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Verfahren zur Steuerung des Schmelz-
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und Gießvorganges der Feingießtechnik, insbesondere der Dentaltechnik,
und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patent ..........
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(Patentanmeldung P 33 45 542.2)
B e s c h r e -i b u n g Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie
auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
8.
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Verfahren und Vorrichtung dieser Art sind in der Stammanmeldung (deutsche
Patentanmeldung P 33 45 542.2 bebeschrieben,
Aus der DE-OS 21 58
115 ist es bekannt, die Temperatur einer Schmelze mittels eines Thermoelementes
oder eines IR-Strahlungsdetektors zu messen. Sobald die gemessene Temperatur einen
voreingestellten Wert erreicht hat, wird nach Ablauf einer durch ein Verzögerungsrelais
festgelegten Zeit der Gießvorgang eingeleitet.
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Aus dem Firmenprospekt "PRESTOMAT B1" der Firma DEGUSSA ist eine ähnliche
Vorrichtung mit einer Widerstandsheizung und einem Heizstromregler bekannt, bei
der ein Thermoelement laufend einen Soll-Ist-Vergleich zwischen der gemessenen Temperatur
und einem voreinstellbaren Wert durchführt. Ein ähnliches Gießgerät für Dentalgüsse
ist in der DE-OS 28 56 304 beschrieben, wo eine Widerstandsheizung mittels eines
einstellbaren Transformators auf unterschiedliche Leistungsstufen geschaltet werden
kann.
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Die einzelnen Leistungsstufen können auch in Abhängigkeit der von
einem Thermoelement gemessenen Temperatur geschaltet werden.
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Die DE-OS 31 46 391 beschreibt eine Steuertafel für die Steuerung
eines Dentalofens, bei welchem der zeitliche Verlauf der Temperatur extern vorgegeben
werden kann und dann unter Einsatz einer automatischen Steuerung entsprechend den
vorgegebenen Werten (Zeit und Temperatur) nachgefahren wird.
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Die DE-AS 26 38 559 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Dentalformteilen
unter Verwendung einer Induktionsspule für die Heizung. Hierbei wird laufend die
von der Induktionsspule aufgenommeneund damit in dem Schmelzgut induzierte Leistung
gemessen. Sobald das Schmelzgut vollständig geschmolzen ist, also die sogenannte
"Liquidus-Temperatur" erreicht hat, tritt eine sprunghafte Abnahme des durch die
Induktionsspule fließenden Stromes auf. Diese sprunghafte Abnahme des Stromes wird
als Signal für die
Erhöhung der Temperatur der Schmelze verwendet.
Eine vorgegebene Zeitdauer nach diesem Vorgang wird dann die Schmelze in die Gußform
abgegossen.
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Die US-PS 3 620 294 beschreibt eine halbautomatische Metall-Gießvorrichtung,
bei der die Energieversorgung in Abhängigkeit von gemessenen und vorgegebenen (programmierten)
Werten gesteuert wird. Primäres Steuerkriterium ist die Schmelzzeit. In einer ersten
vorgegebenen Schmelzzeit soll die Gußmasse auf eine Temperatur gebracht werden,
die um einen vorgegebenen Betrag unter einer Uberhitzungstemperatur liegt. Nach
Ablauf dieser Zeit wird die Temperatur gemessen und die Energieversorgung in Abhängigkeit
von dieser Temperatur gesteuert. Hierbei wird dann mit reduzierter Leistung langsam
auf eine überhitzungstemperatur gefahren. Ist diese Temperatur erreicht, so läßt
man die Schmelze für eine vorgegebene Zeitdauer bei geringer Heizleistung sich stabilisieren,
worauf dann der Gießvorgang eingeleitet wird. Es wird also letztlich - ähnlich wie
bei der DE-OS 31 46 391 - versucht, einen vorgegebenen Temperaturverlauf nachzufahren.
Hierbei ist insbesondere die Gießtemperatur extern festgelegt und unabhängig von
dem tatsächlichen Verhalten des Schmelzgutes.
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Nachteilig an diesen bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen ist es,
daß die Gießtemperatur des Schmelzgutes möglichst exakt bekannt sein muß und daß
Meßfehler durch gealterte Meßfühler, unterschiedliche Strahlungseigenschaften der
Tiegel etc. das gesamte Gießergebnis so weit verfälschen können, daß die Schmelze
bzw. das Gußteil unbrauchbar sind.
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Wird nämlich die Gießtemperatur zu niedrig gewählt, so ist das Schmelzgut
noch nicht vollständig geschmolzen, d. h.
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es sind noch Primärkristalle vorhanden, was zu unbefriedigenden Gießergebnissen
führt. Wird umgekehrt die Gießtemperatur zu hoch eingestellt, so treten beim Gießen
im Formling Lunkerstellen auf.
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Ein weiteres Problem liegt darin, daß die optimale Gießtemperatur
bei verschiedenen Legierungen unterschiedliche Werte annimmt, d4e bisher empirisch
ermittelt werden mußten. Hierz-u war es erforderlich, die genaue Zusammensetzung
der Legierung zu kennen oder vor dem eigentlichen Gießen mühsame Versuche zur Ermittlung
der optimalen Gießtemperatur durchzuführen. Aufgabe der Erfindung ist es daher,
Verfahren und Vorrichtung der gattungsbildenden Art dahingehend zu verbessern, daß
die optimale Gießtemperatur bzw.
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der optimale Gießzeitpunkt auf einfache Weise ermittelbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil der Patentansprüche
1 bzw. 8 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Dem Stammpatent (P 33 45 542.2) lag die Erkenntnis zugrunde, daß der
zeitliche Verlauf der Temperatur bzw. der Strahlungsintensität des Schmelzgutes
und insbesondere die zeitliche Änderung der Temperatur (Differentialquotient bzw.
Differenzenquotient) hervorragende Aussagen über den Zustand des Schmelzgutes liefern.
Besondere Aufmerksamkeit wird hierbei dem Schmelzintervall gewidmet. Bei Legierungen
unterscheidet man Solidus-Temperatur und Liquidus-Temperatur. Beim Aufheizen erfolgt
das erste Aufschmeizen bei der Solidus-Temperatur. In der Schmelze befinden sich
dann noch Primärkristalle, welche erst beim Erreichen der Liquidus-Temperatur vollständig
aufgeschmolzen sind. Die Schmelze ist dann flüssig. Sie fällt bei Erreichen der
Liquidus-Temperatur im Tiegel zu einer Kugelform zusammen und hat damit bei Erreichen
der Liquidus-Temperatur die kleinstmögliche Oberfläche. Durch die se diese Oberflächenverringerung
ist auch der Effekt der DE-AS 26 38 559 zu erklären, daß bei Verwendung eines Induktionsofens
am Liquiduspunkt die induzierte Leistung sprunghaft abnimmt.
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Beim anfänglichen Aufheizen steigt die Temperatur der Schmelze kontinuierlich
bis zur Solidus-Temperatur. Dann wird die zugeführte Wärme für die Phasenumwandlung
benötigt. Die Temperatur der Schmelze steigt während der Phasenumwandlung mit einem
anderen Gradienten. Bei manchen Legierungen steigt sie nahezu gar nicht, während
bei anderen Legierungen die Abflachung der Temperaturkurve nur sehr undeutlich ausgeprägt
ist. Nach vollständiger Phasenumwandlung (Liquidus-Temperatur) steigt bei weiterer
Energiezufuhr die Temperatur wieder mit steilerem zeitlichen Gradienten an.
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Wesentlicher Aspekt der Stammanmeldung war es, das Schmelzintervall
automatisch durch Auswerten des zeitlichen Verlaufes der Temperatur zu identifizieren
sowie durch externe Steuerung der Heizleistung das Schmelzintervall zu dehnen. Letzteres
war insbesondere bei Legierungen von Bedeutung, bei denen die Temperaturkurve im
Schmelzintervall nur eine schwach ausgeprägte Abflachung hat.
