DE69724924T2

DE69724924T2 - Verfahren und vorrichtung zur simulation des füllvorganges von giessformen

Info

Publication number: DE69724924T2
Application number: DE69724924T
Authority: DE
Inventors: Pierre Merrien
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2017-03-25
Also published as: EP0850117B1; FR2746335B1; DE69724924D1; WO1997035679A1; ES2207726T3; FR2746335A1; EP0850117A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation des Fließvorganges von Metall in Gießformen, das dazu bestimmt ist, konkret die Phänomene zu visualisieren, die während des Füllvorganges bei den verschiedenen Gießmethoden auftreten:

– durch die Schwerkraft
– durch «Gegenkraftguß», dieser Ausdruck kennzeichnet die Gießverfahren bei denen das Metall durch andere Kräfte als die Schwerkraft in Bewegung versetzt wird und

Diese konkrete Simulation wird durchgeführt:

– in mit Hilfe von reellen Gießmodellen erhaltenen Gießformen mit reellen Strukturen und Abmessungen,
– wobei die Gießformen transparent sind,
– und die für die üblichen Fälle (Alumium, Magnesium) benutzten Flüssigkeiten dieselben Fließeigenschaften (Dichte, Viskosität) haben wie die betroffenen reellen Legierungen.

Es ist bekannt, daß man beim Gießen die zwei folgenden Hauptprobleme findet:

– die Beherrschung des Metallfließvorgangs,
– und die Beherrschung des Wärmeflusses.

Der erste Punkt betrifft den Füllvorgang der Gießform, während dem Turbulenzen Blasen und Oxide erzeugen können, die im Metall eingeschlossen bleiben.
Der zweite Punkt betrifft den Wärmeaustausch zwischen dem Metall und der Außenwelt, d. h. Gießform und Atmosphäre. Dieser Wärmeaustausch beginnt ab dem Anfang des sich in Abhängigkeit seiner Eigenschaften (Geschwindigkeit, Zeit, ..) ändernden Füllvorganges. Der Metallfließvorgang und der Wärmefluß sind also miteinander verbunden.
Der Stand der Technik hat sich insbesondere seit den Jahren 1950 bemüht, diese beiden Probleme in zwei Stufen zu lösen:

1) In dem Zeitraum 1950 – 1980 sind Studien unter makroskopischer Anwendung der Gesetze der klassischen Physik unternommen worden
– Gesetze der Mechanik flüssiger Körper, um die besten Formen für Gießsysteme (Abstichlöcher, Abstichrinnen, Speisung) zu bestimmen,
– Gesetze der Thermodynamik und der Mechanik, im wesentlichen die der Leitfähigkeit, der Konvektion, der Strahlung, der Zustandsänderungen, um den Wärmeaustausch in den Gießformen zu studieren, wobei die komplexen Formen auf Kombinationen einfacher Elementarformen (Platten, Zylinder, Kugeln), bei denen man in der Lage war, den Wärmeaustausch mit der Außenwelt zu berechnen, zurückgeführt werden.
2) In dem zweiten Zeitraum ungefähr ab dem Jahre 1980, die Benutzung von immer leistungsfähigeren Computern hat die Entwicklung von Verfahren ermöglicht, die eine genaue Berechnung der Eigenschaften von zwei Fließvorgängen ermöglichen
– für den Fließvorgang von Metall bestimmen die Simulationsverfahren, ausgehend von einem definierten Fließsystem, den Geschwindigkeitsvektor in jedem Punkt der Gießform (Betrag und Richtung), wodurch es also ermöglicht wurde, Bereiche mit Turbulenzen, Luftmitführung, nicht ausgefüllte Teile der Form etc. vorherzusehen. Durch Iteration kann die Zeichnung des Fließsystems solange verändert werden, bis beim Metall ein wahrscheinliches, zufriedenstellendes reelles Ergebnis in der späteren Schmelze erhalten wird,
– für den Wärmefluß bestimmen die Simulationsverfahren für eine definierte Gießformstruktur (Geometrie, Natur der Materialien) die Entwicklung der Temperatur in jedem Punkt, d. h. also die Wahrscheinlichkeit von metallurgischen Fehlern (Lunkerungen, große Körnung ...).

