Bereich zum Einsatz, in dem die hydrophobe Bauteiloberfläche erzeugt werden soll. In anderen Bereichen der Kavität können dagegen andere Materialen, vorzugsweise aber auch Keramiken, zum Einsatz kommen. Die vorstehend beschriebenen nicht-metallischen Materialien haben dabei den Vorteil, dass diese mit der jeweiligen Metallschmelze vergleichsweise gering oder nicht interagieren, somit kaum oder keine Atome bei der Benetzung oder dem Kontakt mit der Metallschmelze gelöst werden und deshalb auch keine (zumindest oberflächennahe) Kontamination (oder „Umlegierung“) bei dem hergestellten Bauteil eintritt. Letzteres ist hinsichtlich der Benetzungseigenschaften sowie auch der vorzugsweise nachbearbeitungsfreien Herstellung des Bauteils vorteilhaft.In a preferred process variant, the cavity wall or its surface layer is made of non-metallic material, specifically aluminum titanate, for aluminum as the component material. For copper as the component material, a cavity wall (or surface layer) made of a zirconium-based material is preferably used, and for steel, preferably chromium-vanadium-nickel. Nitride or carbide ceramics (solid or as a coating) can also be used for steel. The respective material for the cavity wall is preferably used in the area in which the hydrophobic component surface is to be created. In other areas of the cavity, however, other materials, preferably ceramics, can be used. The non-metallic materials described above have the advantage that they interact relatively little or not at all with the respective molten metal, so that hardly any or no atoms are dissolved when wetting or in contact with the molten metal and therefore no contamination (or "realloying") (at least near the surface) occurs in the manufactured component. The latter is advantageous in terms of wetting properties as well as the preferably post-processing-free production of the component.

Besonders bevorzugt wird die Metallschmelze in einem Druckguss-Verfahren in die Kavität eingebracht. Optional erfolgt hierbei nach dem Einbringen der Metallschmelze eine Nachdruckphase, während derer Überdruck (zumindest gegenüber Umgebungsdruck, vorzugsweise aber im Bereich oder oberhalb eines Werkezuginnendrucks) auf die Metallschmelze ausgeübt wird, so dass eine Formfüllung unterstützt sowie abkühlungsbedingter Schwindung entgegengewirkt (eine solche zumindest teilweise ausgeglichen) wird. Optional ist dieser Überdruck aber geringer gewählt als bei herkömmlichen Verfahren, die zur gießtechnischen Abformung von Mikrostrukturen dienen. Bevorzugt liegen Nachdruckwerte für die Ausbildung der Mikrostruktur bei silber- und/oder kupferbasierten Legierungen im Vakuum-Druckgussverfahren bei etwa 3 bis 5 bar. Bei einem Kaltkammerdruckgussverfahren, wie es hier insbesondere für Stahl, optional auch für Aluminium, zum Einsatz kommt, werden insbesondere allerdings Nachdruckwerte in der Größenordnung von bis etwa 800 b bar herangezogen. Die Abformung der Mikrostruktur wird im vorliegend beschriebenen Verfahren vorzugsweise im Wesentlichen durch die Wahl des Materials für die Kavitätswand sowie optional auch der Temperaturwahl von Metallschmelze und Gießwerkzeug beeinflusst und ermöglicht.The molten metal is particularly preferably introduced into the cavity in a die-casting process. Optionally, after the molten metal has been introduced, a holding pressure phase takes place during which overpressure (at least compared to ambient pressure, but preferably in the range of or above an internal tool pressure) is exerted on the molten metal, so that mold filling is supported and cooling-related shrinkage is counteracted (at least partially compensated for). Optionally, however, this overpressure is selected to be lower than in conventional processes used for the casting of microstructures. Preferably, holding pressure values for the formation of the microstructure in silver and/or copper-based alloys in the vacuum die-casting process are around 3 to 5 bar. In a cold chamber die-casting process, as is used here in particular for steel, optionally also for aluminum, holding pressure values in the order of magnitude of up to around 800 bar are used. In the process described here, the molding of the microstructure is preferably influenced and enabled essentially by the choice of the material for the cavity wall and optionally also the temperature selection of the molten metal and the casting tool.

Das erfindungsgemäße Gießwerkzeug ist zur Verwendung in dem vorstehend beschriebenen Verfahren eingerichtet und vorgesehen. Dazu weist das Gießwerkzeug die zur Ausbildung des metallischen Bauteils eingerichtete Kavität auf. Hierbei ist zumindest ein Bereich der Kavität (insbesondere der Bereich, in dem die hydrophobe oder hydrophile Bauteiloberfläche erzeugt werden soll) durch die Kavitätswand aus nicht-metallischem Material gebildet. Vorzugsweise ist dieses nicht-metallische Material - wie vorstehend beschrieben - abhängig von dessen Benetzungsverhalten mit der Metallschmelze gewählt. Vorzugsweise ist dieses nicht-metallische Material dahingehend gewählt, dass dieses Material eine „schlechte“ Benetzung oder Haftung mit der Metallschmelze und insbesondere dem dieser zugrundeliegenden Metall aufweist, um eine einfache Entformung zu ermöglichen. Bevorzugt werden dazu thermophysikalische Eigenschaften, eine Grenzflächenchemie zwischen der Metallschmelze und dem nicht-metallischen Material und dergleichen berücksichtigt. Außerdem ist in die Kavitätswand aus dem nicht-metallischem Material, insbesondere also in den vorgenannten Bereich, die vorstehend beschriebene Mikrostruktur zur (insbesondere gezielten) Einstellung des Benetzungsverhaltens des Bauteils eingebracht.The casting tool according to the invention is designed and intended for use in the method described above. For this purpose, the casting tool has the cavity designed to form the metallic component. At least one region of the cavity (in particular the region in which the hydrophobic or hydrophilic component surface is to be produced) is formed by the cavity wall made of non-metallic material. Preferably, this non-metallic material is - as described above - dependent on its wetting behavior with the metal melt. Preferably, this non-metallic material is selected such that this material has "poor" wetting or adhesion with the metal melt and in particular the metal on which it is based, in order to enable easy demolding. Preferably, thermophysical properties, an interface chemistry between the metal melt and the non-metallic material and the like are taken into account. In addition, the above-described microstructure is introduced into the cavity wall made of the non-metallic material, in particular in the aforementioned area, in order to (in particular specifically) adjust the wetting behavior of the component.

