DE10351177B4 - Verfahren und Vorrichtung für ein dreidimensionales Vibrationssystem für Gießbehälter beim Lost-Foam-Gießverfahren - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Verteilung und Verfestigung von ungebundenem Sand um eine Traube von Styropormodellen in einem Gießbehälter beim Lost-Foam Gießverfahren dadurch gekennzeichnet, daß prozessorgesteuert entsprechend einem Soll-Ist Vergleich in Echtzeit die fortlaufende oder schichtweise Sandbefüllung des Gießbehälters mit eingebrachter Styropormodelltraube einem fortlaufenden oder unterbrochenem dreidimensionalen Rüttelvorgang in der x, y und z-Achse unterzogen wird wobei die servohydraulisch erzeugten Rüttelbewegungen jeweils genau linear erfolgen und die Parameter Rüttelfrequenz, Rüttelamplitude, Rüttelkraft und Rütteldauer unabhängig voneinander an jedem einzelnen hydraulischen Rüttler in den 3 Raumachsen individuell geändert werden können entsprechend den Meßergebnissen von einem oder mehreren eingebrachten Formsanddichtesensoren, Füllstandssensoren, Beschleunigungsaufnehmern und gleichzeitig mit zunehmender Füllung und Schwere des Gießbehälters der Druck in der Luftfederungslagerung des Gießbehälters angepaßt wird.

Description

• Eine fehlerfreie Gußteilqualität beim Lost-Foam Gießverfahren (Vollformgießverfahren) ist neben weiteren Punkten sehr stark abhängig vom Einbettungsprozeß der Gießtraube aus Styropormodellen mit bindemittelfreiem Sand in den Gießbehälter. Dabei ist die Art und Weise der Vibration des Gießbehälters zur Bewegung und Verdichtung des umhüllenden Sandes in die Hohlräume und Hinterschneidungen der einzelnen Styropormodelle der Gießtraube ein bestimmender Qualitätsfaktor für das zu erzeugende Gußteil. Gleichfalls ist eine Deformation der Styropormodelle durch unerwünschte Fließbewegungen des Sandes während des Vibrationsablaufes zu verhindern.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung die Sandbewegung und Sandverdichtung verbessert.
• Als Stand der Technik zu einem Rütteltisch für Beton wird in DE 41 16 647 C1 ein Rütteltischantrieb mittels 4 Unwuchtmotoren genannt (Spalte 1), der eine während des Betriebs verstellbare Vibratorfrequenz durch Änderung der Rüttelwellendrehzahl, eine Veränderung der Rüttelkraft durch Phasenverstellung von mindestens zwei umlaufenden Unwuchtmassen zueinander mittels kurzzeitiger Drehzahländerung von 2 Unwuchtmotoren und der Änderung der Schwingungsamplitude durch ein Kombination von Änderungen der Vibratorfrequenz und Rüttelkraft erlaubt, um eine optimale Verdichtung von Betonelementen bei ihrer Produktion zu erreichen. Hierbei erfolgen die Rüttelbewegungen in senkrechter Achse sowie in waagrechter Achse senkrecht zur Wellenachse der Rüttelwellen.
• Speziell für den Einsatz beim Lost-Foam Gießverfahren ist ein sehr ähnliches Verfahren beschrieben in PCT Patent WO 00/74875 wobei ebenfalls waagrechte und senkrechte Rüttelbewegungen von zwei Unwuchtwellen mit bei Maschinenstillstand verstellbaren Unwuchtgewichten in einen Gießbehälter eingebracht werden, wobei der Unwuchtantrieb einseitig an den Gießbehälter eingreift. Eine andere Entwicklung des gleichen Anmelders zur Sandverfestigung beim Lost Foam Gießverfahren in US 6,457,510 arbeitet mit 4 jeweils getrennt angetriebenen Unwuchtwellen deren Phasenlage zueinander während des Betriebs veränderbar ist. Dabei sind jeweils 2 Unwuchtwellen gegenüberliegend positioniert und können in einer waagrechten und senkrechten Achse kontrollierte Rüttelbewegungen erzeugen.
• Anstelle der bisher meist in zwei Ebenen vertikal und horizontal erfolgenden Rüttelbewegung wird in DE 691 31 185 T2 eine Befestigung von ein oder mehreren Vibrationserregern am Rütteltisch beschrieben und in Bild 2 wird eine Anordnung von 3 Erregern in dreidimensionaler Weise in einem Rütteltisch gezeigt, die in 3 Achsen wirken können.