Die Computer ermöglichen es also, die angegebenen Eigenschaften der Gießform durch Iteration zu verändern, um beim Metall, wie vorstehend beschrieben, eine zufriedenstellende Ergebniswahrscheinlichkeit zu erhalten.
Die aktuellen Simulationsverfahren sind gleichzeitig auf den Wärmefluß und den Fließvorgang von Metallen anwendbar und es handelt sich um Computerberechnungsverfahren, die ihre Rechtfertigung aus der Übereinstimmung mit den sich daraus ergebenden Konsequenzen, d. h. dem Vorliegen oder nicht von metallurgischen Fehlern an den berechneten Orten, beziehen.
Konkrete Visualisierungen des Fließens unter Schwerkraftwirkung sind gemacht worden, um die Gültigkeit der Berechnungen zu überprüfen. Zu diesem Zweck sind Schnitte der Gießform mit einer Ebene aus feuerfestem Glas ausgeführt worden, um den Fließvorgang des Metalls (Aluminium) oder das Fließen von Wasser zu überprüfen. Das sind also zweidimensionale Visualisierungen in einer Ebene.
Es ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine konkrete Visualisierung des beim Metall auftretenden Fließens für die ganze Gießform und bei Umgebungstemperatur durchzuführen. Dieser Gegenstand wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 2 realisiert.
Zu diesem Zweck:

1) wird das Metall durch eine Flüssigkeit ersetzt, die für die üblichen Fälle wie Aluminium – oder Magnesiumlegierungen die gleichen Fließeigenschaften (Viskosität, Dichte) wie die betreffende Legierung hat. Diese Spezialflüssigkeiten werden SIMALLOYS^® genannt,
2) wird die Gießform mit den reelen Formen des zu untersuchenden Teils aus transparenten Wandungen hergestellt, d. h. ausgehend von dem reellen Gußmodell falls es existiert,
3) werden Visualisierungsvorrichtungen für Turbulenzen ausgeführt, um die verschiedenen Phasen filmen zu können,
4) werden die Fließvorgänge unter reellen Ausführungs-Bedingungen realisiert, d. h. mit Hilfe
– eines Tiegels für den Fließvorgang unter Schwerkraftwirkung,
– oder eines Apparates, der die verschiedenen Formen des Fließvorgangs unter Wirkung einer «Gegenkraft» insbesondere das unter Niederdruck gesteuerte Gießen einer unter Vakuum gehaltenen Gießform realisiert. Zu diesem Verfahren gehören ebenfalls Spezialvorrichtungen, die in die Struktur dieses Apparates gehören und speziell für das Verfahren geschaffen worden sind, damit die visualisierten Fließvorgänge nicht durch die Unvollkommenheiten solcher Vorrichtungen gestört werden. Es handelt sich insbesondere um gesteuerte Ventile und um ein neues Steuerungsverfahren dieser Ventile durch den Computer, der den Apparat steuert.
5) Die Visualisierungen ermöglichen es
– die Formen der Fließsysteme im wesentlichen für den Fall von Fließvorgängen unter Schwerkraftwirkung zu verändern,
– aber sie ermöglichen es außerdem, bei den unter Schwerkrafteinwirkung gesteuerten Gießvorgängen die in dem Computer gespeicherten Parameter des Fließvorgangs (Flüssigkeitsgeschwindigkeit, Druck, Zeit, Vakuum ..) zu verändern, um das optimale Fließergebnis mit der Simulationsflüssigkeit zu erhalten. Diese Parameter werden anschließend in dem reellen Gerät für den Metallfließvorgang verwendet. Das Simulationsgerät hat also als wesentliches Ziel, die Fließparameter für den reellen Vorgang, ohne die Formen der Fließform verändern zu müssen, zu bestimmen, was einen sehr großen wirtschaftlichen Vorteil darstellt.