Das Gießwerkzeug weist also die vorstehend im Rahmen des Verfahrens bereits beschriebenen Merkmale sowie auch die sich daraus ergebenden Vorteile in zu der vorstehenden Beschreibung entsprechenden Ausführungsformen ebenfalls auf.The casting tool therefore also has the features already described above in the context of the method as well as the resulting advantages in embodiments corresponding to the above description.

In einer zweckmäßigen Ausführung weist das Gießwerkzeug wenigstens eine, insbesondere gezielt angelegte, Einströmöffnung auf, durch die im bestimmungsgemäßen Einsatz das Prozessfluid für die zusätzliche Beeinflussung des Benetzungsverhaltens des Bauteils in den Prozessspalt zwischen der Kavitätswand und dem Bauteil einströmen kann. Beispielsweise ist die oder die jeweilige Einströmöffnung im Bereich einer Tauchkante des Gießwerkzeugs angeordnet, optional derart, dass die Einströmöffnung erst mit einem teilweisen Öffnen der Kavität freigegeben wird oder auch ständig in der mittels der Tauchkante gebildeten Dichtzarge verdeckt bleibt.In a practical embodiment, the casting tool has at least one, in particular specifically designed, inlet opening through which, when used as intended, the process fluid can flow into the process gap between the cavity wall and the component for additionally influencing the wetting behavior of the component. For example, the respective inlet opening is arranged in the area of a dipping edge of the casting tool, optionally in such a way that the inlet opening is only released when the cavity is partially opened or also remains permanently concealed in the sealing frame formed by the dipping edge.

Des Weiteren weist das Gießwerkzeug in einer zweckmäßigen Ausführung wenigstens eine Absaugöffnung auf, durch die im bestimmungsgemäßen Einsatz die Kavität unter Unterdruck gesetzt werden kann. Außerdem können mittels an diese Absaugöffnung angelegtem Unterdruck auch Reaktionsgase abgezogen werden und/oder eine Regelung des Sauerstoff-Partialdrucks im Prozessspalt ermöglicht werden.Furthermore, in a practical embodiment, the casting tool has at least one suction opening through which the cavity can be placed under negative pressure when used as intended. In addition, reaction gases can also be extracted by means of negative pressure applied to this suction opening and/or regulation of the oxygen partial pressure in the process gap can be made possible.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist zumindest ein Bereich der Kavität zur Einstellung einer Größe des Prozessspaltes verschiebbar gestaltet (bspw. unter Nutzung der vorstehend genannten Tauchkante oder mittels beweglicher Untereinheiten des Gießwerkzeugs, z. B. Schieber, Pinolen oder dergleichen).In a further expedient embodiment, at least one region of the cavity is designed to be displaceable in order to adjust the size of the process gap (e.g. by using the above-mentioned dipping edge or by means of movable sub-units of the casting tool, e.g. slides, quills or the like).

Außerdem weist das Gießwerkzeug eine Heizvorrichtung auf, mittels derer unter anderem auch die Temperatur im Prozessspalt eingestellt werden kann. Bspw. weist die Heizvorrichtung neben den klassischen „Kühlkanälen“ auch aktiv heizbare Elemente, bspw. Heizpatronen auf.The casting tool also has a heating device, which can be used, among other things, to adjust the temperature in the process gap. For example, in addition to the classic “cooling channels”, the heating device also has actively heatable elements, such as heating cartridges.

Der Vorteil des vorstehend beschriebenen Verfahrens liegt insbesondere darin, dass eine Nachbehandlung zur Ausbildung von Benetzungseigenschaften (bspw. Hydrophobie; bspw. mittels strahlbasierter Beschichtungsverfahren) und oftmals dafür erforderliche Zwischenschritte (Entfernung von Oxidschichten und dergleichen) entfallen können. Außerdem führt das Verfahren zu haltbareren Oberflächeneigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungen, die aufgrund von Abnutzung ihre Benetzungseigenschaften verlieren.The advantage of the method described above is in particular that post-treatment to develop wetting properties (e.g. hydrophobicity; e.g. using jet-based coating processes) and the intermediate steps often required for this (removal of oxide layers and the like) can be omitted. In addition, the method leads to more durable surface properties compared to conventional coatings, which lose their wetting properties due to wear.

