DE69630926T2

DE69630926T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung von Leichtmetall durch Spritzgiessen

Info

Publication number: DE69630926T2
Application number: DE69630926T
Authority: DE
Inventors: Kaname Minato-ku Kono
Original assignee: Takata Corp
Current assignee: Takata Corp
Priority date: 1995-09-01
Filing date: 1996-08-28
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2016-08-29
Also published as: DE69630926D1; EP1206989A2; US6739379B2; US20010023755A1; EP1206989B1; JPH09103859A; US6065526A; DE69637088D1; EP1206989A3; US6241001B1; JP3817786B2; EP0761344A3; EP0761344A2; DE69637088T2; EP0761344B1; US5836372A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Metalllegierungen, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung durch Spritzgießen der Metalllegierung, wenn sie sich in einem thixotropen (halbfesten) Zustand befindet.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Ein herkömmliches Verfahren, das zur Herstellung von Metalllegierungsgießformen verwendet wird, ist das Druckgießverfahren. Das Druckgießverfahren wird in den US-Patenten 3,902,544 und 3,936,298 offenbart. Beim Druckgießverfahren werden beim Gießen flüssige Metalllegierungen verwendet, und infolgedessen weisen durch dieses Verfahren hergestellte Metalllegierungen eine geringe Dichte auf. Metalllegierungen mit geringer Dichte sind aufgrund ihrer geringeren mechanischen Festigkeit; ihrer größeren Porosität und ihrer größeren Mikroschrumpfung nicht wünschenswert. Somit ist es schwierig, gegossene Metalllegierungen genau zu dimensionieren und nach der Dimensionierung ihre Formen aufrechtzuerhalten. Des Weiteren ist es bei durch Druckgießen hergestellten Metalllegierungen schwierig, die darin entstandenen elastischen Spannungen zu reduzieren.
Das thixotrope Verfahren stellt eine Verbesserung gegenüber dem Druckgießverfahren dar, indem eine Metalllegierung aus ihrem thixotropen (halbfesten) Zustand spritzgegossen wird, anstatt sie aus ihrem flüssigen Zustand druckzugießen. Das Ergebnis ist eine Metalllegierung, die eine höhere Dichte aufweist als die durch das Druckgießverfahren hergestellte.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Metalllegierung aus ihrem thixotropen Zustand werden in dem US-Patent 5,040,589 offenbart.
In den US-Patenten 4,694,881 und 4,694,882 wird ein Verfahren zur Umwandlung einer Metalllegierung in einen thixotropen Zustand durch gesteuerte Erwärmung offenbart.
Das im US-Patent 5,040,589 offenbarte System ist ein Inline-System, bei dem die Umwandlung der Metalllegierung in einen thixotropen Zustand und die Druckbeaufschlagung derselben zwecks Spritzgießen innerhalb eines einzigen zylindrischen Gehäuses durchgeführt wird. Bei einem solchen System ist es schwierig, die Gießbedingungen, das heißt Temperatur, Druck, Zeit usw., zu steuern, und infolgedessen werden Metalllegierungen mit ungleichen Eigenschaften hergestellt.
Des Weiteren erfordert das System des US-Patents 5,040,589, dass die der Zuführvorrichtung zugeführte Metalllegierung in Pellet-Form vorliegt. Infolgedessen ist bei Herstellung einer Gießform mit unerwünschten Eigenschaften durch dieses System ein Recyceln der defekten Gießformen nicht möglich, es sei denn, die defekten Formen werden in Pellet-Form neu gegossen.
Die JP-1-166874A offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung einer Verbundlegierung vor ihrem Einspritzen in eine Gießform. Eine Basislegierung in einem flüssigen Zustand wird einer Lagerungskammer zugeführt, wonach sie in dieser durch ein Rührgerät mit einem Additivgemisch vermischt wird. Dann wird die so hergestellte Legierung in ein keramisches Formwerkzeug eingespritzt. Die JP-05008017A offenbart eine Vorrichtung zur Beförderung einer Metallschmelze mit einer in einem Warmhalteofen eingetauchten Pumpenanordnung. Die Pumpenanordnung ist dahingehend betreibbar, Metallschmelze über ein Rückschlagventil zur Gießvorrichtung zu befördern.
Es ist ein verbessertes System zur Herstellung von Leichtmetalllegierungen erwünscht, das in der Lage ist, gegossene Metalllegierungen mit bestimmten Abmessungen innerhalb einer engen Dichtetoleranz genau herzustellen. Weiterhin würde ein Herstellungsverfahren für Leichtmetalllegierungen, das durchweg gegossene Metalllegierungen mit gewünschten Eigenschaften herstellen und einem Recyceln defekter Gießformen leicht Rechnung tragen kann, einen wesentlichen Fortschritt in dieser Technik bedeuteten.
Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung bereitgestellt, das Folgendes umfasst:
eine Sammelkammer, die so ausgeführt ist, dass darin eine Metalllegierung in einem thixotropen Zustand gelagert werden kann, wobei die Sammelkammer eine Austrittsöffnung aufweist, durch die die Legierung gespritzt wird;
ein Zylinderrohr, das die Sammelkammer mit der Metalllegierung im thixotropen Zustand versorgt;
eine Kolben-Zylinder-Anordnung, die so ausgeführt ist, dass sie die Metalllegierung im thixotropen Zustand aus dem Zylinderrohr in die Sammelkammer saugt und die Metalllegierung im thixotropen Zustand dann aus der Sammelkammer in eine Form spritzt; und ein in einer Öffnung zwischen dem Zylinderrohr und der Sammelkammer angeordnetes Ventil, wobei das Ventil die Öffnung als Reaktion auf die Betätigung der Kolben-Zylinder-Anordnung gezielt öffnet und schließt.
Nach dem Ansaugen der Metalllegierung im thixotropen Zustand wird diese durch eine an der Sammelkammer vorgesehene Austrittsöffnung gespritzt. Die Austrittsöffnung weist eine variable Heizvorrichtung auf, die um sie herum angeordnet ist. Diese Heizvorrichtung schaltet die Temperatur in der Nähe der Austrittsöffnung zyklisch zwischen einer oberen Grenze und einer unteren Grenze. Die Temperatur wird zyklisch auf eine obere Grenze geschaltet, wenn die Metalllegierung im thixotropen Zustand eingespritzt wird, und auf eine untere Grenze, wenn die Metalllegierung im thixotropen Zustand aus dem Zylinderrohr in die Sammelkammer gesaugt wird.
Eine Kolben-Zylinder-Anordnung versorgt die Sammelkammer mit dem Druck, der zum Einspritzen der Metalllegierung im thixotropen Zustand erforderlich ist, und mit der Saugwirkung, die zum Ansaugen der Metalllegierung im thixotropen Zustand aus dem Zylinderrohr erforderlich ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Spritzgießen einer Metalllegierung mit den folgenden Schritten bereitgestellt:

(a) Zuführen und Schmelzen einer Metalllegierung in einen flüssigen Zustand in einem Zylinderrohr und Abkühlen der Metalllegierung im flüssigen Zustand auf einen thixotropen Zustand;
(b) Ziehen der Metalllegierung in einem thixotropen Zustand mit einer Kolben-Zylinder-Anordnung in eine Sammelkammer;
(c) gezieltes Öffnen und Schließen eines in einer Öffnung zwischen dem Zylinderrohr und der Sammelkammer angeordneten Ventils, wobei sich das Ventil als Reaktion auf die Betätigung der Kolben-Zylinder-Anordnung öffnet und schließt; und
(d) Einspritzen des Metalls im thixotropen Zustand aus der Sammelkammer in eine Form.

Zusätzliche Ziele und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung aufgeführt. Die Ziele und Vorteile der Erfindung können mittels Einrichtungen und Kombinationen erreicht werden, die in den angehängten Ansprüchen besonders herausgestellt werden.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Metalllegierungen durch Spritzgießen bereitzustellen.
Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Spritzgießsystem für Metalllegierungen bereitzustellen, das in der Lage ist, gegossene Metalllegierungen mit genauen Abmessungen innerhalb einer engen Dichtetoleranz herzustellen.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Spritzgießsystem für Leichtmetalllegierungen bereitzustellen, das in der Lage ist, auf gleich bleibende Weise Leichtmetalllegierungen mit gewünschten Eigenschaften herzustellen.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Spritzgießsystem für Leichtmetalllegierungen bereitzustellen, das dem leichten Recyceln defekter Gießformen Rechnung trägt.
