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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Konfigurierung eines Sprühsystems
zur Benetzung einer Gießform
mit Kühl-
und/oder Trennmittel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gießzyklen.
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Zur Herstellung eines Gußteils wird
eine geteilte geschlossene Gießform
verwendet, in die ein flüssiger
oder halbflüssiger
Metallwerkstoff üblicherweise
unter Druck eingebracht wird und dort erstarrt. Dabei erwärmt sich
die Gießform
aufgrund der an sie übertragenen
Wärme des
heißen
Metallwerkstoffs. Im Serienbetrieb, d.h. bei Herstellung vieler
Gußteile in
derselben Gießform
in schneller zeitlicher Folge, muß die auf diese Weise zugeführte Wärme der Gießform zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Gießzyklen
wieder entzogen werden, damit bei jedem Gießzyklus eine vorbestimmte Anfangstemperaturverteilung
der Gießform
vorliegt, welche für
die Herstellung qualitativ hochwertiger Gußteile notwendig ist.
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Zur Kühlung der Gießform wird
im Serienbetrieb ein Sprühsystem
eingesetzt, mit Hilfe dessen zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Gießzyklen
ein Kühlmittel
auf die Wandung der geöffneten
Gießform aufgebracht
wird. Im gleichen Prozessschritt wird oftmals auch ein Trennmittel
auf die Innenwandung der Gießform
aufgetragen, so dass das Kühlmittel
und das Trennmittel zweckmäßigerweise
als Kühl-/Trennmittel-Gemisch
aufgesprüht
wird. Für
eine effektive Kühlung
und für
die dabei erreichte Temperaturverteilung der Gießform ist es dabei von erheblichem Einfluß, wo und
wie die Sprühdüsen des
Sprühsystems
während
des Aufsprü hens
des Kühlmittels
gegenüber
der zu besprühenden
Gießformwandung positioniert
sind, unter welchem Druck, zu welchem Zeitpunkt und für welche
Zeitspanne das Kühlmittel aufgespritzt
wird etc.
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Das Auffinden einer geeigneten Konfiguration
der Sprühvorrichtung
für eine
gegebene Gießform gestaltet
sich als ein sehr kompliziertes, zeitraubendes und kostenintensive
Unterfangen:
Die Sprühvorrichtung
muß nämlich in
einer solchen Weise aufgebaut und gegenüber dem Gießwerkzeug ausgerichtet werden,
daß in
jedem Bereich der Gießform
die richtige Menge von Trennmittel und/oder Kühlmittel aufgetragen wird.
Eine solche Einstellung der Sprühvorrichtung
erfordert im Regelfall einen langwierigen iterativen Prozeß, im Zuge
dessen eine (aufgrund von Erfahrungswerten konfigurierte) Sprühvorrichtung
iterativ immer wieder umgebaut und/oder ergänzt wird, bis die im zugehörigen Gießprozeß hergestellten
Gußteile
die gewünschten
Eigenschaften aufweisen. Ein flexibles Baukastensystem, mit Hilfe
dessen eine neue Sprühvorrichtungen aus
Einzelteilen aufgebaut (bzw. eine bereits bestehende Sprühvorrichtung
verändert
und erweitert) werden kann, ist beispielsweise aus der
DE 43 36 250 A1 bekannt.
Dieses Baukastensystem umfaßt
einen (universell einsetzbaren) Adapter, an den unterschiedliche,
mit Sprühdüsen bestückte Verteilerplatten
und Sprühplatten
angeschraubt werden können, wobei
der Adapter, die Verteilerplatten und die Sprühplatten durch aufschraubbare
oder zwischenschaltbare Module erweiterbar sind. Aufgrund seines
modularen Aufbaus erleichtert ein solches Baukastensystem den Aufbau
einer angepaßten
Sprühvorrichtung
für eine
gegebene Gießform
erheblich. Dennoch ist zur Konfiguration immer noch ein erheblicher
zeitlicher und finanzieller Aufwand nötig, da jede Änderung
an der Sprühvorrichtung
in einem Gießzyklus erprobt
und – in
Abhängigkeit
von dem dabei erzielten Gießergebnis – verworfen,
beibehalten oder weiter verändert
werden muß.
