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Die
Erfindung betrifft allgemein das Druckgießen von Metallen und insbesondere
ein solches, das unter Anwendung der sogenannten "Heißkammer-Technik" durchgeführt wird;
sie bezieht sich ferner speziell auf das Druckgießen von
Metallen bei hohen Temperaturen, wie es im Falle von Magnesium und
seinen Legierungen der Fall ist.
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Tatsächlich treten
bei Metallgießtemperaturen
von mehr als 500 bis 600°C
Probleme bezüglich des
Aufrechterhaltens dieser Werte im Bereich des Kanals auf, der die
Klappe der heißen
Kammer mit der Form verbindet, in die das Metall gespritzt wird; um
dieses Ergebnis zu erreichen, sind verschiedene Systeme bekannt.
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Eines
davon besteht darin, einen Gasbrenner mit einer offenen Flamme anzuwenden,
der sich in einer Stellung unterhalb des Kanals befindet; wie leicht
zu verstehen ist, führt
ein derartiges System zu verschiedenen Problemen bezüglich der
geringen Heizeffizienz sowie dem begrenzten Sicherheitsgrad und
der unzuverlässigen
Arbeitsweise.
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Tatsächlich ist
es offensichtlich, dass wenn der Kanal von unten mit einem Brenner
mit offener Flamme erhitzt wird, die Temperatur seiner Wand nicht
gleichmäßig ist:
sie ist am unteren Teil, der den Flammen und dem Rauch des Brenners
stärker
ausgesetzt ist, höher
und am oberen Teil, der von ihnen nicht erreicht wird, niedriger.
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Es
folgt daraus, dass um das geschmolzene Metall auf den oben erwähnten hohen
Temperaturwerten zu halten, auch die obere Zone des Kanals auf eine
Temperatur erhitzt werden muss, die höher liegt als diejenige des
geschmolzenen Metalls. Das bedeutet grundsätzlich, dass das Material (üblicherweise
eine Spezialstahl) aus dem der Kanal besteht, unter kritischen Bedingungen
arbeitet, insbesondere am Bodenteil, der von den Flammen erreicht
wird, so dass er stark beansprucht wird und eine häufige Wartung
erfordert (was unvermeidlich mit einem Anhalten der Maschine und
allen daraus folgenden Konsequenzen verbunden ist).
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Die
Situation wird noch verschlechtert durch die Tatsache, dass für die Anforderungen
beim Arbeiten nach jedem Guss eines Werkstücks die Düse mit dem Kanal von der Form
abgezogen und anschließend
wieder nahe an sie herangebracht werden muss, wodurch unvermeidlich
Schläge
und Vibrationen auftreten.
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Als
Alternative zu den Brennern mit offener Flamme sind elektrische
Systeme zum Erhitzen des Düsenkanals
bekannt.
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In
einem Falle wird die thermische Energie zum Erhitzen durch einen
Joule-Effekt mit
einem Widerstand erreicht, der um den Kanal gewickelt ist; ein Beispiel
für diese
Art von Heizsystem ist in der DE-Anmeldung 4 439 872 beschrieben.
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Trotz
des Aufbringens von Material zur Wärmeübertragung auf die Kanalwand,
um die hohen Temperaturen zu erreichen, die für das geschmolzene Material
erforderlich sind, ist es erforderlich, den elektrischen Widerstand
einer hohen thermischen Spannung zu unterwerfen, so dass er tatsächlich eine
kurze Lebensdauer aufweist, da er häufig durchbrennt und daher
in bestimmten Zeitabständen
erneuert werden muss.
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Als
eine Alternative zu dieser Lösung,
kann ein Erhitzen des Kanals in der Düse mit Hilfe elektromagnetischer
Induktion erreicht werden; in diesem Falle entwickelt der um den
Kanal gewickelte Leiter ein variables magnetisches Induktionsfeld,
so dass die Wand des Kanals durch den in seinem Inneren induzierten
Strom erhitzt wird.
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Bei
dieser Art von Düse
ist es jedoch erforderlich, die Induktionswindungen zu kühlen; dadurch wird
sie kompliziert herzustellen und schwierig zu bedienen. Als Beispiel
für eine
derartige Düse
wird z.B. auf die in der veröffentlichten
EP-Anmeldung 761 345 illustrierte verwiesen.