Diese und andere Ziele werden durch ein verbessertes Spritzgießsystem für Metalllegierungen erreicht, bei dem die Schritte des Schmelzens der Metalllegierung, des Umwandelns der Metalllegierung in einen thixotropen Zustand und des Einspritzen der Metalllegierung im thixotropen Zustand in eine Gießform an räumlich getrennten Orten durchgeführt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben; darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht des Spritzgießsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2A und 2B die beiden Stellungen eines Kugelventils, das beim erfindungsgemäßen Spritzgießsystem verwendet wird;
3 eine schematische Darstellung einer Draufsicht des Spritzgießsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4 ein Blockschema einer beispielhaften Steuerschaltung für die Heizelemente des erfindungsgemäßen Spritzgießsystems; und
5 Kennlinien, die drei Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnissen entsprechen, die durch die Steuerschaltung nach 4 erreichbar sind.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bei der nachfolgenden Besprechung der bevorzugten Ausführungsform wird eine Metalllegierung durch Spritzgießen aus einem Magnesiumlegierungsblock (Magnesium = Mg) hergestellt. Die Erfindung ist nicht auf eine Mg-Legierung beschränkt und kann genauso gut auf andere Metalllegierungsarten angewendet werden. Weiterhin sind in der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform genannte besondere Temperaturen und Temperaturbereiche nur auf ein eine Mg-Legierung erzeugendes System anwendbar, könnten aber durch Fachleute gemäß den Grundzügen der Erfindung leicht geändert werden, um anderen Legierungen Rechnung zu tragen. Zum Beispiel wird eine Zinklegierung bei ca. 380°C–420°C thixotrop.
1 zeigt ein Spritzgießsystem 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das System 10 weist vier im Wesentlichen zylindrische Abschnitte auf – eine Zuführvorrichtung 20, eine erste Kammer oder ein erstes Zylinderrohr 30, einen Zylinder 40 und eine Sammelkammer 50. Eine Metalllegierung, zum Beispiel eine Mg-Legierung, wird der Zuführvorrichtung 20 zugeführt. Die Zuführvorrichtung 20 ist mit einer Mischvorrichtung 22 und einem um ihren Außenumfang herum angeordneten Heizelement 25 versehen. Das Heizelement 25 kann herkömmlicher Art sein und hält die Zuführvorrichtung 20 auf einer Temperatur, die hoch genug ist, die durch die Zuführvorrichtung 20 zugeführte Metalllegierung in einem flüssigen Zustand zu halten. Für einen Mg-Block würde diese Temperatur ca. 600°C oder mehr betragen. Die Mischvorrichtung 22 wird durch einen Rührmotor 23 angetrieben, um die Wärme von dem Heizelement 25 gleichmäßig auf die der Zuführvorrichtung 20 zugeführte Metalllegierung zu verteilen.
Anschließend wird die flüssige Metalllegierung durch Schwerkraft durch eine Öffnung 27, die wahlweise mit einem als Absperrglied dienenden Ventil (nicht gezeigt) versorgt werden kann, dem Zylinderrohr 30 zugeführt. Das Zylinderrohr 30 weist mehrere Heizelemente 70a–e auf, die entlang der Länge des Zylinderrohrs 30 angeordnet sind. Die Heizelemente 70a–e halten das Zylinderrohr auf Temperaturen an und etwas unter dem Schmelzpunkt der von der Zuführvorrichtung 20 zugeführten flüssigen Metalllegierung. Bei einem für einen Mg-Block ausgeführten Spritzgießsystem 10 würden Heizpaare 70a und 70b auf einer Temperatur von ca. 600°C gehalten werden; ein Heizpaar 70c würde auf einer Temperatur von ca. 580°C gehalten werden; und Heizpaare 70d und 70e würden auf einer Temperatur von ca. 550°C gehalten werden. Die Heizpaare 70a–70e beaufschlagen die durch das Zylinderrohr 30 fließende Metalllegierung mit einem Wärmegefälle. Der Zweck des Wärmegefälles besteht darin, die in das Zylinderrohr 30 eintretende flüssige Metalllegierung am Ausgang des Zylinderrohrs 30 in eine Metalllegierung im thixotropen Zustand umzuwandeln.
Des Weiteren weist das Zylinderrohr 30 ein physisches Gefälle oder eine Neigung auf. Die Neigung, die vorzugsweise zwischen 30° und 90° liegt, ist dazu erforderlich, die Metalllegierung im thixotropen Zustand der Sammelkammer 50 durch Schwerkraft zuzuführen. Das Zylinderrohr 30 ist weiterhin mit einer Mischvorrichtung 32 versehen, die durch einen Rührmotor 33 angetrieben wird. Die Mischvorrichtung 32 ist dazu vorgesehen, zu gewährleisten, dass das Verhältnis von Feststoff und Flüssigkeit über die ganze Metalllegierung im thixotropen Zustand hinweg gleich ist. Es können natürlich mehrere Mischflügel, die an der rotierenden Welle angebracht sind, verwendet werden.
