DE19541931A1 - Verfahren zur Steuerung eines Schmelz- und Gießvorganges der Feingießtechnik und Gießgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Schmelz- und Gießvorganges der Feingießtechnik, insbesondere der Dentaltechnik, bei dem in einer ersten Phase das Schmelz­ gut bis zum vollständigen Erschmelzen unter Vakuum durch Induktionsheizung erwärmt wird, und ein induktiv beheiztes Vakuum-Druckgießgerät.

Aus der DE-PS 33 45 542 ist ein Verfahren zur Steuerung des Schmelz- und Gießvorganges der Feingießtechnik, insbesondere der Dentaltechnik bekannt, bei dem das Schmelzgut er­ wärmt und die Temperatur des Schmelzgutes gemessen wird; dabei wird die zeitliche Ände­ rung der Schmelzguttemperatur nach der Zeit ermittelt und der Gießzeitpunkt und/oder die zum Gießen geeignete Temperatur in Abhängigkeit vom ermittelten Wert bestimmt. In einer Vorrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens ist ein Schmelztiegel mit einer einstellbaren Heizeinrich­ tung und einem Temperaturfühler zur Messung der Temperatur des Schmelzgutes versehen, wobei die eine Induktionsspule umfassende Heizeinrichtung sowie der Temperaturfühler mit ei­ ner Steuereinrichtung derart verbunden sind, daß das Ausgangssignal des Temperaturfühlers ständig überwacht, seine zeitliche Änderung ermittelt und in Abhängigkeit von vorgegebenen Schwellwerten der zeitlichen Temperaturänderung die Heizeinrichtung umgesteuert und/oder ein Gießvorgang eingeleitet wird.

Zur Temperaturbestimmung und Auswertung ist eine verhältnismäßig aufwendige pyrometri­ sche Anordnung vorgesehen, deren Genauigkeit jedoch von der Oberfläche der Schmelze stark abhängig ist.

Weiterhin ist aus der DE-PS 33 15 835 ein Vakuumdruckgießgerät zum Vergießen von Dental­ legierungen unter Verwendung eines austauschbaren, in einem Ofen in einer stabilen Lage ge­ haltenen Tiegels bekannt, der das Schmelzgut aufnimmt; im Ofen ist ein nahe zum Tiegelboden angeordneter Temperaturmeßfühler vorgesehen, wobei der Tiegel so ausgebildet ist, daß der Meßfühler die durch das Einsetzen des Tiegels oder das Einbringen selbst geringer Mengen an kaltem Schmelzgut in den eingesetzten Tiegel verursachten Temperaturänderungen erfaßt; vorzugsweise ist der Tiegelboden des annähernd zylindrischen Tiegels von außen betrachtet konvex ausgeführt und der Temperaturmeßfühler im Bereich der Tiegellängsachse angeordnet.

Als problematisch erweist sich bei den bekannten Verfahren, bzw. Vorrichtungen die verhältnis­ mäßig aufwendige Technik zur Temperaturerfassung mittels eigener Temperatursensoren in der Nähe des Schmelzbereiches, die aufgrund hoher thermischer Belastung einem starken Ver­ schleiß unterworfen sind.

Weiterhin ist aus der DE-OS 27 25 554 ein Elektroofen für den Druckguß von Edelmetallen be­ kannt, bei dem der Ofen aus einem zylinderförmigen kippbaren Mantel besteht, der innere An­ sätze zum Halten eines mit dem eigentlichen Ofen verbundenen Flansches aufweist, wobei der Ofen elektrische Widerstände, feuerfeste Verkleidung und einen Graphittiegel aufweist. Mittels motorisch bzw. durch Hebel ausgelöster Kippung des Ofens wird ein Mikroschalter betätigt, welcher ein Elektroventil öffnet und somit Druckluft in den Ofen gelangt, um das Ausfüllen des Abdruckes zu unterstützen; die Überwachung erfolgt dabei durch einen elektronischen Pyrome­ ter, ein Vakuummesser und ein Manometer mit Kontrolleuchten, wobei die eigentliche Schmelz­ temperatur mittels Temperaturregler vorgegeben wird; das Schmelzen erfolgt zeitabhängig z. B. nach Ablauf eines Zeitintervalls durch ein Klingelsignal.