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.The conjunction “and/or” is to be understood here and in the following in particular in such a way that the features linked by means of this conjunction can be formed both together and as alternatives to one another.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

  • 1 in einer schematischen Schnittansicht ein Gießwerkzeug für ein metallisches Bauteil,
  • 2 in Ansicht gemäß 1 das Gießwerkzeug im gefüllten Zustand,
  • 3 in einer Detailansicht III gemäß 2 das Gießwerkzeug,
  • 4 in Ansicht gemäß 1 das Gießwerkzeug mit dem Bauteil in einem teilweise abgekühlten Zustand,
  • 5 in einer Detailansicht V gemäß 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Gießwerkzeugs.
In the following, embodiments of the invention are explained in more detail with reference to a drawing. In the drawing:
  • 1 in a schematic sectional view of a casting tool for a metallic component,
  • 2 in view according to 1 the casting tool in the filled state,
  • 3 in a detailed view III according to 2 the casting tool,
  • 4 in view according to 1 the casting tool with the component in a partially cooled state,
  • 5 in a detailed view V according to 4 an alternative embodiment of the casting tool.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are always provided with the same reference symbols in all figures.

In 1 ist schematisch ein Gießwerkzeug 1 zur Herstellung eines metallischen Bauteils 2 (s. 4) dargestellt. Konkret ist das Gießwerkzeugs 1 als Druckgusswerkzeug ausgestaltet. Das Gießwerkzeug 1 weist eine zur Ausbildung des Bauteils 2 eingerichtete Kavität 4 auf. Zumindest ein Bereich der Kavität 4 ist durch eine Kavitätswand 6 aus nicht-metallischem, hier keramischen, Material gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kavitätswand 6 einer (in 1 links dargestellten) Werkzeughälfte 8 zugeordnet. Die an der gegenüberliegenden Werkzeughälfte 10 ausgebildete Kavitätswand 12 ist aus einem anderen nicht-metallischen Material gebildet. In die Kavitätswand 6 ist eine in 3 näher dargestellte Mikrostruktur 14 eingearbeitet, die zur gezielten Einstellung eines Benetzungsverhaltens des metallischen Bauteils 2 ausgestaltet ist. Das keramische Material der Kavitätswand ist abhängig von einem Benetzungsverhalten mit einer Metallschmelze 16 für das metallische Bauteil 2 gewählt, konkret derart, dass eine möglichst geringe Haftung mit diesem Metall - im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Aluminium mit 99,9 Prozent Reinheit („Reinaluminium“) - zu erzielen. Konkret handelt es sich bei dem keramischen Material der Kavitätswand 6 um Aluminiumtitanat.In 1 is a schematic representation of a casting tool 1 for producing a metallic component 2 (see 4 ) is shown. Specifically, the casting tool 1 is designed as a die-casting tool. The casting tool 1 has a cavity 4 designed to form the component 2. At least one area of the cavity 4 is formed by a cavity wall 6 made of non-metallic, here ceramic, material. In the present embodiment, the cavity wall 6 is a (in 1 The cavity wall 12 formed on the opposite tool half 10 is made of a different non-metallic material. A 3 The microstructure 14 shown in more detail is incorporated, which is designed for the targeted adjustment of the wetting behavior of the metallic component 2. The ceramic material of the cavity wall is selected depending on the wetting behavior with a metal melt 16 for the metallic component 2, specifically in such a way that the lowest possible adhesion with this metal - in the present embodiment an aluminum with 99.9 percent purity ("pure aluminum") - is achieved. Specifically, the ceramic material of the cavity wall 6 is aluminum titanate.

Das Gießwerkzeug 1 weist einen Angusskanal 20 auf, durch den hindurch die Metallschmelze 16 in die Kavität 4 eingebracht werden kann. Der Angusskanal 20 ist zu Dosierung mittels eines Ventils 22 reversibel verschließbar.The casting tool 1 has a sprue 20 through which the molten metal 16 can be introduced into the cavity 4. The sprue 20 can be reversibly closed by means of a valve 22 for dosing.

Das Gießwerkzeug 1 ist als Tauchkantenwerkzeug ausgebildet, so dass eine, hier die „rechte“ Werkzeughälfte 10 einen Teil der Kavität 4 topfartig mit einem Kragen 24 umgibt, in den die andere Werkzeughälfte 8 mit ihrer Kavitätswand 6 eintaucht. Der Kragen 24 bildet hierbei eine Tauchkante des Gießwerkzeugs 1. Dabei ist eine vergleichsweise lange Dichtlänge gegeben, so dass die Kavität 4 zumindest geringfügig geöffnet werden kann, ohne dass Dichtwirkung verloren geht. Dies wird in einem nachfolgend näher beschriebenen Verfahren genutzt.The casting tool 1 is designed as a dipping edge tool, so that one, here the "right" tool half 10 surrounds part of the cavity 4 in a pot-like manner with a collar 24, into which the other tool half 8 dips with its cavity wall 6. The collar 24 forms a dipping edge of the casting tool 1. This provides a comparatively long sealing length, so that the cavity 4 can be opened at least slightly without the sealing effect being lost. This is used in a process described in more detail below.