Die Metalllegierung im thixotropen Zustand verlässt das Zylinderrohr 30 durch ein Kugelventil 60 in eine Sammelkammer 50. Das Kugelventil 60 wird als Reaktion auf eine Druckdifferenz zwischen der Sammelkammer 50 und dem Zylinderrohr 30 betrieben. Der Druck im Zylinderrohr 30 bleibt in etwa konstant, aber der Druck in der Sammelkammer 50 wird durch die Position eines im Zylinder 40 angeordneten Kolbens 45 bestimmt. Wenn der Kolben 45 nach innen verschoben wird, steigt der Druck in der Sammelkammer 50 an (und wird größer als der des Zylinderrohrs 30), und das Kugelventil 60 verschließt eine Öffnung 37 zwischen dem Zylinderrohr 30 und der Sammelkammer 50. Wenn der Kolben 45 nach außen verschoben wird, nimmt der Druck in der Sammelkammer 50 ab und ist kleiner als der des Zylinderrohrs 30, und das Kugelventil 60 öffnet sich. Eine Dichtung 41, zum Beispiel ein O-Ring, ist am Außenumfang des Kolbens 45 vorgesehen, um den Druck in der Sammelkammer 50 aufrechtzuerhalten und ein Lecken der in die Sammelkammer 50 gesaugten Metalllegierung im thixotropen Zustand zu verhindern.
Der Betrieb des Kugelventils 60 wird in den 2A und 2B ausführlicher gezeigt. 2A zeigt die Stellung des Kugelventils 60, wenn der Kolben 45 nach außen verschoben ist. In diesem Fall ist die Öffnung 37 zwischen dem Zylinderrohr 30 und der Sammelkammer 50 geöffnet, während sich das Kugelelement 65 des Kugelventils 60 von der Öffnung 37 weg bewegt. Zur Begrenzung der Kugelventilbewegung von der Öffnung 37 weg ist ein Kugelventilanschlag 62 vorgesehen. Wenn der Kolben 45 andererseits nach innen verschoben ist, wie in 2B gezeigt, steigt der Druck in der Sammelkammer 50, und das Kugelelement 65 des Kugelventils 60 wird dazu gezwungen, an der Öffnung 37 steckenzubleiben und verschließt dadurch die Strömungsverbindung zwischen dem Zylinderrohr 30 und der Sammelkammer 50.
Bei einer etwas anderen Ausführungsform kann das Kugelventil 60 mit einem Vorbelastungselement, zum Beispiel einer Feder, versehen sein. In einem solchen Fall kann das Kugelelement 65 entweder in die geöffnete oder in die geschlossene Stellung vorbelastet sein. Es wird bevorzugt, ein solches Vorbelastungselement bei größeren Spritzgießsystemen zur Herstellung von Metalllegierungen vorzusehen.
Bei noch einer anderen, sich etwas unterscheidenden Ausführungsform kann das Kugelventil 60 elektronisch gesteuert werden, wobei das Öffnen und das Schließen des Kugelventils mit der Verschiebungsbewegung des Kolbens 45 synchronisiert werden würden.
Wie in 1 gezeigt, sind weiterhin die Heizelemente 70f–70i und das Heizelement 80 entlang der Länge des Zylinders 40 und der Sammelkammer 50 vorgesehen. Die Heizelemente mit der Bezugszahl und dem Präfix 70 sind Widerstandsheizelemente. Bei der bevorzugten Ausführungsform des Spritzgießsystems zur Herstellung einer Mg-Legierung werden die Heizpaare 70f–70i vorzugsweise auf Temperaturen von 550–570°C gehalten, um die Metalllegierung im halbfesten Zustand zu halten.
Das Heizelement 80 ist eine Induktionsspulenheizvorrichtung und wird dazu verwendet, die Temperatur an der Austrittsöffnung 57 der Sammelkammer 50 zwischen 550°C und 580°C zyklisch zu schalten. Ein Zyklus beträgt ca. 30 Sekunden bis zu einer Minute. Beim zyklischen Schalten der Temperatur an der Austrittsöffnung 57 wird die Kennlinie der Metalllegierung im thixotropen Zustand in der Nähe der Austrittsöffnung 57 geändert. Zum Beispiel würde die Austrittsöffnung 57 bei einer Temperatur von 550°C bewirken, dass die Metalllegierung im thixotropen Zustand ein höheres Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis aufweist als im Vergleich zu der Situation, in der die Austrittsöffnung 57 eine Temperatur von 580°C aufweist.
Der Zweck des Erhöhens des Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnisses der Metalllegierung im thixotropen Zustand an der Austrittsöffnung 57 während des nach außen führenden Hubs des Kolbens 45 ist die ausreichende Erstarrung der Metalllegierung im thixotropen Zustand in der Nähe der Austrittsöffnung 57, damit sie als Stopfen für die Sammelkammer 50 dienen kann. Während des nach innen führenden Hubs des Kolbens 45 wurde die Temperatur an der Austrittsöffnung 57 zyklisch auf eine höhere Temperatur (zum Beispiel 580°C) geschaltet, so dass die Metalllegierung im thixotropen Zustand an der Austrittsöffnung 57 eine Kennlinie mit einem kleineren Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis annimmt und dadurch leicht durch die Austrittsöffnung 57 gespritzt werden kann.