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Weiterhin setzt die Verwendung des
aus der
DE 43 36 250
A1 bekannten modularen Baukastensystems zum Aufbau und
Test einer Sprühvorrichtung
voraus, daß bereits
eine fertige Gießform
vor liegt, anhand derer die Sprühvorrichtung
getestet und angepaßt
werden kann; somit kann mit dem Aufbau der Sprühvorrichtung erst begonnen
werden, wenn die Gießform
fertiggestellt ist. Bei der Vorbereitung der Serienfertigung eines
Gußteils
erfordert somit nach Fertigstellung der Gießform die Konfiguration der
Sprühvorrichtung
einen weiteren erheblichen Zeitaufwand.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit Hilfe dessen möglichst
schnell und kostengünstig
ein an eine Gießform
angepaßtes
Sprühsystem
konfiguriert werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Grundidee der Erfindung besteht
in der Überlegung,
die Konfiguration des Sprühsystems nicht
an der fertigen (physikalischen) Gießform vorzunehmen, sondern
anhand eines rechnerinternen Datenmodells der Gießform durchzuführen. Dies
hat den Vorteil, daß zur
Konfigurierung des Sprühsystem nicht
erst die Herstellung und Inbetriebnahme der Gießform abgewartet zu werden
braucht, sondern daß der
Aufbau und Test eines für
ein gegebenes Gießproblem
geeigneten Sprühsystems
bereits im Zuge der (rechnergestützten)
Konstruktion und Berechnung des zugehörigen Gießwerkzeugs erfolgen kann. Somit
entfällt
der kostspielige und zeitintensive Konfigurationsprozeß des Sprühsystems
an der fertigen (physikalischen) Gießform; auch der Optimierungsaufwand
des Sprühsystems
im Serieneinsatz kann wesentlich reduziert werden.
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Der Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahren
ist ein rechnerinternes Datenmodell der Gießform. Die Erstellung des rechnerinternen
Datenmodells der Gießform
aus einem (CAD-) Datenmodell des zu erzeugenden Gußteils – inklusive
der Konstruktion evtl. benötigter
Schieber, des Anschnitt- und Speisersystems, der Kühlkanäle im Werkzeug etc. – ist Stand
der Technik. Weiterhin sind unterschiedliche Computer-Simulationstools
bekannt, mit Hilfe derer der Gießprozeß simuliert werden kann. So ist
beispielsweise aus der
US 5,097,432 ein
Verfahren bekannt, mit Hilfe dessen die Temperaturverteilung des
geschmolzenen Metallwerkstoffs während des
Gießvorgangs
simuliert werden kann. Die
US 5,377,119 und
die
US 5,677,844 beschreiben
Simulationsverfahren, mit Hilfe derer die Gießparameter so berechnet werden
können,
daß eine
niedrigstmögliche
Zahl von Gaseinschlüssen
im Gußteil
erreicht wird. Weiterhin ist mit dem Softwarepaket MAGMASOFT
® der
Firma MAGMA Gießereitechnologie
GmbH ein Simulationswerkzeug bekannt, mit Hilfe dessen Formfüllung, Erstarrung
und Abkühlung während des
Gießprozesses,
die mechanischen Eigenschaften sowie thermische Spannungen und Verzug
der Gußteile
berechnet werden können.
Insbesondere kann der Gießprozeß unter
Berücksichtigung
der Parameter, die den Wärmefluß und den Wärmehaushalt
beeinflussen, simuliert werden. Dabei kann der gesamte Gießzyklus
unter Berücksichtigung
des Auswerfzeitpunkts, der zeitlicher Steuerung des Öffnungs-
und Schließvorgangs
der Gießform
abgebildet werden. Insbesondere kann das System der Kühl- und
Temperierkanäle
im Inneren der Gießform
und das Abkühlen
der Gießform
zwischen aufeinanderfolgenden Gußvorgängen berücksichtigt werden.
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Erfindungsgemäß wird zur Konfigurierung eines
geeigneten Sprühsystems
für einen
bestimmten Gießvorgang
ausgegangen von einem rechnerinternen Datenmodell eines „Ausgangs"-Sprühsystems, welches
im folgenden durch einen rechnerinternen Iterationsprozeß schrittweise
verbessert, d.h. auf die vorliegende konkrete Gießproblematik
angepaßt wird.
Das „Ausgangs"-Sprühsystem
kann in Grenzen willkürlich
gewählt
sein, sollte aber (zumindest näherungsweise)
an die geometrischen Eigenschaften der vorliegenden Gießform angepaßt sein,
um während des
späteren
Iterationsvorgangs ein sicheres Konvergieren zu gewährleisten.