Das Gießwerkzeug 1 weist außerdem eine (nicht vollständig dargestellte) Temperiereinrichtung auf, die wiederum im vorliegenden Ausführungsbeispiel Temperierkanäle 26 in beiden Werkzeughälften 8, 10 aufweist -, mittels der eine Werkzeugtemperatur gesteuert oder geregelt werden kann und somit die Abkühlung der Metallschmelze 16 beeinflusst werden kann. Außerdem weist das Gießwerkzeug 1 zwei Fluidkanäle 28 auf, die mit der Kavität 4 über jeweils eine Einströmöffnung 30 (oder eine Absaugöffnung) in Verbindung stehen. Diese dienen zur Evakuierung („Unterdruckbeaufschlagung“) der Kavität 4 sowie zur Flutung der Kavität 4 mit einem Prozessfluid. Optional dient einer von beiden Fluidkanälen 28 nur zur Evakuierung und der andere nur zur Flutung oder beide jeweils für beides.The casting tool 1 also has a (not fully shown) tempering device, which in the present embodiment has tempering channels 26 in both tool halves 8, 10 - by means of which a tool temperature can be controlled or regulated and thus the cooling of the molten metal 16 can be influenced. The casting tool 1 also has two fluid channels 28, which are each connected to the cavity 4 via an inflow opening 30 (or a suction opening). These are used to evacuate ("apply negative pressure") the cavity 4 and to flood the cavity 4 with a process fluid. Optionally, one of the two fluid channels 28 is used only for evacuation and the other only for flooding, or both are used for both.

Das Gießwerkzeug 1 kommt in einem (Gieß-) Verfahren zur Herstellung des metallischen Bauteils 2 zur Verwendung. Das Verfahren dient konkret dazu, wenigstens eine Oberfläche des Bauteils 2 - hier die mittels der Kavitätswand 6 abgeformte Oberfläche - mit einem spezifischen Benetzungsverhalten zu gestalten. Das Benetzungsverhalten wird dabei bereits im Gießwerkzeug 1 ausgebildet - im Unterschied zu bekannten Verfahren, bei denen ein Benetzungsverhalten auf einem bestehenden Bauteil mittels Oberflächenbeschichtungen oder dergleichen eingestellt wird.The casting tool 1 is used in a (casting) process for producing the metallic component 2. The process is specifically used to design at least one surface of the component 2 - here the surface molded by means of the cavity wall 6 - with a specific wetting behavior. The wetting behavior is already formed in the casting tool 1 - in contrast to known processes in which a wetting behavior is set on an existing component by means of surface coatings or the like.

Das Benetzungsverhalten wird dabei grundsätzlich bereits mittels der vorstehend beschriebenen Mikrostruktur 14 vorgegeben. Diese Mikrostruktur 14 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel für die Erzeugung einer syperhydrophoben Bauteiloberfläche ein Raster von geradlinigen und 90 Grad zueinander angeordneten Rippen 32 auf (s. 3). Diese Rippen 32 sind 50 µm hoch, 20 µm breit und in einem Abstand von 80 µm („Rastermaß“) zueinander angeordnet. Somit dient die Mikrostruktur 14 dazu, eine Oberflächenstruktur auf dem Bauteil 2 von Rillen mit einer Tiefe von 50 µm, einer Breite von 20 µm und einem Rastermaß von 80 µm zu erzeugen. Aluminiumtitanat ist für die Kavitätswand 6 deshalb gewählt, da dieses aufgrund seiner Wechselwirkungen mit Reinaluminium bzw. dessen Metallschmelze 16 eine besonders gute Abformung der Mikrostruktur 14 bei gleichzeitig guter Entformbarkeit ermöglicht.The wetting behavior is basically already predetermined by means of the microstructure 14 described above. In the present embodiment, this microstructure 14 has a grid of straight ribs 32 arranged at 90 degrees to one another for the production of a hyperhydrophobic component surface (see. 3 ). These ribs 32 are 50 µm high, 20 µm wide and arranged at a distance of 80 µm (“grid dimension”) from one another. The microstructure 14 thus serves to produce a surface structure on the component 2 of grooves with a depth of 50 µm, a width of 20 µm and a grid dimension of 80 µm. Aluminium titanate is chosen for the cavity wall 6 because, due to its interactions with pure aluminium or its molten metal 16, it enables particularly good molding of the microstructure 14 while at the same time allowing good demoulding properties.

Verfahrensgemäß wird also in einem ersten Verfahrensschritt S1 (s. 1) das hier und im Folgenden beschriebene Gießwerkzeug 1 bereitgestellt, die Metallschmelze 14 des Reinaluminiums bereitgestellt und die Kavität 4 durch wenigstens einen der Fluidkanäle 28 mit Unterdruck beaufschlagt. Das Gießwerkzeug 1 wird zudem mittels der Temperiereinrichtung aufgeheizt. Der dabei eingestellte Werkzeugtemperaturwert wird dabei derart gewählt, dass eine möglichst geringe Temperaturdifferenz zu der Metallschmelze 16 vorliegt. Dies begünstigt die Formfüllung der Kavität 4 durch die Metallschmelze 16 sowie die Abformung der Mikrostruktur 14. Die Metallschmelze 16 stellt dabei eine sogenannte teilerstarrte Schmelze (im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit etwa 5 Prozent Festkörperanteil) dar.According to the method, in a first process step S1 (see 1 ) the casting tool 1 described here and below is provided, the molten metal 14 of the pure aluminum is provided and the cavity 4 is subjected to negative pressure through at least one of the fluid channels 28. The casting tool 1 is also heated by means of the tempering device. The tool temperature value set here is selected in such a way that the temperature difference to the molten metal 16 is as small as possible. This promotes the filling of the cavity 4 by the molten metal 16 and the molding of the microstructure 14. The molten metal 16 represents a so-called partially solidified melt (in the present embodiment with about 5 percent solids content).