Das Spritzen der Metalllegierung im thixotropen Zustand erfolgt durch die Austrittsöffnung 57 in eine (nicht gezeigte) Gießform. Gießformen mit gewünschten Eigenschaften werden behalten, und Gießformen mit unerwünschten Eigenschaften werden zur Zuführvorrichtung 20 zurückgeführt. Die defekten Gießformen (zum Beispiel Dichte der Gießform außerhalb eines vorbestimmten Bereichs, Oberflächenbeschädigung usw.) werden in ihrem vorliegenden Zustand recycelt und müssen nicht in eine besondere Form umgeformt werden, da das erfindungsgemäße System die ihr zugeführte Metalllegierung vor weiterer Verarbeitung schmilzt.
Die Steuerung der Heizelemente 70, das zyklische Schalten des Induktionsspulen-Heizelements 80 und die Zeitsteuerung des Kolbenhubs werden auf Grundlage des Folgenden elektronisch implementiert. Die Heizelemente 70 sind Widerstandsheizelemente. Durch die Heizelemente 70 wird elektrischer Strom gespeist, der dazu ausreicht, die Heizelemente 70 auf ihren gewünschten Temperaturen zu halten. Das zyklische Schalten des Induktionsspulen-Heizelements 80 wird mit dem Kolbenhub synchronisiert. Ein nach außen führender Kolbenhub sollte mit der niedrigeren Temperatur synchronisiert werden, und ein nach innen führender Kolbenhub sollte mit der höheren Temperatur synchronisiert werden. Die Steuerung des Kolbenhubs erfolgt auf herkömmliche Weise.
In der folgenden Tabelle sind repräsentative Abmessungen für große, mittlere und kleine Spritzgießsysteme für Metalllegierungen angeführt.
Die in der obigen Tabelle angeführten Abmessungen sind beispielhaft und sollen einen Leitfaden dafür geben, wie eine Skalierung für große, mittlere und kleine Systeme durchzuführen ist. In der Tabelle bezeichnet D den Innendurchmesser und L bezeichnet die Länge. Alle Abmessungen sind in Millimeter (mm) angeführt.
3 ist eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform des Spritzgießsystems der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist mit der ersten Ausführungsform identisch, mit Ausnahme des Zylinderrohrs 30. Das Zylinderrohr 30 in 3 ist bezüglich des Zylinders 40 und der Sammelkammer 50 horizontal angeordnet. Da Schwerkraft nicht mehr die Kraft zur Verfügung stellt, die zum Vorschub der im Zylinderrohr 30 fließenden Metalllegierung im thixotropen Zustand erforderlich ist, sind mehrere Schraubenelemente 34 vorgesehen, die durch den Motor 33 angetrieben werden. Die Schraubenelemente 34 rücken die Metalllegierung im thixotropen Zustand vor, so dass sie in der Nähe der Öffnung 37 neben dem Kugelventil 60 gesammelt wird. Die Mischvorrichtung 32 ist auf der gleichen Welle 35 vorgesehen, die die Schraubenelemente 34 dreht. (In 3 wird die Welle 35 von der Zuführvorrichtung 20 getrennt gezeigt, weil die Welle 35 unterhalb der Zuführvorrichtung 20 verläuft.) Deshalb wird der Motor 33 zum Antrieb der Schraubenelemente 34 und der Mischvorrichtung 32 betrieben. Andere Merkmale dieser Ausführungsform sind mit der ersten Ausführungsform identisch.
Sowohl die erste als auch die zweite Ausführungsform können des Weiteren eine Druckvorrichtung aufweisen, die am Zylinderrohr 30 befestigt ist, um das Zylinderrohr leicht mit Druck zu beaufschlagen. Ein solcher Druck ist viel geringer als der im Zylinder 40 und in der Sammelkammer 50 verwendete Druck.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist es erwünscht, zwischen dem Teil des Zylinderrohrs 30, in dem die Metalllegierung in das Zylinderrohr 30 eintritt, und dem Teil der Öffnung 37, in dem die Metalllegierung im thixotropen Zustand das Zylinderrohr 30 verlässt, einen Temperaturgradienten zu haben. Der Temperaturgradient ist dazu erforderlich, die Metalllegierung im thixotropen Zustand zu erzeugen. In den 4 und 5 wird eine beispielhafte Weise der Erzeugung des Temperaturgradienten gezeigt. Wie in 4 dargestellt, enthält die Steuereinrichtung eine Steuervorrichtung 100 und einen Stromversorgungskreis 102. Der Stromversorgungskreis ist mit jedem der Heizelementpaare 70a–70i verbunden und führt für die Widerstandsheizvorrichtungen verschiedene Ströme zu. Somit führt ein von der Stromversorgung einem bestimmten Heizelement oder Paar, zum Beispiel dem Paar 70a, zugeführter größerer Strom (oder ein über eine längere Zeit zugeführter Strom, oder eine Kombination aus Stromwert und Zeit) zu einer größeren Heizwirkung im Widerstandsheizvorrichtungspaar.