Insbesondere kann als „Ausgangs"-Sprühsystem
ein Sprühsystem
verwendet werden, welches in der Vergangenheit in einem ähnlichen
Anwendungsfall verwendet wurde (siehe Anspruch 2). Das rechnerinterne
Datenmodell dieses „Ausgangs"-Sprühsystems
umfaßt – neben
der geometrischen Auslegung – die
relevanten Verfahrensparame ter (wie beispielsweise die Aufsprühzeit, Aufsprühdruck,
Kennwerte des Kühlmittels
etc.), die zur Beurteilung der Kühlleistung
des Sprühsystems von
Belang sind.
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Basierend auf dem rechnerinternen
Datenmodell dieses „Ausgangs"-Sprühsystems
wird nun eine rechnerinterne Simulation des Gießprozesses durchgeführt, bei
der – unter
Berücksichtigung
der geometrischen Auslegung der Gießform und des „Ausgangs"-Sprühsystems
sowie der zeitlichen, werkstofftechnischen und sonstigen Parameter
des Gießverfahrens – der Wärmefluß und der
Wärmehaushalt
des Gießverfahrens
bei Verwendung dieses „Ausgangs"-Sprühsystems über mehrere
Gießzyklen hinweg
berechnet wird. Die dabei sich einstellende Wärmeverteilung der Gießform wird
bezüglich
ihrer Serientauglichkeit und in bezug auf ihre Einflüsse auf die
Qualität
der gefertigten Gußteile
bewertet. Bei dieser Bewertung wird die Abweichung der resultierenden
Wärmeverteilung
der Gießformwandung
von einem vorgegebenen Soll-Wärmeverteilung
berechnet. Weicht die berechnete Wärmeverteilung stärker als
ein vorgegebener (lokal veränderlicher)
Schwellenwert von der Soll-Wärmeverteilung
ab, so wird das „Ausgangs"-Sprühsystem
modifiziert, und basierend auf dem Datenmodell des modifizierten
Sprühsystems
wird mit Hilfe des rechnerinternen Simulationsverfahrens erneut
der Wärmefluß bzw. die
Wärmeverteilung
des Gesamt-Gießsystems
als Funktion der Zeit berechnet. Diese iterative Modifizierung des Sprühsystem-Datenmodells und
die damit durchgeführte
Berechnung der resultierenden Wärmeverteilung
der Gießform
wird solange fortgesetzt, bis die mit dem Sprühsystem erreichte Wärmeverteilung
(im Rahmen der vorgegebenen Schwellwerte) der Soll-Wärmeverteilung entspricht, oder
bis die bei aufeinanderfolgenden Iterationsschritten zu erreichende Reduktion
dieser Abweichung unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt.
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Wird das Sprühsystem in dieser erfindungsgemäßen Art
und Weise konfiguriert, so kann das Sprühsystem bereits sehr früh in dem
Entstehungsprozeß des
Gußteils
als CAD-Datensatz in die Simulation der Erstarrungs- und Formfüllvorgänge einbezogen
werden.
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Das Datenmodell des Sprühsystems
kann mit dem Datenmodell der Gießform kombiniert und in ein
gemeinsames CAD-Datenmodell eingebracht werden, so daß das Sprühsystem
optimal an die geometrische Kontur der Gießform und an die – durch die
Simulation ermittelten – kritischen
Wärmebereiche
angepaßt
werden kann.
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Ist das Datenmodell des Sprühsystems
mit Hilfe des oben beschriebenen Iterationsverfahrens auf das vorliegende
Gießproblem
angepaßt
worden, so kann – basierend
auf der dabei gefundenen optimalen Konfiguration des Sprühsystems – nun ein
reales Sprühsystem
aufgebaut werden, das dem vorliegenden Gießproblem optimal angepaßt ist.