Als problematisch erweist sich bei einem solchen Gerät der verhältnismäßig komplizierte Auf­ bau mit einer Temperaturermittlung mittels elektronischem Pyrometer und Temperaturregler im Ofenbereich, wobei auch eine exakte Reproduzierbarkeit der Behandlung vorgegebener Legie­ rungen aufgrund äußerer Störeinflüsse wie z. B. Netzspannungsschwankungen nur äußerst schwierig herzustellen ist.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Steuerung eines Schmelz- und Gieß­ vorganges der Feingießtechnik anzugeben, bei dem auf eine komplizierte und durch Tempera­ turbelastung verschleißanfällige Temperaturregelung verzichtet werden kann; weiterhin soll ei­ ne möglichst sichere Reproduzierbarkeit von Gießergebnissen auch bei äußeren Einwirkungen von Störungen, wie beispielsweise Netzspannungsschwankungen möglich sein. Darüberhinaus soll ein möglichst einfacher kostengünstiger Aufbau eines nach dem Verfahren arbeitenden Gießgerätes erzielt werden.

Die Aufgabe wird verfahrensgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Als besonders vorteilhaft erweist sich der einfache und robuste Aufbau, sowie die hohe Stand­ zeit eines solchen Gerätes, da auf eine Temperaturregelung mittels sensibler Thermoelemente oder Pyrometer verzichtet werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Die Aufgabe wird vorrichtungsgemäß in einem induktiv beheizten Vakuum-Druckgießgerät mit regelbarer Stromversorgung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.

Als vorteilhaft erweist sich dabei die hohe Störsicherheit gegenüber äußeren Einflüssen sowie die einfache Handhabung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Druckgießgerätes sind in den Ansprüchen 5 bis 8 angegeben.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1a, 1b, 2 und 3 näher erläutert.

Fig. 1a zeigt ein induktiv beheizbares Vakuumdruck-Gießgerät im geschlossenen Zustand,

Fig. 1b zeigt in einem bruchstückhaften Ausschnitt das in Fig. 1a dargestellte Gerät mit ge­ öffneter Gießeinrichtung, wobei der Gießkessel ebenfalls bruchstückartig dargestellt ist.

Fig. 2a zeigt ein Zeitphasen-Diagramm für eine Leistungs-Sollwertvorgabe mit Zeitplangeber.

Fig. 2b zeigt als Beispiel eine Tabelle für verschiedene Sollwerte der Zeit- und Leistungsvor­ gabe.

Fig. 3 zeigt anhand eines Blockschaltbildes die Funktionsweise von Verfahren und Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1a besteht das induktiv beheizte Vakuumdruck-Gießgerät aus einem die Bedie­ nungselemente und elektrische Schaltungsanordnung enthaltenden Gehäuseteil 1, an dessen Seitenfläche 1′ sich der als einseitig geschlossener hohlzylindrischer Gehäuseteil ausgebildete Gießkessel 3 sich die Gießeinrichtung befindet; Gießkessel 3 ist mittels Scharnier und Schließ- bzw. Arretiervorrichtung 4 an den mit einer umlaufenden Dichtung versehenen Kesselrand am Flansch der Seitenfläche 1′ des Gehäuseteils 1 dichtend anzuschließen; der Gießkessel 3 weist im oberen Bereich seiner Mantelfläche ein in das Innere weisendes Beobachtungsfenster 5 auf durch das der Schmelzprozeß in einem darunter eingesetzten Schmelztiegel zu beobachten ist, wobei die Durchsicht mittels aufgesetztem Filter 6 abgedunkelt wird. Weiterhin ist am Kessel 3 ein Kipphebel 7 vorgesehen, über den der eigentliche Gießvorgang innerhalb des Gießkessels 3 durchgeführt wird, wobei der Schmelztiegel um 90° gekippt wird und die Schmelze in eine mit dem Tiegel mechanisch verbundene Gießform läuft. In seinem oberen Bereich weist Gehäuse­ teil 1 eine Bedienungstafel 8 auf, durch die Sollwerte für die Energiezufuhr der zweiten Schmelzphase, d. h. Zeitvorgabe mittels Zeitplangeber und Leistungs-Sollwert des Schmelzvor­ ganges gemäß der Tabelle Fig. 2b eingestellt werden können. Es ist darüberhinaus möglich, Bedienungstafel 8 mit einer Abtastvorrichtung zu versehen, bzw. zu verbinden, über welche op­ tisch codierte Sollwerte für Zeitvorgabe und elektrische Leistung der zweiten Schmelzphase einlesbar sind.