• Gleichfalls einen Rütteltisch für eine dreidimensionale Vibration offenbart das japanische Patent JP 07136738 A . Der auf Federn gelagerte Rütteltisch wird hierbei von 2 seitlich angebrachten Vibrationsmotoren und von 2 unter dem Tisch befindlichen Vibrationserregern angetrieben.
• In DE 43 04 490 A1 wird ein Rütteltisch für horizontale Bewegungen mit einem Antrieb über einen hydraulischen Zylindern beschrieben anstelle eines sonst üblichen Unwuchtwellenantriebs.
• Eine ebenfalls andere Antriebsart beschreibt EP 1 080 858 A2 mittels piezoelektrischen Schwingungserregern, die direkt an der Form an einer oder mehreren Seiten angebracht sind und Schwingungen in horizontaler oder vertikaler Richtung oder gleichzeitig kombiniert (Spalte 2+3)erlauben.
• In EP 1 050 393 A2 des gleichen Anmelders wird anstelle der vertikalen Anbringung der piezoelektrischen Schwingungserreger eine Anordnung unter einem räumlichen Winkel zur Horizontalen und zur Senkrechten von 45° beschrieben (Spalte 6), der räumliche Schwingungen erlauben soll.
• Speziell zur Sandverdichtung beim Vollform-Gießverfahren beschreibt DE 29 51 370 A1 , Seite 8, daß es bekannt ist, daß trockener Sand sehr gute Fließeigenschaften besitzt, insbesondere dann, wenn er einer Schwingung ausgesetzt ist. Die wird ausgenützt um eine gute Formfülligkeit zu erreichen und es hat sich gezeigt, daß trockener, feinkörniger Formsand auch in die Hohlräume verwickelter Modelle, ja sogar in hinterschnittene Hohlräume formfüllend eindringt. Weiter detailiertere Ausführungen zum Vibrationsvorgang sind jedoch in dieser Offenlegungsschrift nicht enthalten.
• Jedoch in der bereits oben zitierten Schrift PCT WO 00/74875 A1 ist beschrieben, daß kontrollierte waagrechte Schwingungskräfte dazu beitragen, daß der Sand auch aufwärts in vorher unerreichbare Bereiche eines Styropormodells hineinfließt.
• In DE 34 47 588 C2 , Spalte 2, Zeile 43ff. wird ausgeführt, daß beim gleichzeitigen Befüllen und horizontalen Vibrieren die bei dem jeweiligen Füllstand oben liegenden Sandkörner, die noch nicht dem komprimierenden Gewicht darüberliegender Sandschichten ausgesetzt sind, größere Bewegungsfreiheit haben und sich daher unter der Wirkung der Vibration des Gießbehälters sehr gleichmäßig über den jeweiligen Füllstandsquerschnitt verteilen können, um dabei auch in engere Hohlräume des Styropormodells eindringen zu können.
• Technisch differenzierter beschreibt der gleiche Anmelder in DE 35 00 173 C2 , Spalte 4, Zeile 44 bis 64 eine Gießvorrichtung mit horizontalen Schwingungskräften, die u.ä. während des Sandbefüllvorgangs bereits rüttelt mit einer vorzugsweisen Beschleunigung zwischen 0,5 und 10 g und einer Frequenz zwischen 8 Hz und 100 Hz. Hierbei werden vertikale Schwingungskräfte vermieden, da sie den Sand wieder auflockern würden.
• In DE 31 27 313 A1 wird in Anspruch 1 zur Ausfüllung sämtlicher Öffnungen eines Styropormodells eine erste Vibrationsbewegung mit derartiger Frequenz und Amplitude offenbart, daß eine die Erdgravitationsbeschleunigung übersteigende Beschleunigung des Formsandes eintritt. In einer zweiten Vibrationsbewegung mit einer Beschleunigung die geringer ist als die Erdgravitationsbeschleunigung wird dann der Sand verdichtet. Hierbei ist die erste und/oder zweite Rüttelung vertikal.
• Speziell für das Lost Foam Gießverfahren beschreibt DE 100 53 630 A1 ein Verfahren, in welchem zum Zweck der vollständigen Füllung und Sandverdichtung von Modellaussparungen oder Hohlräumen eine füllstandsabhängige Veränderung von Sandmengenzustrom und wenigstens einem Verdichtungsparameter prozessorgesteuert verändert wird. In einer anderen Ausgestaltung wird eine schichtweise Befüllung des Behälters und schrittweise Änderung der Verdichtungsparameter beschrieben.
• In ähnlicher Weise wird im Verfahren von DE 199 44 150 C2 die anzuwendende Rüttelfrequenz oder Rütteldauer elektronisch gesteuert durch Aufnahme und Auswertung einer fortlaufenden oder schichtweisen Meßfühlermessung der bisher erreichten Sandverdichtung im Gießbehälter , gleichzeitig wird entsprechend die Sandbefüllung des Gießbehälters elektronisch gesteuert.