In einem zweiten Verfahrensschritt S2 (s. 2) wird die Metallschmelze 16 dosiert und unter Druck in das Gießwerkzeug 1 eingebracht, sowie, um Schwindung zumindest teilweise ausgleichen zu können, mit Nachdruck beaufschlagt. Dabei wird die Mikrostruktur 14 abgeformt. Der Werkzeugtemperaturwert ist außerdem derart gewählt, dass dieser unterhalb der Erstarrungstemperatur der Metallschmelze 16 liegt, so dass die Metallschmelze 16 nach dem Füllen der Kavität 4 erstarrt und das Bauteil 2 ausbildet. Die Fluidkanäle 28 sind dabei verschlossen, um ein Eindringen der Metallschmelze 16 zu verhindern. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Einströmöffnungen 30 so gelegt, dass diese im bestimmungsgemäß geschlossenen Zustand der beiden Werkzeughälften 8 und 10 von der Kavitätswand 6 verdeckt sind. Optional ist das Spaltmaß zwischen der Kavitätswand 6 und dem Kragen 24 derart gewählt, dass eine Evakuierung durch den Fluidkanal 28 oder die Fluidkanäle 28 möglich ist, aber ein Einfließen von Metallschmelze 16 unterbunden.In a second process step S2 (see 2 ), the molten metal 16 is dosed and introduced into the casting tool 1 under pressure, and, in order to be able to at least partially compensate for shrinkage, is subjected to pressure. The microstructure 14 is molded in the process. The tool temperature value is also selected such that it is below the solidification temperature of the molten metal 16, so that the molten metal 16 solidifies after filling the cavity 4 and forms the component 2. The fluid channels 28 are closed in order to prevent the molten metal 16 from penetrating. In the exemplary embodiment shown, the inflow openings 30 are positioned such that they are covered by the cavity wall 6 when the two tool halves 8 and 10 are in the intended closed state. Optionally, the gap between the cavity wall 6 and the collar 24 is selected such that evacuation through the fluid channel 28 or the fluid channels 28 is possible, but inflow of molten metal 16 is prevented.

Um nun das Benetzungsverhalten, also die Ausbildung der superhydrophoben Bauteiloberfläche weiter zu unterstützen, wird in einem dritten Verfahrensschritt S3 die Kavität 4 teilweise um einen sogenannten Prozessspalt 34 (s. 4) geöffnet, bspw. um 55 µm, so dass die der Kavitätswand 6 zugewandte Oberfläche des Bauteils 2 freiliegt, sowie die Einströmöffnungen 30 freiliegen. In diesen Prozessspalt 34 wird nun via wenigstens eines Fluidkanals 28 ein Prozessfluid, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Inertgas-CO2-Gemisch eingeleitet. Dabei liegt die Temperatur innerhalb des Prozessspalts 34 zwischen 200 und 400 °C. Dieser Temperaturwert ergibt sich in einer Variante aufgrund der Abkühlung der Metallschmelze 16 (bzw. des zwischenzeitlich erstarrten Reinaluminiums) auf den Werkzeugtemperaturwert als eine Art Zwischenwert oder wird in einer alternativen Variante durch entsprechende Temperierung (also Temperatursteuerung mittels der Temperiereinrichtung) auf diesem Wertebereich gehalten (temperiert). Die Atmosphäre innerhalb des Prozessspalts 34 wird dabei so eingestellt - bspw. indem der Prozessspalt 34 vor Einleitung des Prozessfluids evakuiert wird -, dass ein Sauerstoff-Partialdruck weniger als 10-5 bar (bspw. 10-6 bar) beträgt.In order to further support the wetting behavior, i.e. the formation of the superhydrophobic component surface, a third process is used In the processing step S3, the cavity 4 is partially expanded by a so-called process gap 34 (see 4 ), for example by 55 µm, so that the surface of the component 2 facing the cavity wall 6 is exposed, and the inflow openings 30 are exposed. A process fluid, in the present embodiment an inert gas-CO 2 mixture, is now introduced into this process gap 34 via at least one fluid channel 28. The temperature within the process gap 34 is between 200 and 400 °C. In one variant, this temperature value results from the cooling of the molten metal 16 (or the pure aluminum which has solidified in the meantime) to the tool temperature value as a kind of intermediate value, or in an alternative variant it is kept (tempered) in this value range by appropriate temperature control (i.e. temperature control by means of the temperature control device). The atmosphere within the process gap 34 is adjusted - e.g. by evacuating the process gap 34 before introducing the process fluid - so that an oxygen partial pressure is less than 10 -5 bar (e.g. 10 -6 bar).

Aufgrund der Flutung des Prozessspalts 34 unter den vorgenannten Bedingungen wird die Oberfläche des aus dem Reinaluminium gebildeten Bauteils 2 aufgekohlt und es werden in der Oberfläche Aluminiumoxide gebildet. Diese verstärken die strukturell (d. h. aufgrund der Abformung der Mikrostruktur 14) bedingte Hydrophobie der Bauteiloberfläche, so dass letztere superhydrophobe Eigenschaften aufweist.Due to the flooding of the process gap 34 under the aforementioned conditions, the surface of the component 2 formed from pure aluminum is carburized and aluminum oxides are formed in the surface. These increase the structural (i.e. due to the molding of the microstructure 14) hydrophobicity of the component surface, so that the latter has superhydrophobic properties.