Zur Vorbereitung des eigentlichen Gießvorganges wird gemäß Fig. 1b Gießkessel 3 entriegelt und geöffnet und als Schmelztiegel ein Keramiktiegel 9 ggf. mit einem becherförmigen Gra­ phiteinsatz mit seinem geschlossenen Ende in den hohlzylindrischen Teil der Induktionsspule 10 des Gießgeräts eingesetzt und mittels Tiegelhalter 11 arretiert. Die Legierungsmenge wird anschließend je nach Größe und Gewicht des Gußobjektes in Tiegel 9 eingegeben und an­ schließend werden die zugehörigen Werte über Legierungstyp und Menge mittels Codierung in die Schaltungsanordnung eingegeben, bzw. über Einstell-Elemente für Zeitintervall und Lei­ stungsstufe über Bedienungstafel 8 eingestellt. Nach hermetisch dichtem Abschluß des Gieß­ kessels 3 wird in einer ersten Phase mittels Vakuumpumpe der Gießkessel 3 evakuiert und mit maximaler konstant geregelter Leistung über die Induktionsspule 10 das im Tiegel 9 befindliche Legierungsmaterial erschmolzen. Das Schmelzen der Legierung ist über Beobachtungsfenster 5 und Filter 6 zu beobachten, wobei nach Erreichen des Liquidus-Punktes, bzw. eines definier­ ten Schmelzpunktes die erste Phase abgeschlossen ist und Gießkessel 3 zwecks Aufnahme ei­ ner vorgewärmten Muffel 12 als eigentliche Gießform geöffnet wird. Nach Einsetzen der vorge­ wärmten Muffel 12 wird Gießkessel 3 wiederum geschlossen und die Legierung bzw. das Schmelzgut unter Evakuierung ein zweites Mal erschmolzen, wobei nunmehr die über die In­ duktionsspule 10 eingebrachte Schmelzleistung für einen vorgegebenen Zeitraum auf einem vorgegebenen Leistungswert konstant gehalten wird. Bei Ablauf des vorgegebenen Zeitraumes erfolgt nach Ausgabe eines Signals mittels Kippbewegung über Kipphebel 7 bzw. über einen automatisch ausgelösten motorischen Antrieb der eigentliche Gußvorgang, bei dem die Längs­ achse 9′ des hohlzylindrisch ausgebildeten Schmelztiegels 9 um Kippachse 7′ um 90° gekippt wird und die Schmelze in die Gießform der Muffel 12 abläuft; sobald der Tiegel seine Endstel­ lung erreicht hat, wird die Vakuumpumpe automatisch abgeschaltet und der Gießkessel mit ca. 3,3 Bar Druckluft beaufschlagt, um eine optimale Verteilung der Schmelze innerhalb der Gieß­ form der Muffel 12 zu gewährleisten.

Anhand des Zeitphasen-Diagramms in Fig. 2a ist die Sollwert-Vorgabe W der dem Schmelz­ gut zugeführten Leistung als Funktion der Zeit t erkennbar. Zum Startzeitpunkt t₁ der ersten Phase A wird zum Erreichen einer maximalen Schmelzleistung der Sollwert W von 0 auf den maximalen Leistungssollwert W_m angehoben und die vorgegebene Leistung mittels der in Fig. 3 angegebenen Regelungsanordnung unter Evakuierung des Gießkessels zugeführt; bei Errei­ chen des Liquidus-Punktes einer Legierung bzw. eines definierten Schmelzpunktes des Schmelzgutes zum Zeitpunkt t₂ wird der Sollwert der zugeführten Leistung auf den Wert Null abgesenkt, so daß das Einsetzen der Muffel als Gießform im Zeitintervall B ohne größere Lei­ stungsverluste möglich ist.

Nach Einbringen der Muffel wird der Gießkessel wieder verschlossen und zum Zeitpunkt t₃ das zweite Zeitintervall C mit einer gegenüber dem ersten Zeitintervall reduzierten Leistungs-Soll­ wert-Vorgabe W_r unter erneuter Evakuierung des Gießkessels gestartet; dabei sind der Zeit­ raum des nachfolgenden Zeitintervalls (t₄-t₃) und die Vorgabe des Leistungs-Sollwertes W_r als Parameter für eine Zeitplan-Regelung in Abhängigkeit des Schmelzgutes einstellbar bzw. durch eine Codierung vorgegeben. Nach Ablauf der zweiten Schmelzphase C im Zeitpunkt t₄ wird der eigentliche Gießvorgang im Zeitintervall D ausgelöst, wobei der Sollwert W_r zur Vermeidung ei­ ner Abkühlung während des Gießvorganges so lange aufrechterhalten wird, bis der Gießvor­ gang im Zeitpunkt t₅ beendet und die Leistungszufuhr zum Tiegel durch Abfall des Sollwertes W auf den Wert 0 unterbrochen wird; die Einleitung des Gießvorganges kann durch ein Steuersi­ gnal an einen Antriebsmotor für Schmelztiegel und Muffel im Zeitpunkt t₄ erfolgen, es ist jedoch auch möglich, den Ablauf des Zeitintervalls C im Zeitpunkt t₄ durch Ausgabe eines akustischen und/oder optischen Signals dem Anwender anzuzeigen und damit einen manuellen Gießvor­ gang durch Betätigung des Kipphebels auszulösen.