• Um Rüttelprozesse reproduzierbar nachvollziehen zu können offenbart DE 195 42 868 eine Vorrichtung wie mittels Beschleunigungsaufnehmern an jedem Vibrator und einer nachfolgenden Signaldatenverarbeitung Meß- und Vergleichswerte gewonnen werden, um die erwartete Produktqualität prozeßsicher zu erreichen.
• Im Patent DE 39 30 942 C2 wird eine Steuerung für eine Rüttelvorrichtung für Formsand beschrieben, die sich an den Bewegungen des Formsandes ausrichtet. Dazu wird über einen Beschleunigungsmesser die Sandbewegung im Formkasten gemessen und die Werte an eine Recheneinheit weitergeleitet. Über einen elektronischen Vergleich mit einem vorgegebenen Programm wird die variable Motordrehzahl eines auf der Tischunterseite angeordneten Motors mit exzentrischem Gegengewicht gesteuert und so die Rüttelkraft und damit zusammenhängend die Sandverdichtung hin zum Sollwert beeinflusst. Gleichzeitig lässt sich über die Recheneinheit die Sandbefüllung des Formkastens in Menge und Zeitablauf regeln. Die bereits eingefüllte Sandmenge wird hierbei über Druckdosen gemessen und an die Recheneinheit weitergegeben.
• In der Dissertation von Dr. Ljudmila Sacharuk „Transport- und Verdichtungsprozesse des Sandes beim Vollformgießen", TU Bergakademie Freiberg 2001, sind wissenschaftlich die Vorgänge beim Sandrütteln dargestellt. Hierbei wird ein intensiver Sandtransport bei Beschleunigung > 1g und eine weniger intensive Bewegung mit Eignung zum Nachverdichten bei < 1g beschrieben, eine Tendenz für die Bevorzugung horizontaler oder vertikaler Vibrationsmethoden bei bestehenden Vollformgießanlagen ließe sich nicht erkennen, jedoch sollen dreidimensionale Vibrationen eine höhere Verdichtung erbringen. Im Ergebnis wird für die Ausfüllung von Hohlräumen und Hinterschnitten bei Styropormodellen eine anfangs hohe, gleichzeitig horizontale und vertikale Schwingungserregung empfohlen mit einer Beschleunigung über 1g. Zur Nachverdichtung des Sandes wird eine Vibration mit unter 1g empfohlen.
• Dieser vorhandene Stand der Technik bei Vorrichtungen und Verfahren hat keine Lösung bereit, wie in schneller wirkungsvoller Weise ohne Verzögerungen durch Motornachlauf oder Stillstand zur Vorrichtungsanpassung die Sandverteilung und Sandverdichtung durch gleichzeitige und unabhängige, kontollierte Veränderung von allen Rüttelparametern in 3 Achsen sowie Beeinflussung von Sandfüllung und Federung des Gießbehälters gezielt in ihrer Gesamtheit gesteuert werden kann. Es wird auch keine Möglichkeit eines Soll – Ist Vergleiches aufgezeigt.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, zur verbesserten Sandfüllung von Hinterschnitten und Hohlräumen von geschäumten Styropormodellen und zur bestmöglichen Sandverdichtung beim Einbetten der Gießtraube mit ungebundenem Sand in einen Gießbehälter ein Verfahren und eine Vorrichtung zu offenbaren, das mittels Meßwertaufnahmen, elektronischer Datenverarbeitung und Steuerung der Vibrationsparameter und Anlagenkennwerte einen verbesserten Sandtransport und Sandverdichtung erreicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 2.
• Die Vorrichtung besteht aus einem Klemmrahmen der auf mehreren regelbaren Luftfedern gelagert ist. Der Gießbehälter ist lösbar mit dem Klemmrahmen spielfrei verbunden und beide Teile bilden eine schwingungstechnische Einheit.
• In den Schwerpunktlinien dieser schwingungstechnischen Einheit greift an den Schwingrahmen dreidimensional in den 3 Achsenrichtungen x,y und z-Achse je ein servohydraulischer Vibrator an, die unabhängig voneinander jeweils wahlweise in ihrer Rüttelfrequenz, Amplitude, Kraft verändert werden können. Die verwendeten Vibratoren stellen sicher, daß bei entsprechenden Einstellungen die Rüttelbewegung genau linear erfolgt und nur sehr geringe Dreh/Kippmomente auftreten können.
• Das Verfahren sieht eine umfassende Datenaufnahme, Datenverarbeitung und entsprechende Regelung des Vibrationssystems vor.