Nach einer Haltezeit von etwa (im vorliegenden Ausführungsbeispiel) 3 bis 5, hier konkret 4 Stunden, während der das Prozessfluid im Prozessspalt 34 und damit an der Bauteiloberfläche verbleibt, wird das Gießwerkzeug 1 geöffnet, gegebenenfalls unter vorheriger Absaugung des Prozessfluids, und das Bauteil 2 entformt.After a holding time of approximately (in the present embodiment) 3 to 5, here specifically 4 hours, during which the process fluid remains in the process gap 34 and thus on the component surface, the casting tool 1 is opened, if necessary with prior suction of the process fluid, and the component 2 is demolded.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird das Bauteil 2 aus Stahl, konkret einem Stahl 1.4301 , gefertigt. Der grundsätzliche Verfahrensablauf bleibt dabei gleich. Die Kavitätswand 6 wird hier mit einer Beschichtung aus Chrom-Vanadium-Nickel versehen. Die Mikrostruktur 14 wird derart gewählt, dass die Rippen 32 auf der Kavitätswand 6 eine Höhe von 20 µm, eine Breite von 30 µm und ein Rastermaß von 10 µm aufweisen. Die resultierende Oberflächenstruktur des Bauteils 2 weist somit Rillen mit einer Tiefe von 20 µm, einer Breite von 30 µm und einem Rastermaß von 10 µm auf.In an alternative embodiment, the component 2 is made of steel, specifically a steel 1.4301. The basic process sequence remains the same. The cavity wall 6 is provided with a coating of chrome-vanadium-nickel. The microstructure 14 is selected such that the ribs 32 on the cavity wall 6 have a height of 20 µm, a width of 30 µm and a grid dimension of 10 µm. The resulting surface structure of the component 2 thus has grooves with a depth of 20 µm, a width of 30 µm and a grid dimension of 10 µm.

Als Prozessfluid kommt ebenfalls ein Inertgas-CO2-Gemisch zum Einsatz. Allerdings wird die Temperatur im Prozessspalt 34 dabei bei 800 °C gewählt, so dass der Sauerstoff-Partialdruck „nur“ auf unter 10-10 bar abgesenkt werden muss. Unter diesen Bedingungen bilden sich Magnetit- und/oder Maghämit- oder Hämatitverbindungen aus, die ebenfalls gemeinsam mit der Oberflächenstruktur zu einer superhydrophoben Bauteiloberfläche führen.An inert gas-CO 2 mixture is also used as the process fluid. However, the temperature in the process gap 34 is selected at 800 °C, so that the oxygen partial pressure "only" has to be reduced to below 10 -10 bar. Under these conditions, magnetite and/or maghemite or hematite compounds are formed, which, together with the surface structure, also lead to a superhydrophobic component surface.

Um die Evakuierung der Kavität 4 zu ermöglichen ist letztere gegenüber der Umgebung abgedichtet. In 5 ist hierzu schematisch eine Dichtung 40 im Bereich des Kragens 24 dargestellt. Außerdem sind wie der Angusskanal 20 optional auch die Fluidkanäle 28 mittels Ventilen oder dergleichen verschließbar.To enable the evacuation of cavity 4, the latter is sealed from the environment. In 5 For this purpose, a seal 40 is shown schematically in the area of the collar 24. In addition, like the sprue 20, the fluid channels 28 can also optionally be closed by means of valves or the like.

In einem weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Bauteil 2 superhydrophil eingestellt. Der vorstehend beschriebene Ablauf bleibt dabei für Aluminium wie auch Stahl im Wesentlichen gleich. Anstelle des Inertgas-CO2-Gemischs kommt aber Wasser zum Einsatz. Dadurch bilden sich bei Aluminium und Stahl Hydroxidverbindungen aus, die in Verbindung mit der gleichen Mikrostruktur 14 wie für die Hydrophobie zu einem superhydrophilen Benetzungsverhalten führen.In a further embodiment, not shown in detail, the component 2 is made superhydrophilic. The process described above remains essentially the same for both aluminum and steel. However, water is used instead of the inert gas-CO 2 mixture. This causes hydroxide compounds to form in aluminum and steel, which, in conjunction with the same microstructure 14 as for hydrophobicity, lead to superhydrophilic wetting behavior.

In 5 ist außerdem ein alternatives Ausführungsbeispiel für die Fluidkanäle 28 dargestellt. Diese enden hier in einer zwischen dem Kragen 24 und der anderen Werkzeughälfte 8, konkret der Kavitätswand 6, gebildeten Dichtzarge.In 5 An alternative embodiment for the fluid channels 28 is also shown. These end here in a sealing frame formed between the collar 24 and the other tool half 8, specifically the cavity wall 6.

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. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.The subject matter of the invention is not limited to the exemplary embodiments described above. Rather, further embodiments of the invention can be derived by the person skilled in the art from the above description. In particular, the individual features of the invention and their design variants described with reference to the various exemplary embodiments can also be combined with one another in other ways.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
GießwerkzeugCasting tool
22
BauteilComponent
44
Kavitätcavity
66
KavitätswandCavity wall
88th
WerkzeughälfteTool half
1010
WerkzeughälfteTool half
1212
KavitätswandCavity wall
1414
MikrostrukturMicrostructure
1616
MetallschmelzeMetal melt
2020
AngusskanalSprue channel
2222
VentilValve
2424
Kragencollar
2626
TemperierkanalTempering channel
2828
FluidkanalFluid channel
3030
EinströmöffnungInlet opening
3232
Ripperib
3434
ProzessspaltProcess gap
4040
Dichtung Poetry
S1-S3S1-S3
VerfahrensschrittProcess step

