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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet
der Fertigungsverfahren für
metallische Werkstoffe.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum kernlosen Gießen
von hohlen Bauteilen gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum kernlosen Gießen zur
Durchführung des
Verfahrens nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
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Aus der Druckschrift
US 3 929 182 ist ein Schleudergußverfahren
zum kernlosen Gießen
von Hohlkugeln bekannt, bei welchem unter einer konstanten Winkelgeschwindigkeit
Hohlkugeln aus einer Metallschmelze in ein Formwerkzeug hergestellt
werden. Bei diesem Verfahren werden gleichmäßige rotationssymmetrische
Hohlkugelformen mit einer konstanten Wanddicke produziert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung sowie ein Verfahren zum kernlosen Gießen von
hohlen Bauteilen anzugeben, welche dafür geeignet sind, komplizierte
Bauteilgestalten zu gießen,
wobei die gegossenen Bauteile in ausgewählten Bereichen während des
Gießens
verstärkt werden
und diesen Bauteilen dadurch zielgerichtet eine gewünschte Steifigkeit
verliehen wird.
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Diese Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird erfindungsgemäß durch
die Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 1 und bezüglich der
Vorrichtung durch die Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 8 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüchen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum kernlosen Gießen
von hohlen Bauteilen aus einer Metallschmelze in ein Formwerkzeug.
Bei diesem Verfahren wird das Formwerkzeug während des Erstarrungsvorgangs
der Metallschmelze in mindestens einer Achse gedreht und/oder geschwenkt,
wobei die Rotations- und/oder
Schwenkgeschwindigkeit während
des Erstarrungsvorgangs variiert wird.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis
zu Nutzen, dass die Metallschmelze während des Drehens und/oder
Schwenkens beim kernlosen Gießen von
hohlen Bauteilen an den Formwerkzeugwänden in unterschiedlicher Form
und Geschwindigkeit erstarrt. Dies führt dazu, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
aufgrund der variablen Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit
ein oder mehrere hohle Bauteile mit unterschiedlichen Wanddicken
an der Aussenkontur erzeugt werden können. Dabei ermöglicht das
Verfahren zum kernlosen Gießen
von hohlen Bauteilen das Herstellen von einfachen und komplexen
Formen bzw. Aussenkonturen. Derartige Bauteile weisen im Vergleich
zu herkömmlichen
Bauteilen bessere mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise
bessere Steifigkeit und Stabilität
bei einem niedrigen Gewicht auf. Diese Bauteile eignen sich aufgrund
ihres geringen Gewichts und wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften
besonders für
Anwendungen in der Automobilindustrie, z. B. als Trägerarten – insbesondere
Integralträger – oder als Fahrwerksteile,
wie Querlenker oder wie Teile der Hinterachse.
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Das erfindungsgemäße Verfahren schafft die Voraussetzungen
zur Herstellung von derartigen Bauteilen ohne den Einsatz von Kernen.
Dies führt
zu einer erheblichen Reduktion der Herstellkosten, insbesondere
durch die Materialeinsparung, das die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens
erhöht.
Gerade durch die Bewegung des Formwerkzeugs in Form eines Schwenkens
und Drehens lassen sich sehr komplexe Bauteile realisieren, die
insbesondere durch unterschiedliche Wandstärken besondere mechanische
Eigenschaften zeigen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung wird der zeitliche Verlauf der Variation der Rotations-
oder Schwenkgeschwindigkeit in Abhängigkeit einer vorherigen oder
gleichzeitig mit dem Herstellungsverfahren durchgeführten Simulation
der Metallschmelzeerstarrung insbesondere in Hinsicht auf eine optimale
Wanddickenverteilung des hohlen Bauteils verändert.
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Die Simulation des zeitlichen Verlaufs
des Erstarrungsvorgangs der Metallschmelze ermöglicht es, gute Vorhersagen über die
durch das Variieren der Rotations- oder Schwenkgeschwindigkeit beeinflussten
Erstarrungsvorgängen
im Bauteil, über
die Werkstoffeigenschaften in ausgewählten Bauteilbereichen und über den
zeitlichen Ablauf der Abkühlungsvorgängen im
Werkstoff bzw. Bauteil zu gewinnen. Damit lassen sich die Bauteileigenschaften
optimieren. Eine zu dem Gießvorgang
gleichzeitig ablaufende Simulation erlaubt außerdem auf Basis von mittels
Sensoren erfasste Gieß-
oder Bauteildaten eine adaptive Veränderung der Parameter für den Gießvorgang
und damit eine verbesserte Einstellung der gewünschten Wanddickenverteilung.