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Die
US-3 156 959-A beschreibt eine Gießvorrichtung mit einer länglichen
Düse, die
durch ein getrenntes Heizelement beheizt wird, das an der Außenseite
des Düsenkörpers angebracht
ist.
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Die
vorliegende Erfindung möchte
den oben beschriebenen allgemeinen Stand der Technik verbessern.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Düse für eine Druckgießvorrichtung
zu liefern, die entweder vom strukturellen oder vom funktionellen Standpunkt
aus einfach ist, wodurch ein zuverlässiges Arbeiten und eine Heizeffienz
für den
Kanal mit dem geschmolzenen Metall sichergestellt wird.
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Dieses
Ziel wird erreicht durch eine Düse, deren
charakteristische Merkmale in Anspruch 1 angegeben sind mit bevorzugten
Merkmalen entsprechend den abhängigen
Ansprüchen.
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Diese
Merkmale und die daraus resultierenden Wirkungen gehen deutlicher
aus der unten angegebenen Beschreibung einer bevorzugten und nicht ausschließlichen Ausführungsform
der Erfindung hervor, wie sie in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt
ist, bei denen
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Düse nach
der oben erwähnten
Ausführungsform zeigt,
bei der ein Teil entfernt ist;
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Fig. 2 eine Seitenansicht der Düse der 1 zeigt;
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Fig. 3 einen Längsschnitt eines Teils der oben
angegebenen Düse
zeigt;
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Fig. 4 eine Ansicht des in 3 gezeigten Teils
in Richtung des Pfeils IV zeigt;
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Fig. 5 einen anderen Teil der Düse der 1 im
Detail zeigt.
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In
Bezug auf diese Figuren bezeichnet die Ziffer 1 insgesamt
eine Düse
nach der Erfindung, die einen Hauptkörper 2 umfasst, der
axial mit einem Kanal 3 versehen ist, in dem geschmolzenes
Metall fließt,
das in an sich bekannter Weise von der Klappe (nicht gezeigt) kommt.
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Der
Düsenkörper 2,
der unten mehr im Detail beschrieben wird, ist außen mit
einer Schicht aus thermisch isolierendem Material 4 isoliert,
das seinerseits in einem Gehäuse 5 eingeschlossen
ist, das aus einem Metallblech besteht, das aufgerollt und mit Befestigungen 6 verschlossen
ist.
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Die
Düse 1 ist
mit einer Einheit 7 versehen, in der der Endblock für die Verbindung
mit den Kabeln 8 der elektrischen Stromzufuhr, die durch
das öffentliche
Stromnetz geliefert wird, enthalten ist.
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Der
im Detail in 3 ohne Isolierung gezeigte Düsenkörper 2 besteht
aus Spezialstahl, der Art, wie sie üblicherweise für derartige
Zwecke verwendet wird, er ist an der Vorderseite mit einem typischen
konischen Ende 20 versehen, zum Eingreifen in eine passende
Vertiefung der Form (in den Zeichnungen nicht gezeigt), wo das geschmolzene
Metall eingespritzt wird, und, am hinteren Ende mit einem Zylinderschaft 21,
zum Eingreifen in die Klappe der heißen Kammer (nicht gezeigt).
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Um
den zentralen Kanal 3 herum erstrecken sich parallel dazu
Aushöhlungen 22 zwischen
einer ringförmigen
vorderen Kammer 23 und einer ringförmigen hinteren Kammer 24,
die koaxial dem konischen Ende 20 und dem Zylinderschaft 21 verlaufen. Diese
Aushöhlungen
enthalten in ihrem Inneren (vgl. 5, die eine
von ihnen zeigt) die elektrischen Komponenten zum Erhitzen des Düsenkörpers 2.
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Diese
Komponenten umfassen für
jede Aushöhlung
eine elektrisch isolierende schlauchförmige Hülle 25 aus einem keramischen
Material, vorzugsweise auf der Basis von Kordierit, wie z.B. dem
unter dem Namen Kerostat im Handel bekannten; die Hülle 25 ist
mit einem Pulver 26 aus Zirkoniumsilicaten (ZrSiO4) gefüllt,
in die ein einelektrischer Widerstand 27 eingebettet ist.
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Der
zuletzt Genannte kann aus einem Faden aus irgendeinem geeigneten
Material bestehen, das gegenüber
den bei diesen Anwendungen auftretenden hohen Temperaturen beständig ist;
gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung besteht dieser Faden jedoch aus austenitischen Legierungen auf
der Basis von Nickel und Chrom, wie den im Handel unter dem Namen
Nikrothal bekannten und von Kanthal hergestellten.