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Hierbei wurde auch dem Effekt entgegengewirkt, daß bei der üblicherweise
hohen Heizleistung einer Induktionsspule die Schmelze nur inhomogen erwärmt wurde
und damit beispielsweise an der Oberfläche die Liquidus-Temperatur bereits erreicht
war, während im Inneren noch keine vollständige Phasenumwandlung stattgefunden hat.
Dies wurde auch dadurch erklärt, daß durch das Magnetfeld in der beheizten Schmelze
Induktionsströme. entstehen, die die Temperatur steigern, wobei bei hoher Energie
oder hohen Frequenzen wegen des Skin-Effektes die äußeren Schichten des Schmelzgutes
stärker aufgeheIzt werden als das Innere der Schmelze. In diesem Fall ist das Schmelzintervall
nicht deutlich ausgeprägt, insbesondere fehlt ein eindeutig erkennbarer horizontaler
Abschnitt der Temperaturkurve.
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Aus diesem Grunde und um eine homogene Temperatur in der Schmelze
zu erzielen, wird bei der Stammanmeldung bei Annäherung an die Solidus-Temperatur
oder zumindest bei Er-
reichen derselben die Heizleistung zurückgeschaltet,
während sie beim Aufheizen bis zur Solidus-Temperatur und nach Erreichen des Schmelzintervalles
wieder auf höhere Werte geschaltet wird. Nach Verlassen des Schmelzintervalles wird
das Schmelzgut bei der Stammanmeldung um einen vorgegebenen Temperaturwert weiter
erreicht, bis die Gießtemperatur erreicht ist.
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Dieser Temperaturwert, um den die Schmelze nach der Liquidus-Temperatur
überhitzt wird, wurde bisher (und bei der Stammanmeldung) vom Bediener extern vorgegeben
(z.B.
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100 0C über der Liquidus-Temperatur). Hierbei zeigten sich in der
Praxis des öfteren Bedienungsfehler, zumal der jeweils optimale Wert der Temperaturüberhöhung
(über die Liquidus-Temperatur hinaus) noch von weiteren Faktoren abhängt, wie z.
B. der Art der verwendeten Legierung, der zu gießenden Menge etc.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher primär mit dem Problem,
die optimale Gießtemperatur bzw. den optimalen Gießzeitpunkt ausgehend vom Liquiduspunkt
zu bestimmen. Hierzu schlägt die Erfindung mehrere Varianten vor. Bei einer ersten
Variante wird bei Erreichen des Liquiduspunktes für eine fest vorgegebene Zeitdauer
(z. B.
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225) weiter geheizt und dann der Gießvorgang ausgelöst.
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Nach einer anderen Variante wird eine Temperaturüberhöhung als Auslösekriterium
verwendet. In beiden Fällen wird nach einer Weiterbildung der Erfindung das jeweils
aktuelle Auslösekriterium (Zeit oder Temperaturüberhöhung) bei jedem Gießvorgang
gemessen und gespeichert. Ergibt sich nach dem Gießen und Abkühlen, daß ein einwandfreies
Gießergebnis vorliegt, so können bei späteren Schmelz- und Gießvorgängen diese gespeicherten
Werte des Auslösekriteriums abgerufen und als Sollwert für die Auslösung des Gießvorganges
verwendet werden. Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden während des gesamten
Aufheizvorganges bis
zum Gießzeitpunkt alle Temperaturwerte in
Abhängigkeit der Zeit gespeichert. Es wird also die "Temperaturkurve" gespeichert.
Bei nachfolgenden Schmelzvorgängen stellt sich eine Temperaturkurve ein, deren exakter
Verlauf von vielen Parametern, wie z. B. Art der Legierung, Menge etc.
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abhängt. Der dann aktuell gemessene Kurvenverlauf wird mit den gespeicherten
Kurvenverläufen verglichen. Dies kann kontinuierlich oder abschnittsweise geschehen.
Entspricht nun die gemessene Kurve innerhalb vorgegebener Toleranzen einer der gespeicherten
Kurven, so wird die gespeicherte Kurve identifiziert und als Sollwert für die weitere
Aufheizung verwendet. Sobald also eine der gespeicherten Kurven identifiziert wurde,
wird der weitere Aufheiz- und Gießvorgang nur noch nach dieser Kurve gesteuert.
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In Weiterbildung dieser Variante ist auch vorgesehen, die Istwerte
der Temperaturkurve sowie sonstige gemessene oder eingegebene Parameter auszudrucken.
Hierdurch hat das Zahnlabor und/oder der Zahnarzt einen eindeutigen Nachweis über
die "Vorgeschichte" des gegossenen Gegenstandes.
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Wie oben angedeutet, ist auch die Menge des Schmelzgutes ein Parameter,
der das Gießergebnis beeinflußt. So muß beispielsweise bei größerer Menge das Schmelzintervall
möglichst langsamer durchfahren werden. Auch muß bei größerer Menge die Temperaturüberhöhung
über die Liquidus-Temperatur hinaus etwas größer sein, um die während des Gießens
auftretenden Abkühlungen der Schmelze für die bei größerer Menge benötigte Gießzeit
auszugleichen. Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Menge des zu schmelzenden
Gutes in überraschend einfacher Weise dadurch bestimmt, daß der Wert der von der
Induktionsspule aufgenommenen und damit auch von ihr im Schmelzgut induzierten Leistung
gemessen wird. Bei konstanter Speisespannung wird hierzu der der Induktionsspule
zugeführte Strom gemessen.
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Dieser gemessene Wert wird als Korrekturwert für die Steuerung verwendet.
Insbesondere werden die Werte für die Auslösekriterien (Zeit oder Temperaturerhöhung)
entsprechend erniedrigt oder heraufgesetzt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im
Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 den Temperaturverlauf
des Schmelzgutes bei dem Verfahren nach der Erfindung beim Gießen an der Atmosphäre;
Fig. 2 einen ähnlichen Temperaturverlauf beim Gießen im Vakuum; Fig. 3 zwei Vergleichskurven
des Temperaturverlaufes mit normalem und gestrecktem Schmelzintervall; Fig. 4 zwei
Ausführungsbeispiele von Gießgeräten, und bei denen die Erfindung zur Anwendung
kommt; Fig. 5 Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Bedientableaus für die Vorrichtung
nach der Erfindung; Fig. 7 ein Blockschaltbild der Steuereinheit der Vorrichtung
nach der Erfindung; Fig. 8 den Temperaturverlauf bei alten und neuen Kohletiegeln;
Fig. 9 den Temperaturverlauf des Schmelzgutes bei schwach ausgeprägtem Schmelzintervall,
wie er beispielsweise bei Goldlegierungen auftritt;
Fig. 10 den
zeitlichen Verlauf der von der Induktionsspule im Schmelzgut induzierten Leistung
(bei konstanter Versorgungsspannung) bei verschiedenen Mengen des Schmelzgutes;
Fig. 11 eine weitere schematische Ansicht eines Bedientableaus für die Vorrichtung
nach der Erfindung.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Fig. 1 - 8 identisch mit den entsprechenden
Figuren der Stammanmeldung P 33 45 542.2 sind. Die Fig. 9 - 11 betreffen dagegen
den Gegenstand der vorliegenden Anmeldung. Da diese Figuren und der Gegenstand der
vorliegenden Erfindung nur im Zusammenhang mit der Stammanmeldung voll verständlich
sind, wird der Offenbarungsgehalt der Stammanmeldung ausdrücklich zum Gegenstand
der vorliegenden Anmeldung gemacht.
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Gleichwohl wird zur vollständigen Darstellung der Gegenstand der Stammanmeldung,
auf der die vorliegende Erfindung basiert, noch einmal im Zusammenhang mit den Fig.
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1 - 8 erläutert. Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen.
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Hier ist die Temperatur » über der Zeit t dargestellt.
