DE4323465A1 - Temperiervorrichtung für Wachsspritzmaschinen - Google Patents

Description

Wachsmodelle insbesondere für Feinguß nach dem Wachsausschmelzverfahren werden auf Spritzmaschinen hergestellt. Das Wachs gelangt flüssig in die Metallkokille, welche solange geschlossen bleibt, bis die Aushärtung für das nachfolgende Handling ausreicht. Die Halbau­ tomaten mit manueller Ausformung der Modelle arbeiten taktweise: auf den Einspritzvorgang folgt eine unterschiedlich lange Zeitspanne, in welcher der Wachsfluß durch die Maschine un­ terbleibt und deshalb eine unregelmäßige Wärmeabfuhr stattfindet.

Dem Trend zu höheren Modellvolumina mit den Nachteilen langer Ausformzeiten und unkon­ trollierbarer Einfallstellen am Modell als Folge der Erstarrungsschrumpfung wird durch Zumi­ schen fester Stoffe, sogenannter Füller und durch konstruktive Maßnahmen zur geregelten Wärmeabfuhr in den Spritzmaschinen entgegengewirkt.

Gefüllte Wachse haben eine Reihe von Nachteilen: Entmischung und Absetzen der Feststoffe muß durch andauerndes Rühren und Bewegen innerhalb der Maschine verhindert werden, die Entsorgung des gebrauchten Wachses ist umweltbedingt aufwendig, bei Wiederaufbereitung wird der Füller zusammen mit den verfahrensbedingten Verunreinigungen weitgehend entfernt und muß neu zudosiert werden.

Aus den dargelegten Gründen resultiert der Wunsch, den Spritzvorgang in den struktur­ viskosen Bereich des Wachses zu verlegen und auf diese Weise einen möglichst großen Anteil der Schmelzenthalpie in der Maschine abzuführen.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 31 23 900 befaßt sich mit dieser Problematik, ohne eine praktische Lösung zu bieten. Insbesondere wird das Problem der Luftscheidung aus dem Wachs, welche Voraussetzung für brauchbare Wachsmodelle ist, nicht gelöst.

Die deutsche Patentschrift DE 33 14 342 befaßt sich mit der Regelung des die wachsführenden Maschinenteile umgebenden Wärmeträgermediums auf ein einstellbares, zeitlich konstantes Niveau. Die Praxis zeigt, daß die Regelung des Wärmeträgers auf eine konstante Temperatur mit dem Ziel einer konstanten Wachstemperatur an der Spritzdüse allein nicht ausreicht.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 36 07 354 beschreibt eine Vorrichtung, bei der die Vis­ kosität des temperierten Wachses die Kühlleistung beeinflußt, indem ein pneumatischer Kolbenantrieb den Wachsfluß durch den Kühler bestimmt. Wegen des in den Produktions­ stätten verfügbaren Preßluftdruckes von höchstens 16 bar reichen die realisierbaren Wachsströme reichen nur für kleine Maschinenleistungen und geringe Spritzviskositäten.

Eine Literaturstelle (Foundry Trade Journal, July 24, 1992, Seite 442/444 "Continuous wax cooling at the wax injector yields higher productivity") beschreibt eine Einrichtung, bei der das Wachs in einem wassergekühlten Vorratsbehälter durch rotierende Schaber von der kalten Be­ hälterwand entfernt und zur Mitte hin transportiert wird, wo es sich mit dünnflüssigem Wachs vermengt.

Ein bekanntes Verfahren, bei dem das Wachs in Stahlkokillen gegossen, im Wärmeschrank auf einen pastösen Zustand gekühlt, in die Maschine eingelegt und anschließend extrudiert wird, ist arbeitsintensiv, schwerlich automatisierbar, und haben sich wegen des Auftretens von Schrumpflunkern nicht bewährt. Sie werden nur noch ausnahmsweise für einfache System­ modelle angewandt.