Das Simulationsgerät trägt für seine beiden Formen unter Schwerkraft- oder Gegenkraftwirkung die Bezeichnung SIMFLOW^®.
Andere Kennzeichen werden beim Lesen der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich, wobei die Beschreibung nur als Beispiel dient und sich auf die im Anhang befindlichen Zeichnungen bezieht, auf denen:

– die 1 das Schema einer Installation ist, die die Ausführung des Verfahrens für die Gesamtheit der unter « Schwerkrafteinwirkung » gesteuerten Fließvorgänge ermöglicht,
– die 2 das Schema einer Installation ist, die die Ausführung des Verfahrens für die Gesamtheit der unter « Gegenkrafteinwirkung » gesteuerten Fließvorgänge ermöglicht,

In der auf der 1 dargestellten Installation enthält ein dichter, durch eine Platte 2 geschlossener Behälter 1 eine zu den vorstehend SIMALLOYS^® genannten Flüssigkeiten gehörende Flüssigkeit 3, die die gleiche Viskosität und Dichte aufweist wie die später zum Fließen zu bringende Legierung.
Für die Aluminiumlegierungen

– mit einer Dichte von 2,4 im flüssigen Zustand bei 750°C,
– mit einer Viskosität von 1,05 bis 1, 2 Zentpoise im flüssigen Zustand bei 750°C

₂

Für die Magnesiumlegierungen

– mit einer Dichte von 1,6 im flüssigen Zustand bei 750°C,
– mit einer Viskosität von 1,05 bis 1,15 Zentpoise im flüssigen Zustand bei 750°C

Diese Flüssigkeiten sind leitend, um die Erfassung Ihres Durchflusses auf elektrischen Sensoren zu ermöglichen, wobei Drähte, die vorher auf ein unterschiedliches Potential gebracht worden sind, geerdet sind. Übrigens haben diese Flüssigkeiten keine Korrosion der metallischen Materialien des Behälters oder der organischen Materialien der Gießform und des Injektionsrohres zur Folge. Andere Zusammensetzungen können ins Auge gefasst werden.
Die verschiedenen Flüssigkeiten werden in den Behälter eingeleitet oder daraus mit einer Pumpe 4 abgeführt, die den Eingangs- bzw. Ausgangsventilen 5 bzw. 6 und den Speichern 7 des besagten Behälters zugeordnet ist. Die Flüssigkeiten enthalten unter anderem folgendes:

– eine Spülwasserleitung,
– und eine Essigsärelösung in Wasser mit 30 g/Liter Lösung, die benutzt wird, um das Fließen in besonderen Punkten zu visualisieren, da diese Lösung unmittelbar durch Elektrolyse, z. B. bei 24 V, feine Blasen ergibt, die am Ende eines am Untersuchungsort angebrachten Metalldrahtes entstehen.

Die Zinkchloridlösungen ergeben hingegen durch Elektrolyse Bilder von braunen Partikel, die sich nicht wieder auflösen und die Flüssigkeiten verdunkeln. Die Visualisierung wird also durch Kugeln aus reinem anodisch oxydiertem Aluminium, die die gleiche Dichte aufweisen wie die Flüssigkeit oder für das Magnesium durch Kugeln aus einem Polymer mit der Dichte 1,6 vorgenommen. Die Kugeln werden durch einen mit einem Motor 9 ausgerüsteten Rührer 8 in Bewegung gebracht.
Die Platte 2 trägt ein transparentes Rohr 10 aus Plexiglass, das die Gießform mit der Flüssigkeit verbindet. Die Platte 11 mit einstellbarer Höhe trägt das Rohr 10 mit seinen Dichtungen und der Gießform 12.
Diese besteht aus Wandungen von ca. 6 bis 8 mm Dicke aus einem gießbaren, transparenten Polymer, indem sich bei Umgebungstemperatur z. B. Polyester oder Epoxydharz polymerisieren. Die Form wird durch Guß auf das durch reelle Metallverarbeitung erzeugte Gießmodell erhalten. Blöcke und Kerne werden wie bei dem reelen Modell aus Sand zusammengesetzt und wieder gegossen.
Um den Luftablass aus dem Abdruck dieser nicht permeablen Gießform zu ermöglichen, werden mit Elektroventilen 14 ausgerüstete Rohre 13 auf der Gießform angeordnet. Sie bleiben während des Füllvorganges geöffnet und werden von dem Computer 0 geschlossen, sobald ein Anwesenheitssensor 15 im oberen Teil der Gießform angibt, daß der Füllvorgang beendet ist.
Ein identischer Ausgang 16 mit ihrem Elektroventil 17 trägt einen Drucksensor 18, der den Druck in der Gießform während der Vakuumerzeugung bzw. des Füllvorgangs misst. Die Information wird zum Computer übertragen, der sie für seine Steuerungsberechnungen benutzt.
Anwesenheitssensoren 19 mit einer schon auf Seite 4 Zeile 20 erwähnten elektrischen Erfassung und mit auf ein Potential von ca. 24 V gebrachten Metalldrähten werden in der Gießform angeordnet, um dem Computer die Anwesenheit der Flüssigkeit anzuzeigen und der die Sensoren auf das Potential 0 bringt. Diese Sensoren werden an Orten angebracht, an denen die Untersuchung der Zeichnung des Teils vorsieht, daß Geschwindigkeitsänderungen der Flüssigkeit erforderlich sind.
Die Gießform befindet sich unter einer transparenten, abgedichteten Vakuumglocke 20, die folgendes aufweist:

– ein Stutzen 21, der mit einer Vakuumpumpe 22 verbunden ist und der eine Einheit 23 trägt, die aus gesteuerten Kompressionsventilen besteht, die den in Zeile 33 Seite 6 beschriebenen gesteuerten Ventilen analog sind. Diese Ventileinheit wird durch einen Computer gesteuert. Die Leitung 21 trägt ebenfalls ein von dem Computer gesteuertes Absperrventil 24 und eine Schnell-Vakuumleitung mit einem gesteuerten Ventil 23₁ und, wie auf der Kompressionsleitung, mit einem Durchflußregler 23₂ ,
– ein Freiluftventil 25, das es erlaubt, die Glocke in einer besonderen Phase des Zyklus auf den Athmosphärendruck zu bringen,
– einen der Referenz 18 analogen Drucksensor 26, der, nachdem 18 außer Betrieb gesetzt worden ist, seine Funktion, nachdem die Gießform gefüllt ist, übernimmt,
– den Ausgang der Anwesenheitssensoren 19.

Um die Flüssigkeit in die Gießform aufsteigen zu lassen, wird der dichte Behälter 1 mit einer Leitung 27 zur Unterdrucksetzung, die folgendes aufweist, ausgerüstet:

– Stickstoffflaschen von 28 bis 200 Bar mit Druckminderventilen 29, die in den Kreislauf einen Druck von 3 Bar abgeben,
– eine Gruppe gesteuerter Ventile mit zwei Leitungen,
– eine Leitung für die schnelle Kompression mit Hilfe eines mit einem Durchflußbegrenzer 30₁ ausgerüsteten gesteuerten Absperrventil 30. Diese Leitung dient anschließend für den Füllvorgang der Gießform.
– Die andere Leitung 31 für eine Kompression mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 1 Millibar, die in der Lage ist, der Flüssigkeit in der Gießform eine genaue Geschwindigkeit zu verleihen, die von einer Vertikalgeschwindigkeit von 0 cm/Sekunde (Unbeweglichkeit auf einem Niveau, das bestimmt werden kann) bis 15 cm/ Sekunde mit einem kontiniuierlichen stufenlosen Fließen geht. Man weiß in der Tat, daß die gesteuerten Absperrventile (Öffung bzw. Schließen sogar bei sehr hoher Geschwindigkeit) oder die bekannten Proportialventile die beiden Ziele Unbeweglichkeit und Stufenfreiheit im Augenblick nicht erreichen können. Dieses Phänomen äußert sich bei der Flüssigkeit
– einerseits durch Impulse bei dem Füllvorgang mit schwachen oder abwesenden Geschwindigkeitsänderungen und hohen Geschwindigkeiten in der Nähe einer mittleren vorbestimmten Geschwindigkeit,
– anderserseits durch Schwingungen der Flüssigkeitsoberfläche, wenn beabsichtigt wird, sie auf einem bestimmten Niveau zu halten, wie z. B. bei einer Schmelze, mit einem Niederdruck-Füllvorgang in einer offenen Gießform (um für den Fall von Metall eine Erstarrung unter Schwerkraftwirkung sicherzustellen). Diese Schwingungen der Oberfläche ergeben entsprechende Metallbewegungen während der Erstarrung in der Gießform mit ihren nachteiligen Folgen.