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Das Schmelzgut befindet sich vor Einschalten der Heizung auf der Temperatur
tO (Zeitpunkt t t'0). Zum an sich bekannten Vorglühen wird die Induktionsspule mit
voller Heizleistung H1 betrieben. Die Temperatur der Schmelze steigt relativ schnell,
d. h. steil an, was der Kurvenabschnitt 1 zum Ausdruck bringt. Zum Zeitpunkt t'1
wird die Solidus-Temperatur' 1 erreicht, d. h. erste Legierungsbestandteile gehen
von der festen Phase in die flüssige Phase über. Trotz voller Heizleistung H1 steigt
die Temperatur zu diesem Zeitpunkt nicht mehr deutlich an, vielmehr verläuft die
Temperaturkurve in einen flachen Abschnitt über. Beim Erreichen von 18 der Solidus-
Temperatur,
wird in der Kurve H1 ein Abflachen erkannt.
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Der Differentialquotient dg/dt ist also kleiner als ein Sollwert.
Beim Vorglühen wird nun die Beheizung periodisch ein- und ausgeschaltet, um die
Gußstücke auf der erreichten Temperatur zu halten. Die Beheizung wird geregelt durch
Messung der Strahlungsintensität (entsprechend it11). ).Die dargestellten oszillierenden
Temperaturverläufe ergeben sich aus der Ein- und Ausschaltung der Heizung. Dieses
sogenannte "Vorglühen" ist wichtig, um alle Gußstücke in der Nähe der Solidus-Temperatur
auf die gleiche Temperatur zu bringen.
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Nach einer vorgegebenen Zeitdauer nach Erreichen der Solidus-Temperatur4t'1
wird das Vorglühen beendet, d. h.
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die Heizung wird abgeschaltet (Heizleistung H). Es ist dann auch möglich,
eine Gußmuffel in das Gießgerät einzulegen. Wegen der abgeschalteten Heizleistung
fällt die Temperatur wieder ab, was also aus dem Kurvenabschnitt 3 erkennbar ist.
Sodann wird die Heizung wieder voll eingeschaltet, d. h. auf die Heizleistung H1.
Es folgt wiederum ein verhältnismäßig steiler Temperaturanstieg, bis zum Zeitpunkt
t1 die Temperaturkurve abflacht und die Solidus-Temperatur tf wiederum erreicht
ist. Dies wird dadurch erkannt, daß der zeitliche Anstieg oder genauer gesagt der
Differentialquotient dit/dt unter einen vorgegebenen Wert fällt. Der Beginn des
Schmelzintervalles ist nun erreicht.
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Wird ohne Vorglühen geheizt, so wird vom Zeitpunkt t0 und der Temperatur
It, längs der gestrichelten Linie 4 hochgefahren, bis die Solidus-Temperatur 1 1
erreicht ist.
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Zum Strecken des Schmeizintervalles wird nun zum Zeitpunkt t1 die
Heizleistung auf einen geringeren Wert H2 umgeschaltet, so daß sich die Temperatur
praktisch nicht ändert oder genauer gesagt nur sehr geringfügig ändert. Dies ist
durch den Kurvenabschnitt 5 dargestellt. Durch die Streckung des
Schmelzintervalles
ist nun eine homogene Temperaturverteilung möglich,und alle Legierungsbestandteile
können von der festen in die flüssige Phase übergehen. Diese ist zum Zeitpunkt t2
erreicht, worauf die Temperatur trotz der noch verringerten Heizleistung H2 wieder
ansteigt. Dieses Ansteigen wird zum Zeitpunkt t3 eindeutig identifiziert, da der
Differentialquotient des Temperaturverlaufes wiederum einen bestimmten Schwellwert
überschritten hat. Die zu diesem Zeitpunkt t3 vorhandene Temperatur e stellt in
erster Näherung die Liquidus-Temperatur dar, die das Ende des Schmelzintervalles
anzeigt. Diese Temperatur 2 wird gespeichert, worauf die Heizung wieder auf volle
Heizleistung H1 umgeschaltet wird. Die Temperatur steigt gemäß dem Kurvenabschnitt
6 weiter an. Ist die Temperatur von der Liquidus-Temperatur #2 um einen vorgegebenen
festen Betrag s angestiegen und hat zum Zeitpunkt t4 die Temperatur#3 erreicht,
so ist die gewünschte Gießtemperatur t3 erreicht. Es wird nun ein die Gießbereitschaft
anzeigendes Signal (in Fig. 1 Bezeichnung "grün") erzeugt,und gleichzeitig wird
die Heizleistung wiederum auf einen geringeren Wert H2 umgeschaltet, der so gewählt
ist, daß die Temperatur nicht weiter ansteigt (Kurvenabschnitt 7).
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Es.wird nun ein "Gießintervall" festgelegt, d. h. innerhalb einer
festgelegten Zeitdauer (t4- t5) ab dem Erreichen der Gießtemperatur 3 muß der Gießvorgang
abgeschlossen sein. In der konkreten Schaltung wird hierfür ein Zeitgeber gestartet,
der nach Ablauf einer fest vorgegebenen Zeitdauer ein Warnsignal (in der Zeichnung
mit "rot" bezeichnet) erzeugt, das anzeigt, daß die Gießzeit abgelaufen ist.
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Aus Fig. 1 ist zu erkennen, daß bei der Erfindung - im Gegensatz zum
Stand der Technik - nicht mehr mit einer fest voreingestellten Gießtemperatur gearbeitet
wird;
vielmehr wird diese Gießtemperatur als relativer Wert aus
dem Temperaturverlauf des Schmelzgutes ermittelt.
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Unabhängig von der jeweils zu schmelzenden Legierung wird somit selbsttätig
die optimale Gießtemperatur ermittelt.
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Fig. 2 zeigt eine ähnliche Temperaturkurve für das Gießen im Vakuum.
Hier kann jedoch der Effekt auftreten, daß nach weiterem Aufheizen über die Liquidus-Temperatur
{2 eine Oxidschicht aufreißt. Werden Infrarot-Strahlungssensoren zur Temperaturmessung
verwendet, so ändert sich durch das Aufreißen der Oxidschicht die Strahlungsintensität
trotz weiter ansteigender Temperatur. Die von dem Infrarot-Strahlungssensor gemessene
Strahlungsintensität folgt dem gestrichelten Kurvenabschnitt 8. Es könnte somit
auftreten, daß meßtechnisch das Temperaturintervallgr der Fig. 1 nicht erfaßt wird.
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Hierfür ist vorgesehen, daß bei einer vorbestimmten Zeitdauer t3-t3'
nach Erreichen der Liquidus-Temperatur'2/2, nachdem also die Temperatur sich um
einen Wert 1 erhöht hat, die zu diesem Zeitpunkt t3, vorhandene aktuelle Temperatur
t4 gespeichert wird. Reißt die Oxidschicht nicht auf, so läuft der Vorgang wie im
Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ab, d. h. es tritt eine weitere Temperaturerhöhung
zu 1P2 auf, bis bei der Temperatur ;3 die Gießtemperatur erreicht ist. Reißt dagegen
die Oxidschicht auf, verläuft die Temperatur längs der gestrichelten Linie 8.
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Um diese beiden Verläufe unterscheiden zu können, wird nun laufend
überwacht, ob nach dem ersten Erreichen der gespeicherten Temperatur ¢4 zum Zeitpunkt
t3' diese Temperatur (scheinbar) wieder unterschritten wird. Ist dies der Fall,
wird abgewartet, bis die scheinbare Temperatur von dem Wert {4 ausgehend um einen
fest vorgegebenen BetragA +2 /2 weiter abgesunken ist und zum Zeitpunkt t'4 der
Temperaturwert #5 erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt wird
dann die
scheinbare Gießtemperatur ¢5 erkannt, die Heizleistung auf den verringerten Wert
H2 umgeschaltet und das Gießsignal erzeugt, worauf wieder ein Gießintervall (t4
t - t5) vorgegeben wird.
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Der Wertß ;2/2 um den die Temperatur von dem Wert )4 bis zur scheinbaren
Gießtemperatur t5 abfallen darf, entspricht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
gerade der Hälfte der Temperaturdifferenz Az, um welchen sich bei vorhandener Oxidschicht
die Temperatur ausgehend von 4 erhöht, bis die Gießtemperatur ;3 erreicht ist. Es
sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß der Wert vonE {2/2 rein zufällig
gerade der Hälfte der Temperaturdifferenz 2 entspricht. Er kann auch größer oder
kleiner sein. Der jeweils optimale Wert hierfür wird durch Versuche empirisch ermittelt.