Jedes der Heizpaare 70a–70e erwärmt eine jeweils lokalisierte Zone im Zylinderrohr 30. Durch Steuern des den Heizpaaren 70a–70e zugeführten Stroms (und/oder der Zeit) kann die Wärmemenge in jeder Zone des Zylinderrohrs 30 neben dem jeweiligen Heizpaar gesteuert werden. Obgleich in der Darstellung nur fünf Heizpaare 70a–70e für das Zylinderrohr 30 bereitgestellt werden, ist das Zylinderrohr 30 vorzugsweise mit zwischen sieben bis zehn getrennt steuerbaren Heizzonen versehen, die jeweils einem getrennt steuerbaren Heizpaar entspricht.
Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung so programmierbar, dass die gewünschte Feststoff- Flüssigkeits-Verhältnis-Kennlinie, R1, R2, R3 der Metalllegierung im thixotropen Zustand erreicht werden kann, wie in 5 zu sehen. Die Steuervorrichtung 100 kann zum Beispiel einen Mikroprozessor (mit einer zugeordneten Eingabevorrichtung, wie zum Beispiel einer Tastatur, nicht gezeigt) umfassen, der leicht und schnell neu programmiert werden kann, um das sich ergebende Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis in Abhängigkeit von der Art des gewünschten Endgießformprodukts zu ändern. 5 zeigt drei Kennlinien für drei verschiedene Werte R1, R2 und R3 des Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnisses. Die Abszisse des Schaubilds in 5 ist mit „a, b, ... e" bezeichnet, was der Position der jeweiligen Heizpaare 70a, 70b, ... 70e in den 1 und 3 entspricht. Die Ordinate von 5 stellt, den unterschiedlichen Temperaturbereich dar, der eingesetzt werden kann. Es versteht sich, dass alle für die Heizpaare 70a, 70b, ... 70e verwendeten Temperaturwerte in dem zum Halten der Metalllegierung in ihrem thixotropen Zustand erforderlichen Bereich von 550°C bis 580°C liegen. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass die der Position des Heizpaars for a zugeordneten Temperaturwerte für alle Kurven ungefähr gleich (580°C) sind, da diese Werte in der Nähe des Wertes der Metalllegierung liegen, wenn sie von der Zuführvorrichtung 20 in das Zylinderrohr 30 eintritt. Durch Auswahl eines Verhältnisses R1 gegenüber R3 kann ein größeres Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis und somit eine dichtere sich ergebende Metalllegierung im thixotropen Zustand und ein dichteres Gießprodukt erhalten werden. Die Heizelementpaare 70f–70i werden in der Regel alle so gesteuert, dass sie eine Temperatur aufweisen, die gleich der Temperatur des Heizpaares 70e ist, das heißt zwischen den Heizpaaren 70f–70i besteht kein Temperaturgradient.
Des Weiteren zeigt 4 die Verwendung von Positionsdetektorvorrichtungen, die mit einem elektrisch betätigten Ventil 104 verwendet werden können, das anstelle des hugelventils 60 verwendet werden kann. Das elektrisch betätigte Ventil 104 weist zwei Positionen auf, eine die Verbindung zwischen dem Zylinderrohr 30 und der Sammelkammer 50 gestattende Position und eine eine solche Verbindung sperrende Position. Das Ventil wird durch den Stromversorgungskreis gesteuert, wie durch die gestrichelte Linie 106 gezeigt. Zwei Grenzschalter S1 und S2 werden zum Öffnen und Schließen des Ventils 104 verwendet. Diese Grenzschalter sind in der Darstellung in Form von zwei Fotodetektoren 108 und 110 und zugeordneten Lichtquellen 112 und 114 (das heißt Fotodioden) implementiert. Der Detektor 108 liefert der Steuervorrichtung 100 immer dann ein Ausgangssignal entlang der Leitung 116, wenn der Lichtstrahl von der Quelle 112 durch den sich nach außen (in den 1 und 3 nach rechts) bewegenden Kolben 45 unterbrochen wird, und dient somit als erster Schalter S1. Als Reaktion auf dieses Signal wird das Steuerventil 104 geöffnet und gestattet es der Metalllegierung im thixotropen Zustand, aus dem Zylinderrohr 30 in die Sammelkammer 50 einzutreten. Des Weiteren kann dieses gleiche Signal dazu verwendet werden, den Stromversorgungskreis dazu anzuweisen, das Induktionsspulenheizelement 80 auf eine relativ niedrige Temperatur (550°C) abzukühlen, wodurch das Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis der Metalllegierung im thixotropen Zustand, die sich neben der Austrittsöffnung 57 befindet, ansteigen und die Legierung somit einen Stopfen bilden kann.