Die 3 und 4 zeigen die zwei folgenden Fälle:

– eine Füll- und Haltekurve mit Impulsen (3),
– eine Füll- und Haltekurve ohne Impulse (4),

Die Visualisierung dieses Phänomens kann durch Wasserstoffblasen vorgenommen werden, die in einer Essigsäurelösung wie es auf Seite 4 Zeile 28 angegeben ist, erzeugt werden. In einem Haltezustand mit Impulsen zeichnen die Blasen bei jedem Impuls Turbulenzen in der Flüssigkeitsmasse (5); im Haltzustand ohne Impulse lösen sich die Blasen vertikal in parallelen Linien wie es auf der 6 dargestellt ist.
Die Funktionsgenauigkeit wird für diese Leitung 31 erhalten:

– dank der von ihr getragenen Ausrüstungsstruktur,
– und durch das Steuerungsprinzip dieser Ausrüstung.

Die Ausrüstungsstruktur sieht folgendermaßen aus: diese Leitung 31 trägt eine Einheit 32 mit 15 gruppierten Umleitungen nach der 7: der Stickstoff kommt zur Kompression in A an und geht bei B hinaus; auf jeder Eingangsrampe trägt jede Umleitung mit den Nr. 2 bis 15 einen Durchflußbegrenzer 2₁ , 3₁ , ..., 15₁ und ein gesteuertes Ventil 2₂ , 3₂ , ... 15₂ . Diese beiden Ventile verfügen über einen geringen Durchfluß (Öffnungdurchmesser 2 mm), welcher ebenfalls mit Hilfe des Durchflußbegrenzers bei der Einstellung des Gerätes geregelt wird. Sie können ab sehr geringen Drucken funktionnieren, die nahe bei 0 liegen. Die Umleitung N° 1 trägt denselben Durchflußbegrenzer 1₁ und ein mit den vorhergehenden Ventilen identisches Ventil 1₂ und außerdem ein Nadeldrosselventil 1₃ . Dieses Organ ist ein Durchflußregler, der so funktioniert, daß sich seine konische Nadel in einer Öffnung durch Drehung bewegt und fortschreitet, die die gleiche Kegelförmigkeit aufweist. Die Drehbewegung wird durch einen Schrittmotor 1₄ vorgenommen, der in der Lage ist, sich in zwei Richtungen zu bewegen und vom Computer bewegt wird.
Diese Umlenkungseinheit 1 funtionniert in Verbindung mit einem identischen Teil der Leitung 33 auf der 1, die die Druckentlastung des Behälters vornimmt. Diese Leitung 33 wird in 2 Teile unterteilt

– eine Leitung 34, die ein Ventil zur schnellen Druckentlastung und seinen Durchflußbegrenzer 35₁ aufweist,
– und eine gesteuerte Leitung 36₁ , die die Einheit 36 trägt, die dieselbe Struktur wie die Einheit 32 zur Kompression auf Seite 6 Zeile 33 aufweist (15 gesteuerte Ventile mit kleinem Durchfluß mit ihren Durchflußreglern plus ein Drosselnadelventil und ein gesteuerter Motor).

Das Steuerungsprinzip ist ein neues zur Erfindung gehörendes Prinzip. Es wird in zwei unterschiedlichen Phasen ausgeführt

– einerseits dem Einfüllvorgang der Gießform und dem Überdruck,
– anderserseits das Aufrechterhalten des Druckes der die Erstarrungsphase darstellt wenn das Metall bearbeitet wird.

Während des Füllvorgangs: zu einem gegebenen Zeitpunkt t nach dem Beginn des Zyklus muß die Kompressionsvorrichtung eine Druckzunahmegeschwindigkeit von dP/dt in dem Behälter sicherstellen, welche während des Zyklus variiert und im Speicher des Computers gespeichert ist. Sie wurde am Anfang durch eine Berechnung und dann durch vorhergehende Versuche bestimmt.
Um diese Druckerhöhung sicherzustellen, berechnet der Computer die Anzahl von Ventilen die er von den 15 Bestandteilen der Einheit 32 öffnen muß. Das Ventil 1₁ ist geöffnet und das Drosselnadelventil 1₃ befindet sich in der Stellung, die es am Ende des vorhergehenden Zyklus gehabt hat. Der Durchfluß dieser Umlenkungseinheit N° 1 entspricht den Lecks des Gerätes und diese Umlenkung N° 1 bleibt während des Füllvorgangs in dieser Stellung. Der Computer öffnet also n Ventile in der Gruppe N° 2 bis N° 15. Der auf dem Behälter befestigte Drucksensor 37 informiert den Computer über die Druckerhöhung in einem gegebenen Zeitintervall; wenn sie zu klein ist, öffnet der Computer andere Ventile, wenn sie zu groß ist, werden welche geschlossen.
Um die Druckkurven und damit die Bewegung des Metalls zu verfeinern, könnte man die Anzahl der Ventile erhöhen und ihren Einheitsdurchfluß vermindern. Die 15 Ventile sind für die durchgeführten Anwendungen ausreichend.
Die dem Füllvorgang folgende Kompression entspricht einer Druckerhöhung et entspricht also dem gleichem Steuerungsprinzip.
Während der Kompression unterliegt die Simulationsflüssigkeit denselben Bedingungen wie das Metall das sie ersetzt:

– wenn die Gießform geöffnete Gießtrichter aufweist, muß das Niveau stabil bleiben, wie es auf der Zeile 20 Seite 6 angegeben ist,
– wenn die Gießform geschlossen ist, äußern sich die Druckvariationen um ein mittleres Niveau herum nicht durch Metallbewegungen sondern stellen ein neues Element dar, dessen Konsequenzen offenbar noch nicht bekannt sind.

Um diese Druckstabilität in der Gießform zu erzeugen, führt das neue Prinzip der Verfahrenssteuerung die 2 Umlenkungen N° 1 der Einheiten 32 und 36 der Druck – und Druckentlastungsleitungen aus (Durchflußbegrenzer + Ventil + Drosselnadelventil + Motor).
Die Ventile 1₂ der Einheiten 32 und 36 sind geöffnet, wie es auf Seite 7 Zeile 26 angegeben ist. Der Computer versetzt das Drosselnadelventil 1₃ mit Hilfe des der Einheit 32 zugeordneten Motors 1₄ und das Drosselnadelventil 1₃ durch den der Einheit 26 zugeordneten Motor 1₄ in Drehung, um den Druck in dem Behälter ohne Stöße zu stabilisieren.
Der Drucksensor 37 (Genauigkeit 1 Millibar) informiert den Computer, der mit den Motoren 1₄ der beiden Leitungen funktionniert, um das Druckniveau in diesem Zeitintervall aufrecht zu erhalten. Dieses neue Ventilsteuerungsverfahren rechtfertigt den Ausdruck Orgelspielsteuerung ^R.
Für die Vakuumzyklen wird das gleiche Prinzip angewandt. Das Prinzipschema des Unterdruck – Gießzyklus mit der unter Vakuum stehenden Gießform ist in der französischen, als EP 0424413 veröffentlichten Patentanmeldung N° 93 05580 beschrieben worden. Es ist auf der 8 dargestellt.
Am Anfang des Zyklus befindet sich der die Flüssigkeit und die Gießform aufweisende Behälter 1 unter Atmosphärendruck. Das Freiluftventil 25 ist geschlossen, die Auslaßventile 24 der Gießform sind geöffnet. Das Verbindungsventil 24 mit der Vakuumpumpe 22 öffnet sich ebenso wie das Ventil 38, das die Vakuumherstellung im Behälter erlaubt. Das Freiluftventil des Behälters schließt sich ebenso wie 35 (schnelle Druckentlastung). Die Einheiten der gesteuerten Ventile 23 zur Glocke und 36 zum Behälter sind betriebsbereit.
Der Computer weiß, daß er den Druck in den beiden Einfassungen (mit der Gießform) bis zu einem gegebenen Restvakuum V_R bei einer gegebenen Geschwindigkeit dP/dt, aber unter dauernder Beibehaltung eines Druckunterschiedes zwischen dem Behälter und der Gießform von 30 bis 40 Millibar, senken muß, wobei die Gießform unter dem niedrigeren Druck steht, um zu vermeiden:

– daß einerseits die Luft der Gießform nicht durch das Rohr in den Behälter gesaugt wird und die Flüssigkeit nicht verspritzt (das wäre der Fall, wenn die Gießform unter einem höheren Druck als der Behälter stehen würde),
– und um andererseits zu vermeiden, daß die Flüssigkeit während dieser Phase in die Gießform eindringt. Das wäre der Fall, wenn der Behälter unter einem zu hohen Druck stehen würde (40 Millibar = 16 cm Aluminium).