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Die übrigen Kurvenabschnitte der Fig. 2 entsprechen denen der Fig.
1, so daß eine weitere Erläuterung nicht erforderlich ist.
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Fig. 3 zeigt deutlicher das Strecken des Schmelzintervalles. Wid nämlich
die Temperatur mit voller Heizleistung H1 gemäß der Kurve 9 hochgefahren, so ist
bei manchen Stoffen oder Legierungen kein ausgeprägter horizontaler Abschnitt der
Temperaturkurve erkennbar. Wie Kurve 9 zeigt, verläuft die Temperatur zwischen Solidus-Temperatur
e und Liquidus-Temperatur AL zwischen den Zeitpunkten t1 und t3 mit deutlicher Steigung,
wobei das Zeitintervall zum Durchlaufen dieser Temperaturdifferenz verhältnismäßig
kurz ist. Wie oben erwähnt, kann es durch inhomogene Temperaturverteilung bzw. ungleichförmiges
Erwärmen aufgrund des Skin-Effektes durchaus vorkommen, daß noch nicht alle Legierungsbestandteile,
insbesondere im Inneren des Schmelzgutes schon in der flüssigen Phase sind, obwohl
der Strahlungssensor, der ja im wesentlichen
die Oberflächentemperatur
mißt, bereits die Liqudius-Temperatur anzeigt. Durch Umschalten der Heizleistung
kann dieser schädliche Effekt ausgeschaltet werden. Im Zusammenhang mit Fig. 1 und
2 wurde die Umschaltung von voller Heizleistung H1 (beispielsweise mit 220 V) auf
verringerte Heizleistung (von beispielsweise 160 V) besprochen. In Kurve 10 der
Fig. 3 kommen drei verschiedene Heizleistungen H1 (z. B. 220 V), H2 (z. B. 200 V)
und H3 (z. B. 160 V) zur Anwendung. Hat die Temperaturkurve zum Zeitpunkt t1 bei
voller Heizleistung H1 eine sich verlangsamende Steigung, d. h. unterschreitet der
Differentialquotient d einen vorgegebenen positiven Schwellwert zum Zeitpunkt t
so wird zunächst die Heizleistung auf die kleinere Stufe H 2umgeschaltet. Die Temperaturkurve
läuft nun flacher in den horizontalen Abschnitt ein, der zum Zeitpunkt t1 bei der
Solidus-Temperatur beginnt. Sodann wird auf eine noch kleinere Heizleistung H3 umgeschaltet,
so daß der günstige horizontale Temperaturkurvenabschnitt durchlaufen wird. Die
Solidus-Temperatur wird dadurch erkannt, daß der Differentialquotient d /dt einen
zweiten kleineren Schwellwert, beispielsweise Null erreicht. Beginnt nach Durchlaufen
des horizontalen Abschnittes zum Zeitpunkt t2 die Temperaturkurve wieder zu steigen,
so läuft der Vorgang wie im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschrieben ab, d. h.
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zum Zeitpunkt t3 wird wieder auf volle Heizleistung H1 umgeschaltet.
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Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Dort ist ein Gießgerät
gezeigt, bei dem die vorliegende Erfindung zur Anwendung kommen kann. Dieses Gießgerät
entspricht im wesentlichen dem Gießgerät der älteren Patentanmeldung P 23 05 418.5
mit Ausnahme der für die Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung
notwendigen Teile. Fig. 4 zeigt im wesentlichen einen Vertikalschnitt durch ein
Gießgerät. Ein Rahmentragwerk 11 ist im wesentlichen kastenförmig aufgebaut, an
seiner Vorderseite zum
Ein- und Ausfahren von Schubteilen 12 und
13 jedoch offen.
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Der obere Teil des Rahmentragwerks 11 besitzt einen verstärkten Querriegel
34, der ein nach unten gerichtetes U-förmiges Profil aufweist. Die horizontalen
Stoßflächen dieses Profils liegen der Oberseite des oberen Schubteils 12 gegenüber,
das ein im wesentlichen H-förmiges Querschnittsprofil besitzt. In dem Querbalken
dieses H-förmigen Profils ist eine Ausnehmung vorgesehen, in welche ein Tiegel 24
einsetzbar ist. Rings um etwa die untere Hälfte des Tiegels 24 ist eine Induktionsspule
31 in gewissem Abstand zu dem Tiegel 24 angeordnet und sorgt in Verbindung mit einem
Hochfrequenzgenerator (nicht dargestellt) für eine Aufheizung des Schmelzgutes in
dem Tiegel 24. Der Tiegel 24 verläuft von oben nach unten konisch spitz zulaufend
und hat im Bereich seines oberen Endes eine umlaufende Schulter bzw. einen Bund,
der auf einem Haltering 44 zur Auflage kommt. Der Haltering 44 ist an der Oberseite
des Querbalkens des H-förmigen Querschnittsprofils gelagert. Das obere Schubteil
12 ist in seitlichen Führungsschienen 21 gegenüber dem Tragwerk 11 verschiebbar.
Die Lagerung erfolgt über Kugellager 29, wobei diese ein Spiel aufweisen, das eine
vertikale Verschiebung des Schubteiles 12 erlaubt. Das Spiel ist hierbei so groß,
daß das Schubteil 12 so weit in Richtung auf den oberen Querriegel 34 verschoben
werden kann, daß die einander zugeordneten Stoßflächen des Schubteiles 12 und des
Querriegels 34 miteinander in feste Berührung bringbar sind, wobei die in einer
Nut an der Oberseite des Schubteils 12 vorgesehene Dichtung 35 für einen mit Über-oder
Unterdruck belastbaren dichten Abschluß zwischen dem oberen Querriegel 34 und dem
oberen Schubteil 12 sorgt. In der Wandung des Schubteiles 12 können eine oder mehrere
Kühlmittelleitungen 38 vorgesehen sein, durch welche Kühlmittel, beispielsweise
Wasser,geleitet werden.
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Unterhalb des Schubteiles 12 ist ein unteres Schubteil 13
angeordnet,
das ebenfalls in kugelgelagerten Führungsschienen 28 verschiebbar ist. Auch hier
hat das Kugellager 29 ein Spiel, das eine vertikale Verschiebung des Schubteiles
13 erlaubt. Das Schubteil 13 besitzt ein im wesentlichen U-förmiges Querschnittsprofil,
das in seinem Innenraum die Aufnahme einer Gußmuffel 25 ermöglicht.
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Die Oberseite des Schubteiles 13 bildet eine Stoßfläche, die mit der
Unterseite des oberen Schubteiles 12 in Berührung bringbar ist. Auch hier ist in
einer Nut an der Stoßfläche des unteren Schubteiles 13 eine Dichtung 36 eingelassen.
Das untere Schubteil 13 ist durch eine Kolben-Zylinder-Anordnung (Zylinder 32 und
Kolben 33), die an einem unteren Querriegel 58 an der Unterseite des Rahmentragwerks
10 abgestützt ist, vertikal verschiebbar.
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Wird das untere Schubteil 13 durch die Kolben-Zylinder-Anordnung 32,
33 angehoben, so drückt es gegen das obere Schubteil 12, wodurch dieses ebenfalls
angehoben wird, bis es an dem oberen Querriegel zum Anschlag kommt. Der obere Querriegel
34, das obere Schubteil 12 und das untere Schubteil 13 bilden zusammen mit den Dichtungen
35 und 36 eine Kammer 56, die evakuierbar oder mit Druckgas beaufschlagbar ist.
Diese Kammer 56 nimmt also den Tiegel 24 und die Gußmuffel 25 auf und bildet somit
einen Schmelz- und Gießraum. Im oberen Querriegel sind Öffnungen 37-und 57 vorgesehen,
über welche die Kammer 56 mit einer Vakuumpumpe oder einer Druckgasquelle verbindbar
ist.