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Unter
Verwendung derartiger Materialien ist es möglich, sehr feste Fäden mit
geringem Durchmesser herzustellen, wodurch der Raum, der von ihnen
ausgefüllt
wird, auf ein Minimum verringert wird, um Aushöhlungen mit kleinem Durchmesser
zu erhalten, z.B. haben im Falle das Düsenkörpers 2 mit einem
maximalen äußeren Durchmesser
von etwa 90 mm die Aushöhlungen
einen Durchmesser von etwa 11,5 mm.
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Bei
der erfindungsgemäßen Düse ist Der
Faden, der die Widerstände 27 bildet,
im Inneren jeder Aushöhlung
spiralförmig
gewunden, mit einer unterschiedlichen Steigung: d.h. dicker auf
die Endzonen E1 und E2 zu
und dünner
auf die Mittelzone C zu.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
eine gleichmäßige Verteilung
der Wärme
zu erreichen, die dem Strömungskanal 3 über den
Widerstand entlang seiner gesamten Längsausdehnung zugeführt wird.
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Tatsächlich unterliegen
die Zonen E1, E2 einer
größeren thermischen
Verteilung auf Grund von Randwirkungen in axialer Richtung: Die
größere Dichte
an Windungen des Fadens in diesen Zonen macht es möglich, diese
Randwirkungen zu kompensieren, wodurch sicher gestellt wird, dass
die durch die zuletzt Genannten erzeugte Wärme mit derjenigen er Mittelzone
C gleich ist.
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Bei
dieser Ausführungsform
der Erfindung ist der Faden des elektrischen Widerstands 27 der
gleiche für
alle Aushöhlungen 22,
d.h. es ist ein einziger Faden, der durch alle hindurchgeht, der
in eine der ringförmigen
Kammern 23, 24 eintritt und aus der anderen Kammer
austritt, um in der nächsten
Aushöhlung
weiter zu laufen.
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Um
die oben erwähnten
ringförmigen
Kammern zu isolieren, ist deren Innenwand mit Bahnen von Glimmeraggregat,
z.B. von der im Handel unter dem Namen Flogopite der bekannten Art
ausgekleidet, darüber
hinaus sind sie mit dem gleichen Zirkoniumpulver gefüllt, das
in den Aushöhlungen 22 vorhanden
ist.
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Nach
der Außenseite
hin sind die Kammern 23 und 24 jeweils mit Deckeln 30 (in 1 ist
nur einer von ihnen sichtbar) verschlossen, die in Sitzen 31, 32,
die speziell darin vorgesehen sind, befestigt sind.
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Schließlich sollte
erwähnt
werden, dass zum Verbinden des elektrischen Widerstandsfadens 27 mit
dem Endblock der Kontrolleinheit 7 der Düsenkörper 2 im
Bereich einer der Aushöhlungen 22 mit
Verbindungsstücken 33 und 34 versehen
ist, durch die die Enden des Fadens geführt sind.
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Auf
Grund des oben Beschriebenen ist es möglich, die Arbeitsweise der
Düse 1 zu
verstehen.
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Spezieller
wird, obwohl das Befestigen dieser Düse an einer Form mit Hilfe
des Endes 20 und das Verbinden mit der Klappe der heißen Kammer über den
Zylinderschaft 21 in an sich bekannter Weise durchgeführt werden,
das Heizen völlig
anders als bei dem derzeitigen Stand der Technik durchgeführt.
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Tatsächlich ist
es, selbst wenn es als Ergebnis des Joule Effekts auf Grund der
von dem elektrischen Widerstand 27 ausgehenden Energie
stattfindet, nicht schwer zu verstehen, dass die besondere Lage
des zuletzt Genannten in den Aushöhlungen 23 es erlaubt,
den Körper 2 der
Düse mit
einer wesentlich größeren Effizienz
von innen statt von der äußeren Oberfläche her
zu erhitzen.
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Das
beruht auf der Tatsache, dass die Widerstände nicht mehr, wie es nach
dem Stand der Technik der Fall ist, um den Düsenkörper herum gewickelt sind.