Erfahrungen mit herkömmlichen Maschinen, die mit solchen Temperiereinrichtungen arbeiten, und bei denen eine "konstante Spritztemperatur" eingestellt wird, zeigen immer wieder, mit welchen Schwierigkeiten der Maschinenanwender konfrontiert wird, wenn größere und/oder unterschiedliche Wachsmodelle formgenau und in vernünftiger Zykluszeit gespritzt werden sollen, oder wenn die üblichen Arbeitsunterbrechungen den quasistationären Zustand in der Temperiereinrichtung stören und zu unterschiedlichen wahren Spritztemperaturen im Wachs führen.

Das in fester Form angelieferte Wachs wird durch Schmelzen, Homogenisieren und Entgasen aufbereitet. Der Vorgang findet in den Feingießereien entweder in einer zentralen Anlage oder an der Spritzmaschine statt. In beiden Fällen muß das Wachs zunächst in einen fluiden Zustand versetzt werden, damit es transportiert und aufbereitet werden kann.

Aus der Bevorratung von flüssigem Wachs an der Maschine erwächst die Aufgabe, den Wachsfluß durch die Düse auf eine einstellbare, im strukturviskosen Bereich liegenden und reproduzierbare Temperatur zu regeln. Je nach Größe und Gestalt des Modelles, angepaßt an die physikalischen Eigenschaften des Wachses und an die Spritzfolge an der Maschine, sind deshalb dem Wachs unterschiedlich große Wärmemengen zu entziehen.

Eine konstruktiv zweckmäßige Art eines Wärmetauschers stellt der Rohrbündelwärmetauscher dar, wobei die wachsführenden Rohre vom Wärmeträger umflossen werden. Er wird zwischen dem Vorratsbehälter und dem Einspritzzylinder angeordnet, der Wachsdurchfluß ist an die Einspritzung gekoppelt.

Rohrbündelkühler mit parallel durchströmten Rohren sind erfahrungsgemäß für die Rückküh­ lung von Wachs in den strukturviskosen Bereich wegen der mit der Zeit auseinandertriftenden Stromaufteilung und der daraus resultierenden Minderung der Wärmeabfuhr unbrauchbar. Bei hintereinandergeschalteten Rohren ist der durch die Strömung verursachte Druckverlust nicht mehr beherrschbar.

Gemäß Aufgabenstellung ist das Wachs im Wärmetauscher von dünnflüssigem und ansaugbarem Zustand, in einen definierten teigartigen Zustand überzuführen. Wegen der außerordentlich geringen Wärmeleitung, wegen des großen Viskositätsgradienten im Arbeitsbereich und wegen der instationären Strömungszustände bilden sich dabei unübersichtliche Rohrströmungen aus, die im Verlauf eines Arbeitstaktes von Null über die anlaufende Kolbenströmung bis zum thermisch verformten laminaren Strömungsprofil reichen. Die mit der Anzahl der Takte anwachsende Grenzschicht an der Rohrwand schränkt dabei den Wärmeaustausch immer mehr ein, und letzlich fließt das Wachs nahezu ungekühlt mit großer Geschwindigkeit durch den Rohrkern.

Auch die meßtechnische Erfassung einer direkten, zeitnahen und repräsentativen Wachstemperatur, die als Regelgröße für eine Temperaturregelung benutzt werden könnte, scheitert an den unübersichtlichen zeitlichen und örtlichen Verhältnissen.

Die Erfindung hat das Ziel, die beschriebenen Mängel auf der Grundlage durchgeführter Un­ tersuchungen, deren Ergebnisse und Konsequenzen im folgenden skizziert werden, zu beseiti­ gen.

Gemäß der trivialen Gleichung Q = k _* A _* (t_w - t_u) für die Wärmeübertragung läßt sich der Wärmetransport pro Spritzvorgang durch den Wärmedurchgangskoeffizienten, durch die be­ netzte Fläche und die Temperaturdifferenz zwischen Wachs und Umgebung beeinflussen.

Während alle anderen Größen in dieser Gleichung vorgegeben werden bzw. mit ausreichender Genauigkeit zu berechnen sind, entzieht sich der im k-Wert enthaltene Wärmeübergang im fließenden Wachs weitgehend einer Vorausberechnung.