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Zusätzlich zu der aus der Kolben-Zylinder-Anordnung 32, 33 gebildeten
Hubeinrichtung, die zum Verschließen des Gießgerätes dient, ist eine weitere, aus
Kolben-Zylinder-Anordnung 39, 40 gebildete Hubeinrichtung vorgesehen, die zum Anheben
und Absenke'n der Gußmuffel 25 und zum gleichzeitigen Öffnen bzw. Schließen des
Tiegels 24 dient. Die Kolben-Zylinder-Anordnung 39, 40 ist in einer Ausnehmung 41
im unteren Bereich des Schubteiles 13 angeordnet. Die Kolbenstange 39 ragt hierbei
durch die Bodenwandung des
Schubteiles 13 hindurch und ist an einer
Tragplatte 47 befestigt, welche die Gußmuffel trägt. Die Gußmuffel ist somit zwischen
zwei Grenzstellungen verschiebbar, wobei die obere, gestrichelt dargestellte Grenzstellung
für den Gießvorgang verwendet wird. Hierbei kommt dann ein Einfülltrichter 27 der
Gußmuffel 25 dicht unterhalb der Ausgußöffnung des Tiegels 24 zu liegen. Die Tragplatte
47 ist nach einer Seite (rechts in Fig. 4) zu einem Verbindungsarm verlängert, an
dem ein vertikaler Hubstößel 46 befestigt ist. Durch Anheben der Gußmuffel 25 wird
somit auch der Hubstößel 46 angehoben. Dieser Hubstößel 46 fluchtet bei geschlossenen
Schubteilen mit einem weiteren Hubstößel 45', der in einer öffnung im Querteil des
H-förmigen Querschnittprofils des Schubteiles 12 geführt ist und in ei-nen horizontalen
Hubarm 45 mündet, der in einer Bohrung eines der Tiegelteile befestigt ist. Die
einander zugewandten Enden der beiden Hubstößel 45' und 46 liegen in der unteren
Grenzstellung der Kolben-Zylinder-Anordnung 39, 40 in einem Abstand zueinander.
Hierdurch wird ein toter Gang geschaffen, der dafür sorgt, daß erst kurz vor Erreichen
der oberen Grenzstellung der Gußmuffel 25 die beiden Hubstößel 45' und 46 miteinander
in Berührung kommen und dann bei dem letzten Teil der Aufwärtsbewegung der Gußmuffel
25 für ein Öffnen des Tiegels 24 sorgen. Oberhalb des Tiegels 24 besitzt der Querriegel
34 eine öffnung, die über ein Schauglas 48 verschlossen ist.
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Das Schauglas 48 ist mittels eines Halteringes 42 befestigt. Oberhalb
des Schauglases ist ein Temperaturfühler in Form eines Infrarot-Strahlungssensors
60 angebracht.
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Mittels einer Halterung 61 sind der Sensor 60 sowie seine Zuleitungen
62 an dem oberen Querriegel 34 gehalten. Die Zuleitungen 62 führen zu einem Steuergerät
63, welches auch beispielsweise über Magnetventile die Kolben-Zylinder-Anordnung
39, 40, welche den Gießvorgang auslöst, steuert.
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Ist also gemäß dem oben beschriebenen Verfahren die optimale Gießtemperatur
erreicht, so kann der Gießvorgang hier automatisch ablaufen.
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Fig. 5 zeigt eine andere Gießvorrichtung, bei der die Erfindung zur
Anwendung kommen kann. Hier sind Tiegel 24 und Heizeinrichtung 31 an einem Dreharm
65 befestigt, der ein Gegengewicht 66 aufweist und um eine vertikale Achse 67 drehbar
ist. Hier handelt es sich um eine Schleudergußvorrichtung mit einem Schleuderraum
68, der von oben her zugänglich ist, da sein Gehäusedeckel 70 über ein Scharnier
69 aufklappbar ist. Mit 71 ist eine Aufnahme für eine Gießform bezeichnet. Ein Steuerpult
72 ist über eine Trennwand 73 von dem Schleuderraum 68 getrennt.
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Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt des Steuerpultes der Vorrichtung nach
der Erfindung. Es sind verschiedene Steuerfunktionsschalter bzw. -taster vorgesehen.
Mittels eines Schalters 74 können zunächst zwei Betriebsarten ausgewählt werden.
Zum einen die Betriebsart, bei dem der Gießvorgang bei Erreichen einer am Regelknopf
81 voreingestellten Gießtemperatur ausgelöst wird,sowie die Betriebsart, bei der
die Gießtemperatur nach der Erfindung automatisch ermittelt wird. Mit einem Taster
75 wird der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Vorgang des Vorglühens gestartet.
Mit einem Taster 76 wird der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Vorgang ohne
Vorglühen (Kurvenabschnitt 4) gestartet. Uber den Taster 77 kann manuell der Gießvorgang
ausgelöst werden. Mit einem Taster 78 kann die Heizung jederzeit, auch während des
automatischen Ablaufes, ausgeschaltet werden.
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Mit einem Schalter 79 können verschiedene Heizstufen für die Heizleistung
bei Erreichen der Gießtemperatur vorgewählt werden. Über ein Stellorgan 80 kann
die Temperaturdifferenz § gemäß Fig. 3 vorgewählt werden.
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Sodann sind zwei Temperaturkurven 82 und 83 vorgesehen längs derer
Leuchtdioden 84 bis 91 angeordnet sind. Diese
Leuchtdioden zeigen
der Bedienperson an, in welchem Kurvenabschnitt sich die Temperatur jeweils befindet.
Wird über den Schalter 74 die erste Betriebsart ausgewählt, so läuft die Temperatur
längs der Kurve 82, worauf in Abhängigkeit von der jeweils erreichten Temperatur
die entsprechende Diode 84 aufleuchtet, bis bei Erreichen der am Regelknopf 81 voreingestellten
Endtemperatur die letzte Diode leuchtet.
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Wird die zweite Betriebsart mit automatischer Ermittlung der optimalen
Gießtemperatur ausgewählt, so fährt die Temperatur'zunächst auch längs der Kurve
82. Bei Erreichen der Solidus-Temperatur S leuchtet die Diode 85.
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Befindet man sich einige Zeit nach Erreichen dieser Temperatur immer
noch im Schmelzintervall, so leuchtet die Diode 86. Beginnt die Temperatur am Ende
des Schmelzintervalles wieder zu steigen, so leuchtet die Diode 87 bzw.
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ab Erreichen der Temperatur t2 die Diode 88. Ist die Gießtemperatur
#3 erreicht, so leuchtet die Diode 89 hier mit grüner Farbe. Zum Zeitpunkt t5, d.
h. nach Ablauf des Gießintervalles, leuchtet die rote Diode 90. Sobald die Diode
89 leuchtet, muß die Bedienperson daher den Taster 77 drücken. Leuchtet dagegen
die Diode 90, so erkennt erkennt er, daß er den Gießvorgang nicht mehr auslösen
darf.
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Treten während des automatischen Ablaufes Betriebsstörungen auf, steigt
insbesondere nach Durchlaufen des Schmelzintervalles die Temperatur nicht deutlich
an, so wird nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer über das Leuchten der Diode
91 angezeigt, daß die Maximalzeit überschritten ist, ohne daß die Gießtemperatur
erreicht wurde. Der Schmelzvorgang ist dann abzubrechen.
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Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild der Steuereinheit 63.
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Kernstück der Steuereinheit ist ein Mikroprozessor 92, der über einen
Transformator 93 mit der Netzspannung ver-
sorgt wird. Einer der
Ausgänge 95 oder 96 des Mikroprozessors schaltet ein Relais, welches über den Schalter
79 die richtige Heizleistung nach Erreichen der Gießtemperatur ansteuert. Der Mikroprozessor
besitzt mehrere Eingänge 94, die mit den Schaltern bzw. Tastern gemäß Fig. 6 verbunden
sind, wie mit dem Bezugszeichen 74 bis 78, die sich auf die Schalter bzw. Taster
der Fig. 6 beziehen, angedeutet.
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Weiterhin besitzt der Mikroprozessor mehrere Ausgänge 95 und 96, die
einerseits die Leuchtdioden 84 bis 91 ansteuern und andererseits die verschiedenen
Leistungsstufen für die Heizleistung umschalten, die Heizleistung ganz abschalten
und/oder Betätigungsorgane zum Auslösen des automatischen Gießens ansteuern.