Dies ermöglicht
die Herstellung von sehr hochwertigen Bauteilen.
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Die vorherige Simulation der Erstarrung
der Metallschmelze gewährleistet
eine hinreichend genaue Vorhersage der Geometrie des Bauteils hinsichtlich
werkstoffkundlicher, fertigungstechnischer und konstruktiver Überlegungen.
Anhand der Gießsimulation
mit der Berücksichtigung
insbesondere temperatur- und gefügeabhängiger Werkstoffkenngrößen, wie
bspw. Streckgrenze, Viskosität,
Elastizitätsmodul,
Wärmeleitfähigkeit,
Wärmeausdehnungskoeffizient
usw. werden das Strömungs-,
Einfüll-
und Erstarrungsverhalten berechnet. Zusätzlich liefert die Simulation
Aussagen über
Schrumpfungsprozesse. Dies führt
zu einem kostengünstigen
einfachen Herstellungsverfahren.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung wird das Formwerkzeug während der Rotation und/oder
eines Schwenkens befüllt.
Hierdurch ist eine homogene Verteilung der Metallschmelze entlang
der Außenkontur
des Bauteils gewährleistet. Dabei
führt die
homogene Verteilung der Metallschmelze zu einer gleichmäßigen Erwärmung der Form.
Zusätzlich
wird infolge der Überlagerung
von Rotation und/oder des Schwenkens und der Befüllung des Formwerkzeugs eine
Reduzierung der Gießzeit
erreicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung wird eine erste getrennte Formhälfte befüllt und das Formwerkzeug nach
der Befüllung
mit einer zweiten Formhälfte
geschlossen. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil,
dass trotz der komplizierten Außenkontur
des Formwerkzeugs lediglich eine einfache Vorrichtung, bestehend
aus zwei Formhälften,
verwendet wird. Dabei kann die zweite Formhälfte aus einem oder mehreren
Formteilen bestehen. Dies gewährleistet
ein einfaches Ausformen nach dem Erstarrungsvorgang. Eine weitere Verbesserung
der gewünschten
Werkstoffeigenschaften kann über
einen nachgelagerten Wärmebehandlungsprozess
erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung wird das Formwerkzeug durch eine oder mehrere Formwerkzeugöffnungen
befüllt.
Die Befüllung
des Formwerkzeuges über
eine Werkzeugöffnung
wird mittels einer einfachen Vorrichtung erreicht und zeigt somit
eine kostengünstige
vorrichtung und mithin ein kostengünstiges Gießen. Die Befüllung des
Formwerkzeugs durch mehrere Werkzeugöffnungen gewährleistet
eine schnellere und homogenere Befüllung sowie eine genauere Dosierung der
Metallschmelze. Dies erlaubt das Gießen von sehr komplizierten
Bauteilformen in einer für
das Gießverfahren
kurzen Gießzeit.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung wird die Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit
abhängig
von der Wahl der Achsen differenziert verändert oder gewählt. Nach
diesem Verfahren wird insbesondere durch eine differenzierte Veränderung
der miteinander überlagerten
Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit eine bessere Verteilung
der Metallschmelze auf der Außenkontur
bei einfachen und im Besonderen auch bei sehr komplexen Bauteilformen
ermöglicht.
Dabei wird die differenzierte Veränderung der Rotations- und Schwenkgeschwindigkeit
abhängig
von der jeweiligen Bauteilform gewählt.
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In einer weiteren günstigen
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
steht das Formwerkzeug während
des Erstarrungsvorgangs des flüssigen
Metalls unter Innenüber-
oder aber unter Innenunterdruck. Hierdurch wird die Herstellung
von Bauteilen mit besseren Werkstoffeigenschaften ermöglicht.
Das Vorhandensein einer Schutzgasatmosphäre, deren Zusammensetzung beispielsweise
so gewählt
wird, dass weder Ab- und Auskohlungen noch Oxydation der Metallschmelze
innerhalb der Bauteilform auftritt, ermöglicht eine Reduzierung von Oxydationsvorgängen und
führt damit
zu hochwertigen Bauteilen, die insbesondere bei gleichzeitigem Einstellen
eines gewünschten
Innenüber-
oder Innenunterdrucks zusätzlich
verbessert werden. Dadurch werden mögliche Schrumpfungen an ungünstigen
Stellen vermieden, die zu einer Lunkerbildung führen können. Eine verbesserte Gußqualität mit entsprechend
geringeren oxydierten Einschlüssen
kann damit erreicht werden.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus
eine Vorrichtung zum kernlosen Gießen zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Vorrichtung enthält
eine Steuereinrichtung, die die variable Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit
einstellt. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung
erlaubt die Herstellung von gegossenen Hohlbauteilen und zeigt somit
die vergleichbaren Vorteile, wie bereits bei der Beschreibung des
Gegenstands des Anspruchs 1 genannt sind.