Dieses (reale) Sprühsystem
kann bereits vor dem ersten Abgießen der Gußteile aufgebaut und beim Gießen der ersten
Muster verwendet werden. Dies bringt große zeitliche Vorteile beim
Testen der Gießform
im Rahmen der Entwicklung des Gießwerkzeugs mit sich. Weiterhin
führt es
zu deutlichen Qualitäts-
und Quantitätsverbesserungen
in der Serienfertigung, da ab Beginn der Prototypfertigung bereits
ein gut konfiguriertes (d.h. nur geringfügig zu optimierendes) Sprühsystem
zur Verfügung
steht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verlegt somit
die Konfiguration des Sprühsystems
in die (virtuelle) Datenwelt, in der ein iteratives Anpassen des Sprühsystems
wesentlich einfacher und schneller zu bewerkstelligen ist als in
der realen Welt. Somit entfällt
das zeitaufwendige und kostenintensive Optimieren realer Sprühsysteme.
Die Konfigurierung des Sprühsystems
als Datenmodell (d.h. in der virtuellen Welt) kann prozeßbegleitend
zur (oder vor der) Konfiguration des Gießwerkzeugs im Rahmen der Gießprozeßsimulation
erfolgen; die Herstellung eines realen Sprühsystems kann dann parallel
zur Herstellung des realen Gießwerkzeugs
erfolgen. Dadurch werden zusätzlich
Zeit und Kosten gespart gegenüber dem
herkömmlichen
Verfahren, bei dem Konfigurierung, Test und Optimierung des Sprühsystems
erst nach Fertigstellung der (realen) Gießform beginnen konnte.
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Weiterhin kann bei einer Modifikation
des Gießproblems
(Geometrieänderungen
des Gußteils, der
Anschnitte etc.) sehr schnell ein modifiziertes Sprühsystem
erstellt werden, das dem neuen Gießproblem optimal angepaßt ist.
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Vorteilhafterweise wird das (reale)
Sprühsystem
modular aus unterschiedlichen Standardteilen zusammengesetzt (siehe
Anspruch 3). In diesem Fall werden zur Simulation des Sprühsystems
Datenmodelle dieser Standardteile eingesetzt, die dann zum Datenmodell
des Sprühsystems
zusammengesetzt werden. Dies hat den Vorteil, daß ein Zusammenbau des Sprühsystems
aus Standardteilen im Datenmodell besonders einfach zu bewerkstelligen
ist, und daß in
der realen Welt die Standardteile für eine Vielfalt unterschiedlicher
Anwendungsfälle
wiederbenutzt werden können,
was die Kosten bei der Herstellung und Lagerung der Sprühsysteme
wesentlich reduziert.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung
werden die auf diese Weise erzeugten, einem bestimmten Gießproblem
angepaßten
Datenmodelle der Sprühsysteme
in einer Datenbank archiviert (siehe Anspruch 4). Dies hat den Vorteil,
daß bei einem
wiederholten Bearbeiten dieses Gießproblems auf den elektronischen
Datensatz des entsprechenden Sprühsystems
zurückgegriffen
werden kann, aus dem dann – ohne
weitere Tests und Einstellungen am realen Gießwerkzeug – das auf dieses Gießproblem zugeschnittene
reale Sprühsystem
gefertigt werden kann. Besondere Vorteile bringt dies, wenn das Sprühsystem – wie oben
beschrieben – aus
Standardkomponenten eines Baukastensystems zusammengebaut wird:
In diesem Fall können
nämlich
bei der sequentiellen Bearbeitung unterschiedlicher Gießprobleme
dieselben Standardkomponenten verwendet werden, aus denen das Sprühsystem
für das jeweils
aktuelle Gießproblem – unter
Nutzung des archivierten elektronischen Datensatzes – zusammengebaut
wird. Durch diese Archivierung der Sprühsystem-Datenmodelle, verbunden
mit der Wiederverwertbarkeit der Sprühsystem-Standardkomponenten entfallen
die hohen Lager- und Logistikkosten, die mit einer Archivierung
einer Vielzahl realer Sprühsysteme
verbunden sind.
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Bei Beschädigung eines Sprühsystems
im Einsatz stehen exakte Daten zur Verfügung, mit deren Hilfe schnell
und sicher Reparaturen durchgeführt
bzw. Ersatzwerkzeuge hergestellt werden können. Weiterhin kann bei einer
Sprühsystem-Konfiguration
für ein
neues Gießproblem
gezielt auf ein im Archiv befindliches, einem ähnlichen Gießproblem entsprechendes
Sprühsystem-Datenmodell
zugegriffen werden, das dann die Basis für den erfindungsgemäßen iterativen
Konfigurierungsprozeß bildet. Schließlich bildet
die Archivierung der Sprühsystem-Datenmodelle
die Möglichkeit,
Expertenwissen über
die Konfiguration von Sprühsystemen
für bestimmte
Anwendungen zu dokumentieren und weiterzugeben.