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Als weiteren Eingang für den Mikroprozessor 92 ist ein Analog/Digital-Wandler
97 vorgesehen, dessen Eingängen folgende Signale zugeführt werden: zunächst das
Ausgangssignal des Infrarot-Strahlungssensors 60, welches ggf.
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über einen Verstärker 99 noch verstärkt wird; sodann ein Signal eines
Potentiometers 80 (vgl. auch Fig. 6), mit welchem die Temperaturdifferenz gemäß
Fig. 1 voreingestellt wird bzw. genauer ein vorgegebener Werten für das Ausgangssignal
des Sensors 60, wobei dieses Signal entsprechend der Strahlungs-Strom- bzw. Spannungscharakteristik
des Sensors dem Wert ha entspricht. Schließlich kann auch über ein Potentiometer
98, welches dem Regelknopf 81 entspricht, bei der Betriebsart gemäß Kurve 82 der
Fig. 6 der Absolutwert der Gießtemperatur eingestellt werden.
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Der Mikroprozessor 92 wertet das analog/digital-gewandelte Teil des
Sensors 90 laufend aus, bildet den Differentialquotienten bzw. genauer den Differenzenquotienten
zur Ermittlung der Steigung der Temperaturkurve, führt die
beschriebenen
Vergleichsoperationen aus, errechnet ggf. die beschriebenen Korrekturwerte und erzeugt
die verschiedenen Steuersignale an seinen Ausgängen. Hierzu enthält der Mikroprozessor
- wie üblich - Recheneinheiten, Datenspeicher, Programmspeicher sowie bei den Blöcken
für die Ausgänge 95 und 96 die entsprechenden Treiberschaltungen. Nach den oben
angegebenen Erläuterungen ist es einem Fachmann ohne weiteres möglich, den Mikroprozessor
so zu programmieren, daß er die beschriebenen Verfahrensschritte ausführt.
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Fig. 8 zeigt Temperaturverläufe von alten und neuen Tiegeln, die nach
der Erfindung automatisch unterschieden werden können. Ublicherweise werden Legierungen
in Keramiktiegeln geschmolzen, während Gold im Kohletiegel geschmolzen wird, der
in einen Keramiktiegel eingesetzt ist. Kohletiegel zeigen nun bei gleicher Temperatur
unterschiedliche Strahlungsintensitäten, wobei neue, unverbrauchte Tiegel eine geringere
Strahlungsintensität (dunklere Strahlung) aufweisen als mehrfach benutzte, ältere
Tiegel. Bei Temperaturmessung mittels Infrarot-Strahlungsdetektor würde dies eine
Verfälschung des Meßergebnisses mit sich bringen.
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Zur Vermeidung dieses Fehlers wird während der ersten Aufheizphase,
d. h. vor Erreichen der Liquidus-Temperatur die Steigung der Kurve ermittelt. Im
einzelnen wird eine vorgegebene Zeitdauer nach dem Einschalten der vollen Heizleistung,
d. h. im Beispiel der Fig. .8 zum Zeitpunkt t7 die Steigung der Kurve durch Bildung
des Differentialquotienten d/dt (in Digitaltechnik natürlich des Differenzenquotienten)
festgestellt. Dieser Wert wird mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen. Liegt
der ermittelte Steigungswert unter dem Schwellwert, so liegt ein neuer Tiegel vor,
während umgekehrt ein alter Tiegel erkannt wird. Versuchsmessungen haben nun ergeben,
daß in dem interessierenden Temperaturbereich für die Gießtemperatur (z. B. 1 .500
OC) das Ausgangssignal eines Infrarot-Strahlungssensors sich um
einen
relativ konstanten Wert OT bei alten und neuen Tiegeln unterscheidet. Durch Addition
bzw. Subtraktion dieses Wertes ET können die beiden Kurven der Fig. 8 so transformiert
werden, daß für beide Fälle eine einziege, korrigierte Kurve verwendet werden kann.
Wählt man die Kurve für den alten Tiegel als maßgebliche Kurve und legt man dementsprechend
die Gießtemperatur auf den Wert#g2, so muß man, wenn das Vorliegen eines neuen Tiegels
- wie oben beschrieben - erkannt wurde, lediglich zu dem Ausgangssignal des Infrarotsensors
den Wert a T hinzuaddieren. Erreicht das Ausgangssignal des Infrarot-Strahlungssensors
den Wert 1 , so wird durch die g Addition von4T dann dem Mikroprozessor der Wert#g2
= O/ T T signalisiert, der dann als der voreingestellte Wert für die Gießtemperatur
erkannt wird.
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Umgekehrt könnte man natürlich auch die Kurve für den neuen Tiegel
als Bezugskurve heranziehen. In diesem Falle müßte beim Erkennen eines alten Tiegels
von dem Ausgangssignal des Sensors der Wert » T subtrahiert werden, wobei als Schwellwert
für das Erkennen der Gießtemperatur dann natürlich der WertZ/g1 gespeichert werden
müßte.
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Als günstige Werte für einzelne oben beschriebene Größen haben sich
folgende Werte erwiesen: Für die Beheizung einer Induktionsspule werden bei der
größten Heizleistung H1 220 V verwendet. Für die Heizleistung H2 der Fig. 3 (sanftes
Einlaufen in das Schmelzintervall) haben sich 200 bzw. 180 V als günstig erwiesen.
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Für die Heizleistung H3 während des Schmeizintervalles sowie auch
während des Gießintervalles (Heizleistung H2 der Fig. 1) werden 160 V empfohlen.
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Als Temperaturdifferenz(in Fig. 1) für die Oberhitzung des Schmelzgutes
über die Liquidus-Temperatur hinaus sind 100 °C zweckmäßig.
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Die oben beispielhaft angegebenen Spannungswerte beziehen sich auf
einen Vorschalttransformator zur Ansteuerung des Hochspannungstransformators für
die Hochfrequenzheizung (HF-Generator) .
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Fig. 9 zeigt eine Temperaturkurve (Temperatur über der Zeit) ähnlich
der links in Fig. 3 dargestellten Kurve.
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Im Unterschied dazu ist in Fig. 9 die Liquidus-Temperatur gs dann
erreicht bzw. sogar schon überschritten, wenn die Kurve eine Abflachung aufweist,
wie z.B. bei Goldlegierungen. Nach einer Variante der Erfindung wird daher das Erreichen
der Liquidus-Temperatur (tal) ) dadurch bestimmt, daß der Differentialquotient d
/dt kleiner als ein vorgegebener Sollwert ist. Der Zeitpunkt, zu welchem die Liquidus-Temperatur
erreicht wird, ist hier mit t1 bezeichnet. Es wird nun der Gießzeitpunkt es g dadurch
bestimmt, daß ab dem Zeitpunkt t1 für eine vorbestimmte Zeitdauer At, die beispielsweise
bei einer bestimmten Legierung bei 22 s liegen kann, mit konstanter Heizleistung
weitergeheizt wird und dann nach Ablauf der Zeit ast das Gießbereitschaftssignal
erzeugt oder der Gießvorgang automatisch eingeleitet wird. Bezugsgröße ist also
der Zeitpunkt des Erreichens der Liquidus-Temperatur und nicht der Beginn des Aufheizens.
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Nach einer anderen Variante kann statt einer vorgegebenen Zeitdauer
ein Temperaturkriterium verwendet werden. Nach Erreichen der Liquidus-Temperatur
tl wird so lange mit konstanter Heizleistung weitergeheizt, bis eine Temperaturerhöhung
um einen voreingestellten Wertet erreicht ist, womit die Gießtemperatur 9 festgelegt
ist.