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Tatsächlich ist
es vom mechanischen Bearbeitungsstandpunkt aus nicht möglich, eine
spiralförmige
Aushöhlung
im Inneren eines geschmiedeten Stahlzylinders, wie des Düsenkörpers, zu
erzeugen und aus diesem Grund sind die elektrischen Leiter der bekannten
Gießvorrichtungen
um die Außenseite des
Düsenkörpers herum
gewickelt.
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Es
folgt daraus, dass im Falle von Heizsystemen mit elektrischen Widerständen ein
Teil der thermischen Energie unvermeidlich nach außen zerstreut
wird, statt nach dem Inneren des Düsenkörpers, wo sich der Kanal für das geschmolzene
Metall befindet.
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Ferner
sind im Falle einer Induktionsheizung sehr hohe magnetische Flüsse und
elektrische Ströme
erforderlich, aufgrund des Abstands der Induktionswindung von dem
Metallkanal.
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Andererseits
können
die elektrischen Widerstände 27 der
Düse nach
der Erfindung im Inneren des Körpers 2 und
damit in einer Stellung nahe an dem Kanal 3 für das geschmolzene
Metall angeordnet werden, auf Grund der Aushöhlungen, die durch normale
Bearbeitung durch Bohren erhalten worden sind.
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Die
Heizeffizienz wird dadurch deutlich erhöht, wenn alle anderen Bedingungen
unverändert bleiben.
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Diese
vorteilhafte Wirkung führt
dazu, dass weniger Energie verbraucht wird als bei bekannten Heizsystemen,
wodurch eine unangemessene Spannung auf den Faden des Widerstands
vermieden und die Arbeitszuverlässigkeit
nach der Erfindung erhöht wird.
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In
diesem Zusammenhang ist zu beobachten, dass es das Einbetten des
Fadens in ein Mittel wie Zirkoniumsilicat-Pulver ermöglicht,
Wärme durch Leitung
zu übertragen
und es gleichzeitig den Faden gegen Oxidation schützt, die
seine Lebensdauer verringern könnte.
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In
Bezug auf das Beispiel der erfindungsgemäßen Düse, wie sie oben beschrieben
ist, sind Modifikationen möglich.
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Zunächst ist
festzustellen, dass die Anzahl, die Dimensionen und der Querschnitt
der Aushöhlungen
von den gezeigten abweichen können.
Tatsachlich kann, obwohl der kreisförmige Querschnitt ohne Zweifel
der einfachste zu sein scheint, er durch kompliziertere Formen ersetzt
werden, z.B. elliptisch, Kreissegmente oder ähnliches.
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Zweitens
sind auch in Bezug auf das Material deutliche Änderungen möglich.
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Tatsächlich ist
das oben betrachtete Beispiel speziell für die beim Druckgießen von
Magnesiumlegierungen angewandten hohen Temperaturen vorgesehen;
es ist jedoch offensichtlich, dass die erfindungsgemäße Düse auch
zum Verarbeiten von Metallen angewandt werden kann, die niedrigerer
Temperaturen erfordern.
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Folglich
wäre es
in derartigen Fällen
möglich, Fäden für die elektrischen
Widerstände
zu verwenden, die aus anderen Materialien als der Legierung auf
Ni und Cr Basis bestehen; ähnliche Überlegungen
sind auch auf das Zirkonium anwendbar, das in dem Füllpulver
für die
Aushöhlungen 22 verwendet wird,
das durch andere geeignete Materialien ersetzt werden kann.
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Zuletzt
muss als eine weitere mögliche
Variante diejenige erwähnt
werden, die erhalten werden kann durch Ersatz des elektrischen Widerstandes 27, der
aus einem einzigen Faden 27 besteht, der nacheinander durch
alle Aushöhlungen
hindurchgeht, durch eine Mehrzahl von Widerständen, die in diesen Aushöhlungen
angeordnet sind, wie z.B. die drei Fäden, die jeweils durch die
Phasen einer industriellen Hauptstromversorgung mit Energie versorgt
werden.
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Es
ist auch möglich,
Widerstände
zu verwenden, die parallel elektrisch mit Leitern verbunden sind,
die an den Enden angeordnet sind, wie Leitern, die durch Ringe gebildet
werden, die vorteilhafterweise in den ringförmigen Kammern 23 und 24 eingeschlossen
sind, zwischen denen sich die in den Aushöhlungen eingeschlossenen Widerstände erstrecken.
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Diese
Varianten fallen trotzdem in den Rahmen der folgenden Ansprüche.