Das Intervall des Gießvorgangs im Zeitraum (t₅-t₄) ist in Fig. 2a mit D bezeichnet; in der Pra­ xis wird der Gießvorgang des Durchlaufs des Schmelzgutes vom Tiegel in die Muffel vom Be­ dienungspersonal beobachtet und nach Beendigung des Gießvorganges die induktive Heizung durch Positionsschalter abgeschaltet, was jedoch auch durch Herabsetzen des Sollwertes auf Null erfolgen kann; der Gießvorgang wird dann im Zeitpunkt t₅ beendet. Falls kein Eingriff des Bedienungspersonals erfolgt, wird eine automatische Abschaltung nach Ablauf der Phasen A (t₂-t₁) bzw. Phasen C und D (t₅-t₃) vorgenommen.

Anhand des Blockschaltbildes in Fig. 3 wird der funktionale Zusammenhang der zweiten Gieß­ phase näher erläutert; dabei sind die einzelnen Elemente, d. h. auch die Induktionsspule 10 schematisch durch Kästchen des Blockschaltbildes dargestellt.

Gemäß Fig. 3 wird Induktionsspule 10 vom Stromversorgungsnetz 16 über Schalter 17, ein steuerbares Stromversorgungsgerät 18 und einen Multiplikator 23 als Leistungs-Sensor mit Energie versorgt; Stromversorgungsgerät 18 weist einen über ein variables Tastverhältnis takt­ gesteuerten Stromversorgungskreis mit daran angeschlossenem Oszillator zur Erzeugung einer Hochfrequenz im Bereich von 130 bis 170 KHz, vorzugsweise 150 KHz für den Betrieb der In­ duktionsspule 10 auf. Stromversorgungsgerät 18 weist neben einem Eingang 19 für die Ener­ giezufuhr einen Steuereingang 20 zur Leistungseinstellung - vorzugsweise über ein Tastver­ hältnis - für die Leistung der Induktionsspule 10 auf; Ausgang 21 des Stromversorgungsgerätes ist mit einem Eingang 22 eines Multiplikators 23 verbunden, welcher das Produkt aus der an der Induktionsspule 10 anliegenden Klemmenspannung und dem durch sie hindurchfließenden Strom bildet, wobei durch Multiplikation von Klemmen-Spannung und einem aus dem zur In­ duktionsspule geführten Strom abgeleiteten Spannungssignal ein Signal X als Spannungssignal gebildet wird, das über den zweiten Ausgang 25 des Multiplikators 23 herausgeführt wird, wäh­ rend der Strom für den Induktionsofen den Multiplikator über den ersten Ausgang 24 verläßt.

Das für die dem Induktionsofen zugeführte Leistung stehende Symbol X stellt die Regelgröße dar, welche mit einem Sollwert W in einem Komparator 27 verglichen wird, wobei eine eventu­ elle Regelabweichung (W-X) als Signal dem Eingang 29 des Reglers 28 zugeführt wird; das Sollwert-Signal W wird in einem Sollwertgeber 30 erzeugt der mit einem Sollwert-Zeitplangeber 32 zur zeitlichen Verstellung des Sollwert-Signals verbunden ist; Sollwertgeber 30 und Zeitplan­ geber 32 können auch als ein gemeinsames Bauelement ausgebildet sein.

Die dem Induktionsofen zugeführte Leistung ist durch das Symbol X gekennzeichnet und stellt die Regelgröße dar, welche mit einem ebenfalls als elektrisches Spannungssignal gebildeten Sollwert W in einem Komparator 27 verglichen wird, wobei eine eventuelle Regelabweichung (W-X) als Spannungs-Signal dem Eingang 29 des Reglers 28 zugeführt wird; das Sollwert-Si­ gnal W wird im Sollwertgeber 30 im Zusammenwirken mit Sollwert-Zeitplangeber 32 erzeugt.