• Entsprechend dem mit zunehmender Sandfüllung steigenden Gewicht des Gießbehälters wird der Luftdruck in den Luftfedern angepaßt. Damit wird die mit steigender Sandfüllung sich verändernde Masse der schwingtechnischen Einheit berücksichtigt um auf diese Weise die Eigenfrequenz der Einheit Klemmrahmen/ Gießbehälter den jeweiligen Vibrationsaufgaben anpassen zu können.
• Mit der Veränderung von Frequenz und Amplitude der servohydraulischen Vibratoren wird die Beschleunigung der schwingungstechnischen Einheit Klemmrahmen/ Gießbehälter gestaltet. Die Veränderbarkeit ist dabei derartig, daß eine Konstanz von Parametern bestehen bleiben kann trotz Veränderung anderer Parameter so z.B. bei konstanter Amplitude die Frequenz verändert werden kann bzw. bei konstanter Frequenz die Amplitude. So wird der Sandtransport und die Sandverdichtung geregelt.
• Je nach bewegter Masse von Klemmrahmen/Gießbehälter kann der Arbeitsdruck der servohydraulischen Vibratoren verändert werden um die Vibrationsparameter massenunabhängig einzuhalten.
• Es ergeben sich auch beim Vibrieren mehrfache Kombinationen mit Einsatz von nur einem, mit zwei oder allen drei Vibratoren in Betrieb, in zeitlich unterbrochenem oder dauerndem Einsatz. So können in allen 3 Raumebenen die Vibrationen gezielt vorgenommen werden.
• Meßwerte durch Beschleunigungsaufnehmer am Klemmrahmen liefern verarbeitbare Daten über den Ist-Zustand der Vibrationen. Meßfühler zur Sandhöhe im Gießbehälter liefern Daten zur Regelung der fortlaufenden oder schrittweisen Sandbefüllung aus dem Sandbunker und Zusatzdaten zur Regelung der Luftfedern. Je nach Geometrie des Styropormodells eingesetzte Formsanddichtesensoren liefern Daten über die erreichte Sandverdichtung. Diese Daten werden in einer elektronischen Datenverarbeitungseinheit gespeichert, verarbeitet und als notwendige neue Steuerungsbefehle anhand eines Soll – Ist Vergleiches ausgegeben.
• Somit kann für jedes Styropormodell der optimale Füll- und Verdichtungsablauf ermittelt und gespeichert werden, der jederzeit reproduzierbar abgerufen werden kann.
• Die Zeichnung 1 und 2 veranschaulicht in Seitenansicht und Draufsicht ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Gießbehälter 1 ist im Klemmrahmen 2 verklemmt und steht auf den druckvariablen Luftfedern 3. In der Ebene des Schwerpunktes 4, der mit Hilfe des Gegengewichts 5 gebildet wird greifen die servohydraulischen Vibratoren 6, 7, 8 jeweils für die X, Y und Z-Achse an. Die jeweiligen Fühler, Sensoren und die elektronische Recheneinheit sind nicht dargestellt, da sie handelsübliche Geräte sind.

Claims (2)

1. Verfahren zur Verteilung und Verfestigung von ungebundenem Sand um eine Traube von Styropormodellen in einem Gießbehälter beim Lost-Foam Gießverfahren dadurch gekennzeichnet, daß prozessorgesteuert entsprechend einem Soll-Ist Vergleich in Echtzeit die fortlaufende oder schichtweise Sandbefüllung des Gießbehälters mit eingebrachter Styropormodelltraube einem fortlaufenden oder unterbrochenem dreidimensionalen Rüttelvorgang in der x, y und z-Achse unterzogen wird wobei die servohydraulisch erzeugten Rüttelbewegungen jeweils genau linear erfolgen und die Parameter Rüttelfrequenz, Rüttelamplitude, Rüttelkraft und Rütteldauer unabhängig voneinander an jedem einzelnen hydraulischen Rüttler in den 3 Raumachsen individuell geändert werden können entsprechend den Meßergebnissen von einem oder mehreren eingebrachten Formsanddichtesensoren, Füllstandssensoren, Beschleunigungsaufnehmern und gleichzeitig mit zunehmender Füllung und Schwere des Gießbehälters der Druck in der Luftfederungslagerung des Gießbehälters angepaßt wird.
2. Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß drei jeweils in der x, y, und z Achse eines Verdichtertisches angeordnete servohydraulische Rüttler in der Schwerpunktebene an einen Klemmrahmen angreifen, der spielfrei mit einem Gießbehälter verklemmt ist und auf Luftfedern mit veränderbaren Druckverhältnissen steht.