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Die Werte vonat bzw.s4twerden anfänglich vom Benutzer vorgegeben,
beispielsweise durch Eingabe über eine Tastatur. Es handelt sich also zunächst um
empirische oder ge-
fühlsmäßig vorgegebene Werte. Diese können
durchaus zu günstigen,aber auch zu ungünstigen Gießergebnissen führen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die Gußwerte 21, tgt
bzw. At gespeichert. Weiterhin werden vom Benutzer Werte von weiteren Parametern,
beispielsweise der Art der zu schmelzenden Legierung eingegeben. Erweist sich der
jeweils zuletzt durchgeführte Gießvorgang als günstig, so läßt der Benutzer die
erwähnten gespeicherten Werte im Speicher. Erweisen sich diese Werte als ungünstig,
so löscht er sie. Nach mehreren solcher "Durchläufe" hat das Gerät nur noch günstige
Werte, die zu optimalen Gießergebnissen führen, gespeichert. Bei zukünftigen Schmelz-
und Gießvorgängen müssen nun diese Gießwerte bzw. die Wertealt oder At nicht mehr
extern eingegeben werden, sondern können aus dem Speicher abgerufen werden. Der
Benutzer muß also nur noch gewisse Parameter, die weiter unten noch näher erläutert
werden, eingeben, woraus dann die jeweils optimalen zugeordneten Werte aus dem Speicher
abgerufen und für die Steuerung bzw. Bestimmung des Gießzeitpunktes verwendet werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird bei jedem Schmelz- und
Gießvorgang die gesamte Temperaturkurve gespeichert, beispielsweise in Form von
Wertepaaren der Temperatur und der Zeit. Erweist sich eine gespeicherte Temperaturkurve
nach Auswertung des Gießergebnisses als günstig, so bleibt sie gespeichert; anderenfalls
wird sie gelöscht. Nach mehreren Durchläufen wird dann der Speicher eine Vielzahl
von charakteristischen Temperaturkurven enthalten. Bei darauffolgenden Gieß- und
Schmelzvorgängen wird die sich dann ergebende Kurve mit den gespeicherten Kurvenverläufen
verglichen. Dies erfolgt bereits kontinuierlich während des Aufheizens der zu schmelzenden
Probe.
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Statt eines kontinuierlichen Vergleichs kann der Vergleich natürlich
auch abschnittsweise vorgenommen werden. Nach
einiger Zeit, spätestens
jedoch bei Erreichen des Liquiduspunktes (Zeitpunkt tal), wird - vorausgesetzt,
es sind genügend viele Kurvenverläufe gespeichert - eine Ubereinstimmung (innerhalb
vorgegebener Toleranzen) zwischen der gemessenen und dieser eingespeicherten Kurve
festgestellt werden. Ab diesem Moment erfolgt die weitere Steuerung und insbesondere
die Bestimmung von Gießzeitpunkt bzw. Gießtemperatur über die eine ausgewählte,
gespeicherte Kurve, die regelungstechnisch als Sollwert verwendet wird. Damit erhält
man - ohne daß weitere Parameter eingegeben werden müssen - stets eindeutig reproduzierbare
Gießergebnisse.
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Wie bereits eingangs erwähnt, beeinflußt die Menge des zu schmelzenden
Gutes das Gießergebnis bzw. die Werte von oder At. Nach einer Weiterbildung der
Erfindung, die nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 10 erläutert wird, wird diese
Menge indirekt dadurch bestimmt, daß der von der Induktionsspule aufgenommene Strom
(bei konstanter Spannung) oder allgemeiner ausgedrückt, daß die von der Induktionsspule
aufgenommene und damit in dem Schmelzgut induzierte Leistung gemessen wird. Bei
kleinerer Menge ist - bei konstanter Versorgungsspannung - die Leistung kleiner
als bei größerer Menge. Dies ist durch die Kurven N1 bis N3 der Fig. 10 dargestellt,
in welcher der Verlauf der elektrischen Leistung über der Zeit dargestellt ist.
Der relativ erprobte Leistungsabfall der Kurven wird durch den eingangs beschriebenen
Effekt des Zusammenfallens der ursprünglich würfelförmigen Gußstücke bei Erreichen
der Liquidus-Temperatur erklärt. Wie in Fig. 10 angedeutet, kann sich auch der Zeitpunkt
des Erreichens der Liquidus-Temperatur bei unterschiedlichen Mengen verschieben.
Die Aussage der Fig. 10 diesbezüglich ist jedoch rein qualitativ und hängt u. a.
auch von der Anordnung der Gußwürfel in dem Tiegel ab. Nach Erreichen der Liquidus-Temperatur
verlaufen die Leistungskurven wieder horizontal. Aus der absoluten Höhe
der
jeweils aufgenommenen Leistung lassen sich Rückschlüsse über die Menge ziehen. Hieraus
werden dann Korrekturwerte für bzw.d t ermittelt. Beispielsweise wird bei Vorliegen
einer großen Menge (Kurve N2 der Fig. 10) und der Verwendung des Auslösekriteriumstt
der vorgegebene bzw. gespeicherte Wert um einen weiteren Betrag verlängert. Umgekehrt
wird bei kleinerer Menge (Kurve N3) dieser Wert verringert. Gleiches gilt in analoger
Weise für das Auslösekriteriume Aus Fig. 10 ist zu erkennen, daß bereits bei Beginn
der Aufheizung präzise Meßwerte über die aufgenommene Leistung vorliegen. Es ist
daher auch möglich, nach Vorliegen dieser Lelstungsmessung einen Korrekturfaktor
zu ermitteln, mit welchem die gemessenen Temperaturwerte multipliziert werden. Die
so korrigierten Temperaturwerte können dann - gemäß obigem Ausführungsbeispiel -
mit den gespeicherten Kurven verglichen werden. Damit braucht man nicht für jede
mögliche Menge von Gußwürfeln bzw. Gießmaterial eine eigene Kurve speichern. Es
genügt vielmehr, für jedes Material nur eine geringe Anzahl von charakteristischen
Kurven zu speichern, die dann mit den um den "Mengenfaktor" korrigierten Werten
verglichen werden.
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Hierdurch wird Speicherplatz eingespart.
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Fig. 11 zeigt das "Schalttableau" der neueren Version.
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Die verwendete Schaltung entspricht im Prinzip der der Fig. 7. Im
Unterschied zur Version der Fig. 6 ist jetzt ein "Dialogbetrieb" möglich. Das Schalttableau
100 besitzt ein übliches Tastenfeld 101 mit zehn Tasten für die Ziffern O - 9, sowie
einer Löschtaste C und einer Eingabetaste, die mit der Bezeichnung "Set" bezeichnet
ist. Über ein Display 102, das beispielsweise aus einer LCD- oder einer LED-Anzeige
besteht, werden - vom Mikroprozessor 92 gesteuert - Eingabewerte abgefragt oder
Bedienschritte angefordert. Wird der Haupt schalter 103
eingeschaltet,
so startet der Mikroprozessor 92 zunächst ein Prüfprogramm. Zunächst wird geprüft,
ob das Gießgerät an Druckluft angeschlossen ist. Hierzu wird ein (nicht dargestellter)
Drucksensor abgefragt. Zeigt dessen Ausgang an, daß keine Druckluft in ausreichender
Höhe vorhanden ist, wird auf dem Display 102 angezeigt, daß Druckluft fehlt, beispielsweise
durch die Anzeige "Druckluft". Der Bediener kann dann die erforderlichen Schritte
einleiten.
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Ergibt - gegebenenfalls nach entsprechendem Eingriff des Bedieners
- die Prüfung, daß Druckluft vorhanden ist, so wird in ähnlicher Weise geprüft,
ob Kühlwasser vorhanden ist und ob das Gerät geschlossen ist, d. h. die "Schubladen"
geschlossen sind. Auch hier erfolgt eine entsprechende Anzeige,und der nächste Schritt
wird erst nach zufriedenstellender Prüfung des jeweils vorhergehenden Schrittes
durchgeführt. Sodann fordert der Mikroprozessor 92 bestimmte, vom Bediener -einzugebende
Parameter an. Als erstes fragt er über das Display 102 die Eingabe einer hier einstelligen
Nummer für das "Grundprogramm" ab. Es sind mehrere Grundprogramme für verschiedene
Legierungen vorgegeben, beispielsweise für Kobalt-Chrom, Nickel-Chrom, Edelmetalllegierungen
etc. Jedem dieser Grundprogramme ist eine vom Benutzer über die Tastatur 101 einzugebende
Ziffer zugeordnet. Die Eingabe wird durch Drucken der Taste "Set" beendet. Nach
Aufruf eines Grundprogrammes werden weitere Parameter abgefragt. So wird abgefragt,
ob es sich um eine Legierung mit oder ohne Oxidschicht handelt (vgl. Fig. 2); ob
es sich um eine Schmelze handelt, bei der die Oxidschicht aufreißt. Weiterhin wird
je nach "Auslösekriterium für das Gießen" die Zeitdauer 4 t (Fig. 9) oder die Temperaturüberhöhung
abgefragt. Schließlich wird noch die gewünschte Leistungsstufe für die Heizung abgefragt.