Zum Erreichen einer maximalen Schmelzleistung in der ersten Phase A wird der Sollwert W auf einen maximalen Wert W_m, d. h. auf die maximale Generator-Leistung eingestellt; für die zweite Phase C des Schmelzvorganges wird ein reduzierter Sollwert W_r und ein Zeitintervall (t₄-t₃) an­ hand der Bedienungstafel des Gerätes vorgegeben, die mit dem Sollwert-Zeitplangeber 32 ver­ bunden ist.

Bei Abweichung der Regelgröße X von der Sollwert-Vorgabe W liegt am Regler 28 ein Ein­ gangssignal an, welches zu einem am Ausgang 31 des Reglers abgegebenen Stellsignal Y führt, welches dem Steuereingang 20 des Stromversorgungsgerätes 18 zugeführt wird, um die an Induktionsspule 10 abgebene Leistung während des vorgewählten Zeitintervalls der zweiten Schmelzphase C und auch in der Gießphase D konstant zu halten.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung eines Schmelz- und Gießvorganges der Feingießtechnik, insbe­ sondere der Dentaltechnik, bei dem in einer ersten Phase das Schmelzgut bis zum voll­ ständigen Erschmelzen unter Vakuum durch Induktionsheizung erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Phase dem Schmelzgut die maximal zur Verfügung stehende Leistung zugeführt und nach dessen Erschmelzen die Leistungszufuhr für einen Zeitraum bis maximal 1 Minute unterbrochen, daß in einer zweiten Phase unter Vakuum dem Schmelzgut reduzierte Leistung für einen vorgegebenen Zeitraum zugeführt wird, wobei die zugeführte Leistung unter Vorgabe eines Leistungs-Sollwertes konstant gere­ gelt zugeführt wird, wobei Zeitraum und Leistung in Abhängigkeit von Menge und Art des Legierungstyps des Schmelzgutes einstellbar sind und nach Ablauf des Zeitraumes in ei­ ner sich daran anschließenden dritten Phase der Gießvorgang ausgelöst wird, in der un­ ter Druckbeaufschlagung die reduzierte Leistung wenigstens bis zum Ende des Gießvor­ gangs weiterhin zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Menge und Art des Schmelz­ gutes von einer vorgegebenen Codierung mittels Auswerteeinrichtung abgelesen und zur Bildung des vorgegebenen Zeitraumes sowie zur Sollwertvorgabe der Leistung der zwei­ ten Phase ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der dem Schmelzgut zugeführten Leistung das Produkt der an der Induktionsheizung anliegenden Spannung und des sie durchfließenden Stromes gebildet und gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Phase dem Schmelzgut eine durch einen maximalen Sollwert vorgegebene Leistung konstant zuge­ führt wird.

5. Induktiv beheiztes Vakuum-Druckgießgerät mit einer regelbaren Stromversorgung seiner Induktionsheizung, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsheizung zur Energiever­ sorgung über ein Multiplikationsglied mit einer steuerbaren Energiequelle verbunden ist, wobei dem Multiplikationsglied jeweils ein Signal zugeführt wird, von denen das eine der an der Induktionsheizung (10) anliegenden Spannung und das andere dem sie durchflie­ ßenden Strom entspricht, wobei das Multiplikationsglied (23) zur Übertragung eines Si­ gnals des Leistungs-Istwertes (X) an einen ersten Eingang eines Vergleichsgliedes (27) angeschlossen ist, dessen zweiter Eingang mit einem Sollwertgeber (30) zur Übertragung eines einstellbaren, zeitgesteuerten Leistungs-Sollwert-Signals (W) verbunden ist, wobei das Vergleichsglied an den Eingang (29) eines Reglers (28) angeschlossen ist, der zur Übertragung eines Stellsignals (Y) bei Regelabweichung mit Steuereingang (20) oder Energiequelle (18) verbunden ist.

6. Vakuum-Druckgießgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertge­ ber (30) zur Einstellung wenigstens eines Zeitintervalls und eines zeitabhängigen Lei­ stungs-Sollwertes mit einem Zeit-Schaltgerät (32) verbunden ist.

7. Vakuum-Druckgießgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Zeitschaltgerätes eine Schaltuhr zur Signal-Ausgabe und/oder automatischen Auslösung des Gießvorganges vorgesehen ist.

8. Vakuum-Druckgießgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unter­ brechung der Energiezufuhr für die Induktionsheizung (10) nach Abschluß des Gießvor­ ganges ein positionsgesteuertes Unterbrechungsglied (32) vorgesehen ist.