Claims (21)

Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils (2), wobei verfahrensgemäß - ein Gießwerkzeug (1) mit einer zur Ausbildung des Bauteils (2) eingerichteten Kavität (4) bereitgestellt wird, - zumindest ein Bereich der Kavität (4) durch eine Kontaktfläche einer Kavitätswand (6) aus nicht-metallischem Material gebildet wird, - in die Kavitätswand (6) aus nicht-metallischem Material eine Mikrostruktur (14) zur Einstellung eines Benetzungsverhaltens des Bauteils (2) eingebracht wird, und - für einen Gießvorgang eine Temperaturdifferenz zwischen einer in die Kavität (4) einzubringenden Metallschmelze (16) und der Kavitätswand (6) und/oder ein Schmelzedruckwert derart eingestellt werden, dass das Bauteil (2) unter hinreichender Abformung der Mikrostruktur (14) entformbar ist.Method for producing a metallic component (2), wherein according to the method - a casting tool (1) is provided with a cavity (4) designed to form the component (2), - at least one region of the cavity (4) is formed by a contact surface of a cavity wall (6) made of non-metallic material, - a microstructure (14) is introduced into the cavity wall (6) made of non-metallic material to adjust a wetting behavior of the component (2), and - for a casting process, a temperature difference between a metal melt (16) to be introduced into the cavity (4) and the cavity wall (6) and/or a melt pressure value are set such that the component (2) can be demolded with sufficient molding of the microstructure (14). Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach einem Einbringen der Metallschmelze (16) in die Kavität (4) ein Prozessfluid in einen Prozessspalt (34) zwischen der Kavitätswand (6) und dem Bauteil (2) eingebracht wird und dadurch eine zusätzliche Beeinflussung des Benetzungsverhaltens des Bauteils (2) vorgenommen wird.Procedure according to Claim 1 , wherein after the molten metal (16) has been introduced into the cavity (4), a process fluid is introduced into a process gap (34) between the cavity wall (6) and the component (2), thereby additionally influencing the wetting behavior of the component (2). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kavität (4) zumindest vor dem Einbringen der Metallschmelze (16) unter Unterdruck gesetzt wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein the cavity (4) is placed under negative pressure at least before the introduction of the molten metal (16). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kavität (4) nach dem Einbringen der Metallschmelze (16) gegenüber der Umgebung abgedichtet wird.Method according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the cavity (4) is sealed from the environment after the introduction of the molten metal (16). Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Kavität (4) zur Einstellung des Prozessspalts (34) geöffnet wird.Method according to one of the Claims 2 until 4 , whereby the cavity (4) is opened to adjust the process gap (34). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei keine Prozesschemie zur Förderung der Entformung zum Einsatz kommt.Method according to one of the Claims 1 until 5 , whereby no process chemicals are used to promote demoulding. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei zur Ausbildung einer hydrophoben Bauteiloberfläche das Prozessfluid derart gewählt wird, dass sich in der Oberfläche des Bauteils (2) Nitride, Oxide und/oder Carbide einstellen.Method according to one of the Claims 2 until 6 , wherein in order to form a hydrophobic component surface, the process fluid is selected such that nitrides, oxides and/or carbides are formed in the surface of the component (2). Verfahren nach Anspruch 7, wobei zur Ausbildung der hydrophoben Bauteiloberfläche das Prozessfluid derart gewählt wird, dass sich bei Aluminium als Bauteilmaterial Aluminiumoxid- und/oder Graphitverbindungen, bei Stahl als Bauteilmaterial Magnetit-, Maghämit-, Hämatit- und/oder Graphitverbindungen oder bei Kupfer als Bauteilmaterial Kupfer(II)-Oxidverbindungen einstellen.Procedure according to Claim 7 , whereby the process fluid is selected to form the hydrophobic component surface in such a way that, when the component material is aluminium, aluminium oxide and/or graphite compounds are formed, when the component material is steel, magnetite, maghemite, hematite and/or graphite compounds are formed, or when the component material is copper, copper(II) oxide compounds are formed. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei für Aluminium als Bauteilmaterial als Prozessfluid ein Kohlenstoffdioxid-Inertgas-Gemisch, ein Temperaturwert innerhalb des Prozessspalts (34) von wenigstens 200 °C bis maximal zu einem Schmelztemperaturwert und ein Sauerstoff-Partialdruck von weniger als 10-5 bar herangezogen werden.Procedure according to Claim 7 or 8th , wherein for aluminum as component material, a carbon dioxide-inert gas mixture, a temperature value within the process gap (34) of at least 200 °C up to a maximum of a melting temperature value and an oxygen partial pressure of less than 10 -5 bar are used as the process fluid. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei für Stahl als Bauteilmaterial, insbesondere für Stahl 1.4301, als Prozessfluid ein Kohlenstoffdioxid-Inertgas-Gemisch, ein Temperaturwert innerhalb des Prozessspalts (34) von weniger als 550 °C [bis Untergrenze] und ein Sauerstoff-Partialdruck von weniger als 10-24 bar herangezogen werden.Procedure according to Claim 7 or 8th , wherein for steel as component material, in particular for steel 1.4301, a carbon dioxide-inert gas mixture, a temperature value within the process gap (34) of less than 550 °C [up to lower limit] and an oxygen partial pressure of less than 10 -24 bar are used as process fluid. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei zur Ausbildung einer hydrophilen Bauteiloberfläche das Prozessfluid derart gewählt wird, dass sich bei Aluminium als Bauteilmaterial Böhmitverbindungen, bei Stahl als Bauteilmaterial Eisen(III)-Hydroxidverbindungen oder bei Kupfer als Bauteilmaterial Kupfer(II)-Hydroxidverbindungen einstellen.Method according to one of the Claims 2 until 6 , whereby in order to form a hydrophilic component surface, the process fluid is selected such that boehmite compounds are formed when the component material is aluminium, iron(III) hydroxide compounds are formed when the component material is steel, or copper(II) hydroxide compounds are formed when the component material is copper. Verfahren nach Anspruch 11, wobei als Prozessfluid, insbesondere zur Ausbildung der Hydroxidverbindungen, Wasser gewählt wird.Procedure according to Claim 11 , whereby water is chosen as the process fluid, in particular for the formation of the hydroxide compounds. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei als Mikrostruktur (14) ein Gitter aus parallelen und sich rechtwinklig kreuzenden Rippen (32) in die Kavitätswand (6) eingebracht wird.Method according to one of the Claims 1 until 12 , wherein a grid of parallel and perpendicularly crossing ribs (32) is introduced into the cavity wall (6) as a microstructure (14). Verfahren nach Anspruch 13, wobei für Aluminium als Bauteilmaterial die Rippen (32) mit einer Breite von 20 µm, einer Höhe von wenigstens 50 µm und einem Abstand zueinander von 80 µm ausgebildet werden.Procedure according to Claim 13 , wherein for aluminum as component material the ribs (32) are formed with a width of 20 µm, a height of at least 50 µm and a distance from one another of 80 µm. Verfahren nach Anspruch 13, wobei für Stahl als Bauteilmaterial die Rippen (32) mit einer Breite von 10 µm, einer Höhe von wenigstens 20 µm und einem Abstand zueinander von 30 µm ausgebildet werden.Procedure according to Claim 13 , wherein for steel as component material the ribs (32) are formed with a width of 10 µm, a height of at least 20 µm and a distance from one another of 30 µm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Kavitätswand (6) aus nicht-metallischem Material für Aluminium als Bauteilmaterial aus einem Aluminiumtitanat, für Kupfer als Bauteilmaterial aus einem Zirkonium-basierten Material und für Stahl aus Chrom-Vanadium-Nickel ausgebildet wird.Method according to one of the Claims 1 until 15 , wherein the cavity wall (6) is made of non-metallic material for aluminum as component material from an aluminium titanate, for copper as a component material from a zirconium-based material and for steel from chromium-vanadium-nickel. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Metallschmelze (16) in einem Druckguss-Verfahren in die Kavität (4) eingebracht wird.Method according to one of the Claims 1 until 16 , wherein the molten metal (16) is introduced into the cavity (4) in a die-casting process. Gießwerkzeug (1), zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, aufweisend eine zur Ausbildung eines metallischen Bauteils (2) eingerichtete Kavität (4), wobei - zumindest ein Bereich der Kavität (4) durch eine Kavitätswand (6) aus nicht-metallischem Material gebildet ist, und - in die Kavitätswand (6) aus nicht-metallischem Material eine Mikrostruktur (14) zur Einstellung eines Benetzungsverhaltens des Bauteils (2) eingebracht ist.Casting tool (1) for use in a method according to one of the Claims 1 until 17 , comprising a cavity (4) designed to form a metallic component (2), wherein - at least one region of the cavity (4) is formed by a cavity wall (6) made of non-metallic material, and - a microstructure (14) for adjusting a wetting behavior of the component (2) is introduced into the cavity wall (6) made of non-metallic material. Gießwerkzeug (1) nach Anspruch 18, aufweisend wenigstens eine Einströmöffnung (30), durch die im bestimmungsgemäßen Einsatz ein Prozessfluid für eine zusätzliche Beeinflussung des Benetzungsverhaltens des Bauteils (2) in einen Prozessspalt (34) zwischen der Kavitätswand (6) und dem Bauteil (2) einströmen kann.Casting tool (1) after Claim 18 , comprising at least one inflow opening (30) through which, during intended use, a process fluid can flow into a process gap (34) between the cavity wall (6) and the component (2) for additionally influencing the wetting behavior of the component (2). Gießwerkzeug (1) nach Anspruch 18 oder 19, aufweisend wenigstens eine Absaugöffnung, durch die im bestimmungsgemäßen Einsatz die Kavität (4) unter Unterdruck gesetzt werden kann.Casting tool (1) after Claim 18 or 19 , comprising at least one suction opening through which the cavity (4) can be placed under negative pressure during normal use. Gießwerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei zumindest ein Bereich der Kavität (4) zur Einstellung einer Größe des Prozessspaltes (34) verschiebbar gestaltet ist.Casting tool (1) according to one of the Claims 18 until 20 , wherein at least one region of the cavity (4) is designed to be displaceable for adjusting a size of the process gap (34).
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10134362A1 (en) 2001-07-14 2003-01-30 Creavis Tech & Innovation Gmbh Structured hydrophobic surfaces, used to produce e.g. containers, pipettes, comprise projections which are parallel and linear, and which have a saw tooth shape

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DE10134362A1 (en) 2001-07-14 2003-01-30 Creavis Tech & Innovation Gmbh Structured hydrophobic surfaces, used to produce e.g. containers, pipettes, comprise projections which are parallel and linear, and which have a saw tooth shape

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