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Das rechnerinterne Datenmodell des
Sprühsystems
kann weiterhin verwendet werden, um auf eine besonders schnelle
und einfache Weise eine diesem Sprühsystem angepaßte Aufnahme
für eine Reinigungsanlage
zu konfigurieren, welche den zugehörigen Sprühkopf sowohl intern als auch
extern reinigt. Der Sprühkopf
kann dabei als Ganzes gereinigt werden, ohne ihn in seine Einzelteile
zerlegen zu müssen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert; dabei
zeigen die 1a bis 1e eine schematische Darstellung
von Eizelschritten des erfindungsgemäße Verfahrens zur Konfigurierung
eines Sprühsystems
für eine
Gießform,
nämlich
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1a:
ein rechnerinternes Datenmodell eines Gießwerkzeugs und eines Sprühsystems
(1. Iterationsstufe)
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1b:
eine Wärmeverteilung
der Gießform bei
Verwendung des Sprühsystems
der 1. Iterationsstufe (Simulationsergebnis);
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1c:
eine Wärmeverteilung
der Gießform bei
Verwendung des Sprühsystems
der 2. Iterationsstufe (Simulationsergebnis);
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1d:
Wärmeverteilung
der Gießform
bei Verwendung des Sprühsystems
der letzten Iterationsstufe (Simulationsergebnis);
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1e:
ein reales Sprühsystem
mit der zugehörigen
realer Gießform.
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1a bis 1e zeigen ausgewählte Prozeßschritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Konfigurierung eines Sprühsystems 1 für ein Gießwerkzeug 2 in
einer schematischen Darstellung. Unter „Konfigurierung eines Sprühsystems" soll in diesem Zusammenhang
nicht nur der geometrische Aufbau des Sprühsystems 1, sondern
auch die Auswahl der relevanten Sprühparameter (Ausrichtung des
Sprühsystems 1 gegenüber dem
Gießwerkzeug 2,
Druck und Temperatur des Sprühmediums,
Zeitdauer des Sprühvorgangs
etc.) verstanden werden.
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Das Gießwerkzeug 2 umfaßt eine
Gießform 3,
die in 1e im geöffneten
Zustand dargestellt ist. Die Gießform 3 umfaßt eine
auf einer beweglichen Maschinenplatte 4 montierte bewegliche
Formhälfte 5 und
eine auf einer festen Maschinenplatte 4' montierte feste Formhälfte 5'. Die Formhälften 5, 5' weisen – in 1e gestrichelt dargestellte – Ausnehmungen 6, 6' auf, die im
geschlossenen Zustand der Gießform 3 einen
geschlossenen Gußraum
bilden. Zur Hestellung eines Gußteils
wird der Gußraum
mittels einer – in 1e nicht dargestellten – Befüllungsvorrichtung
mit flüssigem
Gießwerkstoff
gefüllt.
Nach der Erstarrung des Gießwerkstoffs
wird die Gießform geöffnet, das
Gußteil
entnommen und die Gießform für die Herstellung
eines weiteren Gußteils
vorbereitet. Im Rahmen dieser Vorbereitung werden die Innenseiten 7, 7' der Formhälften 5, 5' unter Verwendung
des Sprühsystems 1 mit
einem Kühlmittel
und einem Schmier- und
Trennmittel behandelt. Vorteilhafterweise wird das Schmier- und Trennmittel – wie in 1c angedeutet – gemeinsam
mit dem Kühlmittel
als Kühlmittel/Trennmittel-Gemisch 8 aus
einem Vorratsbehälter 8' zugeführt und
auf die Innenseiten 7, 7' der Formhälften 5, 5' aufgespritzt.
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Das Sprühsystem 1 der 1e umfaßt einen Sprühblock 9,
der am Trägerarm 11 eines
(in 1e nicht dargestellten)
Manipulators, insbesondere eines Portalroboters, befestigt ist.
An dem Sprühblock 9 sind
mehrere Sprühmodule 12 angeordnet,
die Verteilerplatten 13 mit Sprühdüsen 14 aufweisen und
die über
Adapter 15 mit dem Sprühblock 9 verbunden sind.