Nach jeder Abfrage wird der entsprechende Wert vom Benutzer über die Tastatur 101
eingegeben und durch Drücken der Taste "Set" eingespeichert.
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Nach einer Version kann, wenn statt einer Zifferneingabe nur die "Set"-Taste
gedrückt wird, jeweils der höchstmögliche Wert für die einzelnen Parameter eingegeben
werden.
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Schließlich kann abgefragt werden, ob die beim anschließenden Vorgang
auftretenden Kurvenverläufe gespeichert werden. Diese Werte werden dann bestimmten
Speicherbereichen zugewiesen, die über eine auf dem Display 102 erscheinende "Adresse"
abrufbar sind. Somit kann der Benutzer statt der Eingabe des Grundprogrammes und
der einzelnen Parameter auch direkt eine mehrstellige "Grundprogrammnummer" eingeben,
die dann die unter dieser Adresse abgespeicherten Werte aufruft. Damit wird die
Eingabe vereinfacht.
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Nachdem nach Eingabe aller abgefragten Werte die "Set"-Taste gedrückt
ist, startet der automatische Heizvorgang.
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Auf dem Display 102 erscheint die Anzeige "Start". Die Maschine wird
beschickt,und nach öffnen und anschließendem Schließen der Schublade wird abgefragt,
ob vorgeglüht werden soll (vgl. Fig. 2). Hierzu blinkt eine Leuchtdiode 104 an einem
Taster 105. Nach Druck des Tasters 105 leuchtet die Diode 104 dauernd. Die Induktionsheizung
wird dann eingeschaltet, was durch Aufleuchten der Diode 112 angezeigt wird. Das
Vorglühprogramm wird dann automatisch durchgefahren. Nach Beendigung des Vorglühens
blinkt die Diode 104 wieder, und auf dem Display 102 erscheint das Kommando "Muffel
einlegen". Die vorgewärmte Gußmuffel wird aus einem Vorheizofen geholt und in die
entsprechende untere Schublade eingelegt. Nachdem die Schublade betätigt wurde,
was über Schaltkontakte erkannt wird, erscheint auf dem Display 102 die Anzeige
"Start Schmelzen". Die Diode 106 auf einem Taster 1ö7 blinkt. Durch Drücken des
Tasters 107 wird der Schmelzvorgang eingeleitet. Die Dioden 112, 113, 114 bzw. 115
zeigen das Durchlaufen der Schmelzkurve an.
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Sobald gemäß den oben beschriebenen Kriterien die Gießbereitschaft
erreicht ist, wird auf dem Display 102 angezeigt:"Gießen". Die Diode 115 leuchtet,und
die Diode 108 in dem Taster 109 blinkt. Durch Drücken des Tasters 109 wird der Gießvorgang
ausgelöst, indem bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die beiden Tiegelhälften
vertikal gegeneinander verschoben werden, so daß das geschmolzene Gut in die darunterliegende
Gußmuffel fließen kann. Zu diesem Zeitpunkt ist die Diode 106 erloschen.
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Statt einer manuellen Auslösung des Gießens kann auch das Gießen automatisch
ausgelöst werden. Hierzu muß vor Start des Programmes der Taster 111 gedrückt werden,
was durch Leuchten der Diode 110 angezeigt wird. Ist der Guß beendet, so werden
auf dem Display 102 alle eingangs eingegebenen Parameter angezeigt. Durch Drücken
der Taste "Set" können jetzt die tatsächlich durchlaufenen und gemessenen Werte
für das Erkennen der Gießbereitschaft angezeigt werden.
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Durch weiteres Drücken der "Set"-Taste werden abwechselnd die vom
Benutzer eingegebenen und die tatsächlich durchfahrenen Parameter wechselweise zur
Anzeige gebracht, um einen Vergleich zu ermöglichen. Es ist nun möglich, die aktuell
durchlaufenen Parameterwerte einzuspeichern gemäß der oben beschriebenen Speicher-Option.
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Ein Neustart ist durch Drücken der Löschtaste "C" möglich.
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Es wird dann das Grundprogramm - wie oben beschrieben -durchfahren.
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Bei bestimmten Grundprogrammen (abhängig von der jeweiligen Legierung)
wird das "Vorglühen" nicht durchgeführt.
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Ebenso kann durch bestimmte Grundprogramme vorgewählt werden, ob mit
oder ohne Streckung des Schmelzintervalles gearbeitet werden soll. Je nach gewähltem
Grundprogramm werden auch die oben ausführlich beschriebenen Gieß-Auslösekriterien
abgerufen.
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Fig. 11 zeigt noch - wie allgemein üblich - ein Schauglas 116, durch
welches hindurch die Schmelze hP<lhachtet werden kann. Für weitere Funktionen
sind noch Taster bzw. Leuchtdioden 117,118,119 vorgesehen mit denen z.B. Vakuum
eingeschaltet werden kann, Schutzgas zugeführt werden kann oder beim Gießen der
Gußraum mit Druckluft beaufschlagt werden kann. bwz. derartige Zustände (einschließlich
geschlossenen Schubladen")signalisiert werden können. Für die Speicherung der verschiedenen
Programme können auch steckbare Module beispielsweise in Form von "PROM's" verwendet
werden. Damit kann das Gerät auch mit neu entwickelten Programmen nachgerüstet werden.
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Sämtliche in den Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung
dargestellten technischen Einzelheiten können sowohl für sich als auch in beliebiger
Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenl iste 11 Rahmentragwerk 12 Schubteil 13 Schubteil 21
Führungsschiene 24 Tiegel 25 Gußmuffel 27 Einfülltrichter 28 Führungsschiene 29
Kugellager 31 Heizeinrichtung (Induktionsspule) 32 Zylinder 33 Kolben 34 Querriegel
35 Dichtung 36 Dichtung 37 Öffnung 38 Kühlmittel leitung 39 Kolben 40 Zylinder 41
Ausnehmung 42 Haltering 44 Haltering 45 Hubarm 45' Hubstößel 46 Hubstößel 47 Tragplatte
48 Schauglas 56 Kammer 57 Öffnung 58 Querriegel (unterer) 60 Temperaturfühler 61
Halterung 62 Zuleitung 63 Steuereinricht-ung 65 Dreharm 66 Gegengewicht 67 vertikale
Achse 68 Schleuderarm 69 Scharnier 70 Gehäusedeckel 71 Aufnahme 72 Steuerpult 73
Trennwand 74 Schalter 75 Taster 76 Taster 77 Taster 78 Taster 79 Schalter 80 Stellorgan/Potentiometer
81 Anzeige 82 Temperaturkurve 83 Temperaturkurve 84 Leuchtdiode 85 Leuchtdiode 86
Leuchtdiode 87 Leuchtdiode 88 Leuchtdiode 89 Leuchtdiode 90 Leuchtdiode
Bezugszeichenl
iste - Fortsetzung -91 Leuchtdiode 92 Mikroprozessor 93 Transformator 94 Eingang
95 Ausgang 96 Ausgang 97 Analog/Digital-Wandler 98 Stellorgan/Potentiometer 99 Verstärker
100 Schaittableau 101 Tastenfeld 102 Display 103 Haupt schalter 104 Diode 105 Taster
106 Diode 107 Taster 108 Diode 109 Taster 110 Diode 111 Taster 112 Diode 113 Diode
114 Diode 115 Diode 116 Schauglas 117 Taster 118 Taster 119 Taster