Die Temperierung von Wachs auf eine reproduzierbare, von Schußvolumen und Zykluszeit unabhängige, im strukturviskosen Bereich liegende Spritztemperatur muß bei konstanter, über den Querschnitt gleichmäßig verteilter Strömung (Kolbenströmung) erfolgen. Diese Ge­ schwindigkeit kann auch Null sein.

Um die erforderliche Kühlleistung zu erzielen und aufrecht zu erhalten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Wärmeaustausch bei unbewegter Wachssäule stattfinden zu lassen. Der Wärmeaustauschvorgang vollzieht sich dann auf der Wachsseite nur durch die Wärmeleitung und hängt nur von einer Materialkonstante, der Wärmeleitfähigkeit des Wachses ab.

Die ständige Beibehaltung der Wärmeträgertemperatur auf Einspritzniveau würde zu unrealistischen Zeitspannen des Temperaturausgleiches führen. Die zeitweise Absenkung unter die gewünschte Wachstemperatur ist erforderlich. Deshalb muß die Rückkühlung schon während des instationären Wärmeüberganges abgebrochen werden. Zu diesem Zeitpunkt herrscht ein radialsymmetrisches Temperaturfeld mit Übertemperatur im Wachskern und Untertemperatur an der Grenzfläche zur Wand.

Die Temperatur des Wärmeträgers muß also zyklisch geregelt werden, wobei Zeitspannen mit wechselnder Wärmeflußrichtung auftreten. Die Steuerung und die Regelung der Flüssigkeits­ ströme sind wesentliche Bestandteile der Temperiervorrichtung.

Abb. 1 zeigt qualitativ den steuerungstechnisch zu realisierenden Temperaturverlauf. Die zugehörigen Bauteile sind in dem Schema der Abb. 2 dargestellt.

Die Freigabe zum Chargenwechsel im Kühler - gleichzeitiges Füllen von Spritzzylinder und Ansaugen aus dem Vorratsbehälter - erfolgt frühestens nach Ablauf einer fest eingestellten Zeit­ spanne, die sich an der kürzesten Taktzeit im Rahmen der Maschinenauslegung orientiert. Der Wachswechsel selbst erfolgt auf externen Abruf, z. B. durch die Kolbenstellung des Spritzzylinders.

Am Ende eines Füllvorganges - ausgelöst und aufrechterhalten durch die Wachspumpe - wird durch Stillegen des Temperierkreislaufes A und durch Einschalten des Kühlwasser­ kreislaufes B die Umgebungstemperatur Tu um die Wachsrohre schroff abgesenkt - Rückkühlen Zk -. Grenztemperatur und Dauer - Temperatur halten Zh - sind einstellbar. Aufgrund der großen Temperaturdifferenz zwischen Wachs und rückgekühltem Wärmeträger erfolgt eine intensive Wärmeabfuhr. Anschließend wird die Umgebungstemperatur Tu wieder auf Einspritztemperatur angehoben - Rückerwärmen Zw -, indem der Kühlwasserdurchlauf unterbrochen, und der WT-Kreislauf auf höchste Leistung geschaltet wird. In dieser Phase soll lediglich das radial verlaufende Temperaturprofil im Wachs ausgeglichen werden; eine weitere Wärmeabfuhr soll nicht stattfinden. Deshalb wird die Temperatur des Temperierkreislaufes auf Einspritztemperatur geregelt. Die Zeitspanne Zz bis zum Abruf des nachfolgenden Wachs­ wechsels kann beliebig ausgedehnt werden.

Zum Wachswechsel in der Temperiervorrichtung steht nach jedem Spritzvorgang mindestens die Zeitspanne des Modellwechsels zur Verfügung.

Der Saughub des Spritzzylinders kann wegen des semifluiden Wachszustandes im Kühler nicht mehr zum Füllen herangezogen werden. Das System wird deshalb um eine Füllpumpe hinter dem Vorratsbehälter erweitert. Durch Abstimmen der Volumina von Spritzzylinder, Wärmetauscher und Füllpumpe ist der Füllvorgang des Spritzzylinders auf den Maschinentakt abstimmbar.