Nach Abschluß eines
Gießzyklus
und Entnahme des Gußteils
wird der Sprühblock 9 mit
Hilfe des Manipulators 11 in die – in 1e gezeigte – fest einprogrammierte Stellung
in die geöffnete
Gießform 3 eingebracht.
In dieser Stellung sind die Sprühdüsen 14 in
einer solchen Weise auf die Formhälften 5, 5' gerichtet,
daß einerseits
eine gute Kühlung
der Gießform 3,
andererseits eine gleichmäßige Benetzung der
Innenseiten 7, 7' der
Formhälften 5, 5' erreicht wird.
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Trifft das aufgesprühte Kühlmittel-Trennmittelgemisch 8 auf
die heißen
Formhälften 5, 5', so verdampft
das Kühlmittel,
entzieht der Formhälfte 5, 5' die hierzu
benötigte
Verdampfungsenthalpie und bewirkt dabei eine Abkühlung der Formhälfte 5, 5'. Die dabei
erreichte lokale Temperaturverteilung hängt dabei entscheidend von
der Zahl, Lage und Ausrichtung der Sprühdüsen 14 gegenüber den
Formhälften 5, 5' ab. Das Trenn-
und Schmiermittel verbleibt auf der Innenseite 7, 7' der Formhälfte 5, 5' und bildet dort
eine Schicht, die ein Verschweißen
oder Verkleben des im nächsten
Gießzyklus
eingebrachten Metallwerkstoffs mit der Gießform 3 verhindert
und die Entformbarkeit des fertigen Gußteils sicherstellt; weiterhin
werden die beweglichen Teile des Gießwerkzeugs 2, z.B.
Auswerfer oder Schieber, geschmiert. Bei einigen Anwendungen hat
das Trennmittel die zusätzliche
Aufgabe, den Wärmeübergang
zwischen dem eingebrachten Metallwerkstoff und der Gießform 3 während des
Füllvorgangs
zu reduzieren und dadurch ein vorzeitiges Erstarren des flüssigen Metallwerkstoffs
zu verhindern. Die Zahl, Gestaltung und Ausrichtung der Sprühdüsen 14 hat
somit auch einen entscheidenden Einfluß auf die Qualität der Trennmittelschicht
auf der Gießform 3 nach
dem Sprühen.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Konfiguration des
Sprühsystems 1 mit
Hilfe eines rechnerinternen Simulationsverfahrens unter Verwendung
eines elektronischen Datenverarbeitungssystems 10.
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Dies ist symbolisch in 1a bis 1d dargestellt, in denen der die Figuren
umgebende (Bildschirm-)Rahmen 16 andeuten soll, daß es sich
dabei um (Bildschirm-)Darstellungen rechnerinterner Daten handelt.
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Den Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens
bildet ein rechnerinternes Datenmodell 17 des Gießwerkzeugs,
das ausgehend von der (CAD-) Geometrie des herzustellenden Gußteils – unter
Verwendung bekannter Methoden – erstellt wird.
Weiterhin wird ein rechnerinternes Datenmodell 18 eines
Sprühsystems
erstellt, welches den ersten Iterationsschritt bei der Konfigurierung
des auf diesen Anwendungsfall zugeschnittenen Sprühsystems 1 bildet.
Das rechnerinterne Datenmodell 18 kann entweder – unter
Zuhilfenahme von Erfahrungswissen über geeignete Ausformungen
von Sprühsystemen – von Grund
auf neu konstruiert werden; alternativ kann als Ausgangspunkt ein
Datenmodell eines (in einem anderen, verwandten Anwendungsfall verwendeten)
Ausgangs-Sprühsystems
verwendet werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Datenmodell 18 des
Sprühsystems
aus einem Satz von Standardkomponenten (Datensätze 20, 21, 21', 22 von
Sprühblöcken, Adapter,
Verteilerplatten und Sprühdüsen) zusammengesetzt,
die an ein Datenmodell 19 eines Roboter-Trägerarms
anbindbar sind. Neben der geometrischen Form umfaßt das Datenmodell 18 des
Sprühsystems
auch Informationen bezüglich
Aufsprühzeit
und -dauer, Temperatur, Wärmekapazität, Durchsatz
etc. des verwendeten Kühlmediums,
so daß das
Datenmodell 18 des Sprühsystem
alle (bezüglich
der Wirkung auf die Gießform) wichtigen
Geometrie- und Verfahrensparameter enhält. In 1a sind die beiden Datenmodelle 17, 18 von
Gießwerkzeug
und Sprühsystem
in zwei getrennten Bildschirmfenstern dargestellt.