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In einer besonderen Weiterbildung
der Vorrichtung ist eine Simulationseinrichtung vorgesehen, welche
mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Sie wirkt mit einer Steuereinheit
dahingehend zusammen, dass die Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit
entsprechend den Ergebnissen der gleichzeitig ablaufenden oder vorab
abgeschlossenen Simulation variiert wird.
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Die Simulationseinrichtung ermöglicht über die
Steuereinrichtung die zielgerichtete, optimierte Beeinflussung der
Strömung
des flüssigen
Metalls auf der Innenkontur des Formwerkzeuges bzw. des Bauteils.
Damit kann beispielsweise erreicht werden, dass das Abkühlverhalten
und die Erstarrung durch anhand der Simulation optimierte Gießparameter
wie Dreh- und/oder
Rotationsgeschwindigkeit aber auch Abkühltemperatur gleichmäßig verlaufen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
einer in 1 dargestellten,
beispielhaften Ausführungsform
dargestellt.
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Die Erfindung ist nicht nur auf die
zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von
kernlos gegossenen hohlen Bauteilen auch Hohlkörper genannt mit den Schritten:
a) Eingießen, b)
Rotieren und Schwenken, c) Entleeren und d) Entnehmen.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 werden in dem Verfahren
zum kernlosen Gießen
aus einer Metallschmelze 8 einfache Hohlkörper 7 in Form
von Hohlkugeln mit nicht rotationssymmetrischen Wandstärkenverteilung
mittels eines Formwerkzeugs 1 als Teil einer Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens hergestellt. Die Vorrichtung zum kernlosen Gießen besteht
aus einer Steuereinrichtung – hier
nicht dargestellt – zur
Steuerung der variablen Rotations- und Schwenkgeschwindigkeit des Formwerkzeuges 1,
welches aus zwei Formhälften 2, 3 besteht.
Zunächst
wird gemäß Schritt
a) das Formwerkzeug 1 mit einer flüssigen Metallschmelze 8 befüllt. Die
Befüllung
kann durch eine oder mehrere Formwerkzeugöffnungen – hier nicht dargestellt – in das
Formwerkzeug 1 erfolgen. Dabei überschneidet sich der Befüllvorgang
auch mit dem nächsten
Schritt b), der das Rotieren und Schwenken beinhaltet. Das Rotieren
und Schwenken ist mit Pfeilen dargestellt. Dabei wird das Formwerkzeug 1 in
Drehung versetzt und geschwenkt. Die Metallschmelze 8 hat
unter der Wirkung der Schwerkraft das Bestreben, stets im tiefsten
Punkt der Vertiefung des Hohlraums 4 des Formwerkzeugs 1 zu
bleiben.
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Durch den Schritt b), bei dem das
Formwerkzeug 1 um verschiedene Raumachsen rotiert und geschwenkt
wird, gelangt die flüssige
Metallschmelze 8 an unterschiedliche Bereiche der Innenkontur 5 des Formwerkzeugs 1,
wodurch sie an der Formwerkzeuginnenwand 5 erstarrt. Durch
Haltezeiten oder Variation der Rotationsgeschwindigkeiten und Verschwenkgeschwindigkeiten
werden unterschiedliche Wanddicken erzeugt. Durch diese variierte
Rotations- und Schwenkbewegungen wird dabei die gesamte Innenkontur 5 des
Formwerkzeugs 1 – diese entspricht
der Formwerkzeuginnenwand – mit
der flüssigen
Metallschmelze 8 beaufschlagt, wodurch sich der Hohlkörper 7 mit
differenzierten Wandstärken
durch Erstarren bildet. Ein eventuell verbleibender Rest an Metallschmelze 6 wird
gemäß Schritt
c) durch die nicht dargestellten Werkzeugöffnungen entleert.
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Ist das Bauteil komplett erstarrt
werden gemäß Schritt
d) die Formhälften 2 und 3 getrennt
und das Bauteil 7 entnommen. Die vollständige Abkühlung erfolgt außerhalb
des Formwerkzeugs 1.
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Die durch das beschriebene Verfahren
hergestellten hohlen Bauteilen aus einer Metallschmelze zeigen unterschiedliche
Wandstärken
und weisen damit eine besondere Steifigkeit auf.