Der Wärmetauscher arbeitet im Chargenbetrieb. Deshalb ist vor der Einleitung eines neuen Kühlvorganges das rückgekühlte Wachs restlos zu entfernen und dem Spritzzylinder zuzufüh­ ren. Dabei ist zu verhindern, daß sich Wachs der beiden Zyklen im Wärmetauscher vermischt. Die erste Forderungen wird erfüllt, indem Wachspumpe, Wärmetauscher und Spritzzylinder konstruktiv aufeinander abgestimmt und gesteuert werden. Eine Kolbenströmung, d. h. eine konstante Geschwindigkeit über den gesamten Rohrquerschnitt während des Wachswechsels vermeidet eine Vermengung der Chargen.

Die Kolbenströmung läßt sich auf zwei Arten erreichen:

• 1. Durch Einbau schwimmender Kolben in die Kühlrohre. Diese erzwingen die angestrebte Strömungsart, erfordern aber eine Richtungsumkehr der Strömung nach jeder Charge.
• 2. Die rückgekühlte Wachssäule kann als großer Wachspfropf aufgefaßt werden, dessen Wand­ reibung zu Beginn der Rückerwärmung absichtlich stark vermindert wird. Während einer be­ grenzten Zeitspanne läßt er sich ohne wesentliche Vermischung mit dem nachgeschobenen Wachs aus dem Kühler drücken. Eine genaue Portionierung der Nachfüllmenge und eine se­ quentielle Beaufschlagung der Kühlrohre ist erforderlich.

Im folgenden werden beispielhaft zwei mögliche Ausführungen von Wärmetauschern beschrie­ ben.

Die Kühler haben 4 Strömungskreise: den Wachsstrom D, den Kühlwasserstrom B, den Temperierkreislauf A und den Mantelkreislauf C zur Verhinderung von unerwünschten Temperaturabsenkungen bei Maschinenstillstand.

Abb. 3a und 3b zeigen einen Wärmetauscher, welcher durch Strömungsumkehr in den Temperierrohren gefüllt und geleert wird.

Der Wachskühler ist als Rohrbündelwärmeaustauscher ausgeführt. Die parallel angeordneten Temperlerrohre (1) sind wachsführend. In den Rohren bewegen sich fliegend Schwimmkol­ ben (2), die beim Erreichen der Endlagen kurz vor den Rohrenden von Anschlagstiften (3) abgefangen werden.

Der Mantelraum (4) des Kühlers liegt im Temperierkreislauf A-A. Eine im Mantelraum lie­ gende, das Rohrbündel umschließende Rohrschlange (5) ist an das Kühlwassernetz ange­ schlossen und wird zeitweise in Richtung B-B durchströmt. Zwischen der Kühlschlange und dem Kühlermantel liegt ein Wärmedämmrohr (6), um den Wärmeaustausch mit dem Mantel­ rohr zwecks Energieeinsparung zu verringern.

Die Hauben (7) sind doppelwandig und haben seitlich je zwei Anschlüsse für den Ein- und den Auslaß von Wachs. Der Raum zwischen den Wänden ist von Wärmeträger in Richtung C-C durchflossen, der andauernd auf Spritztemperatur geregelt wird. Dadurch wird ein Aushärten des Wachses im Haubenraum während des Maschinenstillstandes (Betriebs­ bereitschaft) vermieden.

Die Wachsräume beider Hauben sind durch zwei Verteilerleitungen (8) miteinander verbun­ den. In jeder Verteilerleitung sitzt ein Dreiwege-Ventil (9), eines angeschlossen an die Speise­ leitung des Kühlers, das andere angeschlossen an den Spritzzylinder. Auch die Verteilerleitun­ gen und die Dreiwege-Ventile sind doppelwandig ausgeführt.

Die Dreiwege-Ventile werden gemeinsam so gesteuert, daß der Wachsstrom D-D die Wachs­ rohre alternierend durchfließt.