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Liegt sowohl das Datenmodell 17 des
Gießwerkzeugs
als auch das Datenmodell 18 des Sprühsystems vor, so werden die
beiden Datenmodelle 17, 18 in einen gemeinsamen
Datensatz integriert. Dann wird auf dem rechnerinternen Datenmodell 17 des Gießwerkzeugs
eine Simulation der Erstarrungs- und Formfüllvorgänge durchgeführt, im
Rahmen derer der Wärmehaushalt
der Gießform unter
Berücksichtigung
der konkreten Gießparameter
(Werkstoff, Gießtemperatur,
Zykluszeit, ...) über
mehrere Gießzyklen hinweg
als Funktion der Zeit berechnet wird. In dieser Simulation wird
die Kühlwirkung,
die das dem Datenmodell 18 entsprechende Sprühsystem
auf die geöffnete
Gießform
ausübt,
explizit berücksichtigt,
indem das Datenmodell 18 der Sprühvorrichtung zur Simulation
der Abkühlung
der Gießform
zwischen aufeinanderfolgenden Gießvorgängen einbezogen wird. 1b zeigt eine schematische
Momentaufnahme der Temperaturverteilung der Gießform zu einem Zeitpunkt zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Gießzyklen
im geöffneten
Zustand; jede der Linien 23 soll dabei wobei jede der Linien 23 eine
Isotherme (d.h. eine Zone gleicher Temperatur) darstellen. Wie aus 1b ersichtlich, bewirkt
die durch das Datenmodell 18 abgebildete Sprühvorrichtung
in einigen Bereichen (z.B. Bereich 24 mit geringer lokaler
Temperatur an der Innenfläche
der Gießform)
eine gute Abkühlung,
während
die Abkühlung
in anderen Bereichen (z.B. Bereich 25 mit hoher lokaler
Temperatur an der Innenfläche
der Gießform)
unzureichend ist.
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Die auf diese Art und Weise simulierte
zeitliche Temperaturverteilung der Gießform-Oberfläche wird
mit einer erwünschten
(in 1b nicht dargestellten)
Temperaturverteilung verglichen. Weist die in der Simulation berechnete
Temperaturverteilung Abweichungen gegenüber der gewünschten Temperaturverteilung
auf, die größer als
vorgegebene (lokale) Schwellwerte sind, so wird in einem nächsten Schritt
das Datenmodell 18 des Sprühsystems zu einem Datenmodell 18' eines modifizierten
Sprühsystems
verändert
(siehe 1c). Diese Veränderung kann
beispielsweise in einer Änderung
der Zahl und/oder Art der Sprühdüsen 22,
der Lage und/oder Ausrichtung der Sprühdüsen 22 auf den Verteilerplatten,
der Durchflußmenge
des Kühlmittels
etc. bestehen; im Ausführungsbeispiel
der 1c wurde die Zahl
der Sprühdüsen 22 erhöht.
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Anschließend wird der Wärmehaushalt
der Gießform – mit Hilfe
des oben beschriebenen Verfahrens – für einen Gießprozeß unter Verwendung des modifizierten
Datenmodells 18' des
Sprühsystems
simuliert; das Ergebnis ist in 1c dargestellt,
das zeigt, daß die
Bereiche 25 erhöhter
Temperatur bei Verwendung des Datenmodells 18' für das Sprühsystem
kleiner gemacht werden konnten als bei Verwendung des Datenmodells 18 (1b). Basierend auf den dabei
berechneten Simulationsergebnissen wird wiederum die berechnete
zeitliche Temperaturverteilung der Gießform-Oberfläche mit
einer erwünschten Temperaturverteilung
verglichen. Weist die in der Simulation berechnete Temperaturverteilung
immer noch Abweichungen gegenüber
der gewünschten Temperaturverteilung
auf, die größer als
vorgegebene (lokale) Schwellwerte sind, so wird in einem nächsten Schritt
das Datenmodell 18' des
Sprühsystems
zu einem Datenmodell 18'' eines (doppelt)
modifizierten Sprühsystems
verändert,
mit welchem anschließend
eine weitere Simulation durchgeführt wird.