Wenn der Kolben 45 seine äußerste Position erreicht, wie durch die gestrichelten Linien 45' in den 1 und 3 gezeigt, wird der zweite Grenzschalter (Lichtquelle 114 und Fotodetektor 110) zur Lieferung eines Signals entlang der Leitung 118 zur Steuervorrichtung 100 betätigt und wirkt somit als ein zweiter Schalter S2 (siehe zum Beispiel 4). Als Reaktion auf dieses Signal weist die Steuervorrichtung 100 den Stromversorgungskreis 102 an, das Ventil 104 zu schließen und die Temperatur des Induktionsspulenheizelements 80 zu erhöhen, um dadurch das Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis der Metalllegierung im thixotropen Zustand im Bereich der Austrittsöffnung 57 abzusenken und den Stopfen aus der Austrittsöffnung 57 zu entfernen, damit bei der Einwärtsbewegung des Kolbens 45 ein Spritzen stattfinden kann.
Auf die oben beschriebene Weise kann die Gradiententemperatur gezielt gesteuert werden, und das Induktionsspulenheizelement 80 kann synchron mit der Bewegung des Kolbens 45 gesteuert werden. Des Weiteren können im Falle eines elektronisch betätigten Ventils das Öffnen und das Schließen des Ventils auch synchron mit der Bewegung des Kolbens 45 gesteuert werden.
Obgleich oben besondere erfindungsgemäße Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, wird deutlich, dass die Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche die verschiedensten Formen und Ausführungsformen annehmen kann. Zum Beispiel können die Fotodetektoren und Lichtquellen durch mechanische Mikroschalter ersetzt werden, oder man kann aus der Messung von Druckänderungen in der Sammelkammer 50 auf die Position des Kolbens 45 schließen. Als Alternative dazu kann ein Codierer (zum Beispiel ein lichtelektrischer Codierer) dazu verwendet werden, die Position der Welle 45 zu erfassen.

Claims

Verfahren zum Spritzgießen einer Metalllegierung mit den folgenden Schritten: (a) Zuführen und Schmelzen einer Metalllegierung in einen flüssigen Zustand in einem Zylinderrohr (30) und Abkühlen der Metalllegierung im flüssigen Zustand auf einen thixotropen Zustand; (b) Ziehen der Metalllegierung in einem thixotropen Zustand mit einer Kolben-Zylinder-Anordnung (40, 45) in eine Sammelkammer (50); (c) gezieltes Öffnen und Schließen eines in einer Öffnung zwischen dem Zylinderrohr (30) und der Sammelkammer (50) angeordneten Ventils (60), wobei sich das Ventil (60) als Reaktion auf die Betätigung der Kolben-Zylinder-Anordnung (40, 45) öffnet und schließt; und (d) Einspritzen des Metalls im thixotropen Zustand aus der Sammelkammer (50) in eine Form.
Verfahren zum Spritzgießen einer Metalllegierung nach Anspruch 1, bei dem die Metalllegierung unter Saugwirkung in die Sammelkammer (50) gezogen wird.
Verfahren zum Spritzgießen einer Metalllegierung nach Anspruch 1, bei dem die Metalllegierung unter einer Kombination von Saugwirkung und Schwerkraft in die Sammelkammer (50) gezogen wird.
Verfahren zum Spritzgießen einer Metalllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin mit dem Schritt des zyklischen Schaltens der Temperatur einer um eine Austrittsöffnung (57) in der Kammer (50), durch die die Metalllegierung im thixotropen Zustand gespritzt wird, herum angeordneten Heizvorrichtung (80), wobei das zyklische Schalten mit den Schritten (b) und (d) synchronisiert wird.
Verfahren zum Spritzgießen einer Metalllegierung nach Anspruch 4, bei dem während des Schritts (b) die Temperatur der Heizvorrichtung (80) auf einen unteren Wert und während des Schritts (d) auf einen oberen Wert zyklisch geschaltet wird.
Verfahren zum Spritzgießen einer Metalllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin mit dem Schritt des (e) Recycelns einer defekten Spritzgießform durch Zuführen der defekten Form zu der Zuführvorrichtung (20).
Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung, das Folgendes umfasst: eine Sammelkammer (50), die so ausgeführt ist, dass darin eine Metalllegierung in einem thixotropen Zustand gelagert werden kann, wobei die Sammelkammer (50) eine Austrittsöffnung (57) aufweist, durch die die Legierung gespritzt wird; ein Zylinderrohr (30), das die Sammelkammer (50) mit der Metalllegierung im thixotropen Zustand versorgt; eine Kolben-Zylinder-Anordnung (40, 45), die so ausgeführt ist, dass sie die Metalllegierung im thixotropen Zustand aus dem Zylinderrohr (30) in die Sammelkammer (50) saugt und die Metalllegierung im thixotropen Zustand dann aus der Sammelkammer (50) in eine Form spritzt; und ein in einer Öffnung zwischen dem Zylinderrohr (30) und der Sammelkammer (50) angeordnetes Ventil (60), wobei das Ventil (60) die Öffnung als Reaktion auf die Betätigung der Kolben-Zylinder-Anordnung gezielt öffnet und schließt.
Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung nach Anspruch 7, bei dem die Kolben-Zylinder-Anordnung einen Kolben (45) und einen Zylinder (40) umfasst, wobei der Kolben (45) aus dem Zylinder (40) nach außen bewegt werden kann, um die Metalllegierung im thixotropen Zustand aus dem Zylinderrohr (30) in die Sammelkammer (50) zu ziehen, und der Kolben (45) nach innen in den Zylinder bewegt werden kann, um die Metalllegierung im thixotropen Zustand aus der Sammelkammer (50) in eine Form zu spritzen.
Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Zylinderrohr (30) zur Zuführung der Metalllegierung zur Sammelkammer (50) durch Schwerkraft angeordnet ist.
Spritzgießsystem nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Zylinderrohr (30) mehrere Schraubenelemente (34) enthält, die zum Vorschub der Metalllegierung im thixotropen Zustand zur Sammelkammer (50) hin ausgeführt sind.
Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, weiterhin mit einer an der Austrittsöffnung (57) angeordneten variablen Heizvorrichtung (80), die zum zyklischen Schalten der Temperatur an der Austrittsöffnung zwischen einem oberen Wert und einem unteren Wert betätigbar ist, wobei die Temperatur an der Austrittsöffnung zyklisch auf den oberen Wert geschaltet wird, wenn die Metalllegierung im thixoptropen Zustand gespritzt wird.
Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung nach Anspruch 11, bei dem die Heizvorrichtung (80) eine Induktionsheizspule ist.
Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem das Ventil elektronisch gesteuert wird und das System weiterhin Detektormittel (108, 110) zur Erfassung der Position der Kolben-Zylinder-Anordnung und zur Steuerung des elektronisch gesteuerten Ventils als Reaktion darauf umfasst.
Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung nach Anspruch 12 oder 13, weiterhin mit einem Mittel zur Steuerung der variablen Heizvorrichtung als Reaktion auf Detektormittel zur Erfassung der Position der Kolben-Zylinder-Anordnung.
Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung nach Anspruch 14, bei dem der Kolben (45) zwischen einer ersten vorbestimmten Position, die einem maximalen Ausfahren des Kolbens (45) aus dem Zylinder (40) entspricht, und einer zweiten vorbestimmten Position, die einem minimalen Ausfahren des Kolbens (45) aus dem Zylinder (40) entspricht, beweglich ist, wobei die Mittel zur Steuerung der variablen Heizvorrichtung (80) so ausgeführt sind, dass sie die Heizvorrichtung (80) zyklisch auf den oberen Wert schalten, wenn von den Detektormitteln (108, 110) erfasst wird, dass sich der Kolben (45) in der ersten Position befindet, und dadurch ein Spritzen der Metalllegierung in dem thixotropen Zustand gestatten, und die Heizvorrichtung (80) zyklisch auf den unteren Wert schalten, wenn durch die Detektormittel (108, 110) erfasst wird, dass sich der Kolben (45) in der zweiten Position befindet, und dadurch gestatten, dass die Metalllegierung im thixotropen Zustand einen Stopfen in der Austrittsöffnung (57) der Sammelkammer (50) bildet.
Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei dem das Ventil (60) ein Kugelventil ist.
Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, bei dem das Zylinderrohr (30) in einem Winkel zwischen 30 und 90 Grad bezüglich einer Horizontalrichtung positioniert ist und die Sammelkammer (50) eine in einer Horizontalrichtung ausgerichtete Längsachse besitzt.
Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, bei dem das Ventil (60) am Einlass zur Sammelkammer (50) angeordnet ist.
Spritzgießsystem zur Herstellung einer Metalllegierung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, bei dem die Kolben-Zylinder-Anordnung (40, 45) am Außenumfang des Kolbens eine Dichtung (41) enthält, um Druck in der Sammelkammer (50) aufrechtzuerhalten.