Den Schwimmkolben kommt beim Wachswechsel entscheidende Bedeutung zu. Ihre Wegbe­ grenzung portioniert das einströmende Wachsvolumen auf die Länge der Kühlrohre. Sie er­ zwingen die Kolbenströmung im Kühlrohr und legen bei ihrer Bewegung von der einen zu der anderen Endlage die gut wärmeleitende Rohrinnenfläche frei. Bei Hubende wirken sie als Sperrventil und erzwingen, wenn die einzelnen Kolben unterschiedlich schnell sind, die Verla­ gerung des Wachsflusses auf das nächste Rohr solange, bis alle Kolben ihre Endlage erreicht haben.

Abb. 4 zeigt beispielhaft das Prinzip eines Wärmetauschers, bei dem schrittweise, mit dem Füllpumpentakt verknüpft, jeweils ein einzelnes Temperierrohr zum Wachswechsel frei­ gegeben wird.

Die wachsführenden Temperierrohre (1) sind vorzugsweise radial um eine Achse angeordnet, so daß ein Ringraum (4) entsteht, in welchem auch eine Rohrschlange (5) untergebracht ist, die zeitweise von Kühlwasser durchströmt wird.

Der durch den Ringraum gebildete Innenzylinder (3) ist mit wärmedämmendem Material aus­ gefüllt. Die Außenwand (6) ist ebenfalls wärmeisoliert.

Die Hauben (7) sind doppelwandig und haben seitlich je einen Anschluß für den Ein- und den Auslaß von Wachs. Der Raum zwischen den Wänden ist von Wärmeträger durchflossen, der andauernd auf Spritztemperatur geregelt wird. Dadurch wird ein Aushärten des Wachses im Haubenraum während des Maschinenstillstandes (Betriebsbereitschaft) vermieden.

Auf der Eintrittsseite der Temperierrohre ist eine Einlochscheibe (8) angeordnet, welche von einem taktweise rotierenden Antrieb (10) angetrieben wird. Die innere Kolbenstellung der Wachsfüllpumpe löst das Weiterdrehen der Einlochscheibe aus. Die sensorgesteuerte Schalt­ fahne der Steuerscheibe (9) beendet die Bewegung nach jeweils einer Rohrteilung.

Durch Anpassen des Hubvolumens der Wachspumpe an das Volumen eines Temperierrohres wird der Wachsdurchsatz bei jedem Kolbenhub begrenzt.

Claims (4)

1. Temperiervorrichtung für eine Wachsspritzmaschine, die das zugeführte oder bevorratete Wachs von einer beliebigen Temperatur auf eine für den eigentlichen Einspritzvorgang optimale Temperatur erwärmt oder kühlt, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachs in einem zwischen Vorratsbehälter und Einspritzzylinder oder Spritzdüse angeordneten Wärmeaustauscher ausschließlich durch Wärmeleitung im Wachs, also ohne Strömung, und mit Hilfe einer Reihe von nacheinander ablaufenden Temperaturregel- und Steuervorgängen des Temperiermediums, auf eine berechenbare, aus Gründen der Prozeß­ optimierung im strukturviskosen Bereich liegende Temperatur gebracht wird.

2. Temperiervorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher aus einem Bündel von Rohren besteht, deren Volumen jederzeit nach Abschluß des Temperiervorganges vollständig entleert und gleichzeitig mit frischem Wachs gefüllt wird.

3. Temperiervorrichtung nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschluß des Temperiervorganges der Wachswechsel mittels einer Pumpe herbei­ geführt, und die Trennung von temperiertem und frischem Wachs durch im Rohr os­ zillierende Kolben aufrechterhalten wird, wobei jeder Wachswechsel mit einer von Ventilen gesteuerten Strömungsumkehr in den Kühlrohren verbunden ist.

4. Temperiervorrichtung nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschluß des Temperiervorganges der Wachswechsel in den Rohren immer gleichgerichtet, von einer Pumpe ausgelöst und bei jedem Hub auf das Volumen eines Rohres begrenzt wird, und ein Mechanismus die Durchströmung auf jeweils ein einzelnes, ausgewähltes Rohr beschränkt, wobei die Trennung von temperiertem und frischem Wachs durch dessen Viskositätsunterschied erhalten bleibt, indem sich eine Kolbenströmung ausbildet.