Die Simulation wird so lange fortgesetzt, bis
- – ein „bestgeeignetes" Datenmodell 118 eines Sprühsystems
gefunden wurde, das zu einem (simulierten) Temperaturverlauf des
Gießwerkzeugs führt, welcher
innerhalb der Schwellwerte dem gewünschten Temperaturverlauf entspricht,
oder
- – eine
vorgegebene Anzahl von Simulationsschritten durchgeführt wurde,
ohne daß (innerhalb
der Schwellwerte) der gewünschte
Temperaturverlauf erreicht werden konnte. In diesem Fall ist das „bestgeeignete" Sprühsystem
dasjenige, dessen Datenmodell 118 die geringste Abweichung
vom gewünschten
Temperaturverlauf aufweist, oder
- – die
bei aufeinanderfolgenden Iterationsschritten erreichbare Reduktion
der Abweichungen vom Sollwert innerhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt.
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1d zeigt
das Ergebnis der Simulation des Wärmehaushalts für das Datenmodell 17 des Gießwerkzeug,
das mit einem Sprühsystem
mit Datenmodell 118 gekühlt
wurde. Wie aus der Momentaufnahme der 1d ersichtlich,
weist die Gießform nun
keine Zonen 25 extrem überhöhter Temperatur mehr
auf. Das dem Datenmodell 118 entsprechende Sprühsystem
ist somit in diesem Anwendungsfall gut zur Kühlung der entsprechenden Gießform geeignet.
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Wurde auf diese Weise das Datenmodell 118 des „bestgeeigneten" Sprühsystems
für die
zur Diskussion stehende Gießform
mit Datenmodell 17 gefunden, so wird nun ein entsprechendes
(reales) Sprühsystem 1 gebaut,
dessen Parameter durch das Datenmodell 118 vorgegeben sind.
Im vorliegenden Fall wird das Sprühsystem 1 aus (realen)
modularen Komponenten 9, 13, 14, 15 in
einer Weise zusammengebaut, die der Lage und Ausrichtung der modularen
Komponenten 20, 21, 21', 22 im Datenmodell 118 entsprechen.
Parallel dazu wird ein (reales) Gießwerkzeug 2 erstellt,
dessen Parameter durch das Datenmodell 17 vorgegeben sind.
Das resultierende reale Gießwerkzeug 2 ist
gemeinsam mit dem zugehörigen
realen Sprühsystem 1 in 1e dargestellt. Das Sprühsystem 1 ist
genau auf das Gießwerkzeug 2 hin
konfiguriert, ohne daß (außer einer eventuellen
Feinabstimmung) weitere Modifikationen des Sprühsystems 1 notwendig
sind. Das so konfigurierte Sprühsystem 1 kann
somit vor einem ersten Probeguß aufgebaut
und bereits bei der Herstellung der ersten Test-Gußteile verwendet
werden. Dies führt
zu einer großen
Zeitersparnis bei der Inbetriebnahme der Gießform 3 und deutlichen
Qualitäts-
und Quantitätsverbesserungen
in der Serienproduktion, da ab Beginn des Abgießens schon eine gute und nur noch
in geringem Maße
zu optimierende Sprühvorrichtung 1 verwendet
werden kann.
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Die Modifikationen des Datenmodells 18, 18', ... des Sprühsystems
kann interaktiv oder automatisch (d.h. nach einem Standard-Optimierungsalgorithmus)
durchgeführt
werden. Das Datenmodell 118 des Sprühsystems 1 wird in
einer mit dem Datenverarbeitungssytem 10 verbundenen Datenbank 26 abgelegt,
von wo aus es jederzeit abgerufen werden kann, wenn Gußteile unter
Verwendung des Gießwerkzeugs 2 hergestellt
werden sollen. Weiterhin dient das Datenmodell 118 als
Ausgangspunkt zur Konfiguration von Sprühsystemen für ähnliche Anwendungsfälle.
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Selbstverständlich kann das Datenmodell 18, 18', ..., 118 des
Sprühsystems – neben
dem oben beschriebenen modularen Aufbau aus Komponenten 20, 21, 21', 22 – auch in
einem einzigen Stück konfiguriert
und modifiziert werden. In diesem Fall kann dann – basierend
auf dem Datenmodell 118 für das „bestgeeignete" Sprühsystem – das reale
Sprühsystem 1 beispielsweise
mittels rechnergesteuerter Herstellungsprozesse (CNC-Fräsen etc.)
aus dem Datenmodell 118 erzeugt werden.