Wenn das Restvakuum in den beiden Einfassungen erreicht worden ist, richtet der Computer die Motor – Drossel – Umleitungen N° 1 der Einheiten 23 und 36 wie bei der vorher beschriebenen Unterdruckhaltung ein. Die beiden Einfassungen werden unter Vakuum gehalten, bis das Bedienungspersonal und der Computer überprüft haben, ob alle Bedingungen für das Gießen erfüllt sind.
Während der Gießphase auf der 8 isoliert der Computer den Behälter von der Vakuumpumpe indem das Ventil 38 geschlossen wird, er öffnet das Freiluftventil des Behälters 39 und führt Stickstoff über die Kompressionsleitung 27 in den Ofen ein. Er öffnet oder schließt Ventile der Einheit 32, wie es vorher für das Gießen unter Abwesenheit des Vakuums angegeben war, damit die Kompressions – Geschwindigkeiten des Behälters respektiert werden.
Wenn der Füllvorgang beendet ist, schließen sich die Ventile 14 der Gießform und der Computer lässt den Überdruck wirken (Phase SP der 8). Am Ende des Überdruckes öffnet sich das Freiluftventil 25 der Glocke und die die Gießform enhaltene Glocke 20 wird schnell (2 bis 3 Sekunden) auf Atmosphärendruck gebracht.
Am Ende des Überdruckes existierte zwischen dem Behälter und der Glocke eine Druckdifferenz ΔP auf der 8. Während die Glocke auf Atmosphärendruck gebracht wird, erhöht der Computer den Druck im Behälter über die Schnell-Blasleitung der 1 um zwischen dem Behälter und der Glocke dieselbe Druckdifferenz ΔP beizubehalten. Wenn die Glocke unter Atmosphärendruck steht, befindet sich der Behälter auf einem Enddruck P_f, der wie bei dem vorher beschriebenen Haltezustand beibehalten wird (das Freiluftventil 25 ist geöffnet und die Umleitungen N° 1 der Einheiten 32 und 36 werden durch ihren Motor betrieben).
Die beiden Schellen des Gießrohres sind mit Dichtungen 41, 42, 43 versehen. Ein Leck entlang 41 würde eine Gasbewegung in der Richtung Behälter – Atmosphäre in den Druckphasen zur Folge haben. Auf keinen Fall gibt es eine Gaseinführung in die im Gießrohr enthaltene Flüssigkeit.
Eine Dichtschwäche in die oberen Dichtungen 42, 43 in den Vakuumphasen hätte hingegen zur Folge, daß Luft in die im Rohr enthaltene Flüssigkeit eingeführt würde und zwar eine Flüssigkeit, die unter ca. 30 Millibar Rest Vakuum steht.
Das Volumen der Luftblase würde sofort mit 300 multipliziert und in der Flüssigkeit in der Form einer Wolke feiner Blasen explodieren, die jede Beobachtung stören würde. In dem reelen mit Metall arbeitenden Gerät wird wegen der gleichzeitigen Wirkung von Vakuum und Temperatur (750°C) das Volumen mit 1000 multipliziert und der Raum wäre nicht zu benutzen. Die Dichtungen 42 und 43 müssen also eine perfekte Abdichtung mit einer Seite zum Vakuum hin sicherstellen.
Dafür ist das Simulationsgerät mit einem die beiden Platten 2 und 11 verbindenden dichten und elastischen Balg 44 ausgerüstet. Der Balg besteht aus Metall, um die Funktionsweise desselben auf das reele Gerät installierten Balgs wiederzugeben.
Die so zwischen den beiden Platten und dem Gießrohr angeordnete Kammer 45 wird mit der die Gießform enthaltenen Glocke über die Öffnung 46 in Verbindung gebracht. Die Kammer 45 und die Glocke 10 sind also während des ganzen Zyklus dem gleichen Druck ausgesetzt.
Die Dichtungen 42 und 43 sind während der Vakuumerzeugung auf ihren beiden internen und externen Seiten dem gleichen Druck ausgesetzt und sind also nicht belastet. Die Dichtung 41 weist zwischen ihren beiden Seiten einen Druckunterschied von ungefähr 30 Millibar auf, der der ist, der während der Vakuumerzeugung zwischen der Glocke und dem Ofen herrscht. Sie wird also sehr wenig beansprucht und ihre Funktionsweise beinflußt, wie angegeben, nicht die Flüssigkeit.
Die Flüssigkeit steigt jedoch in das Gießrohr 10 auf, sobald Gas in den Behälter eingeleitet wird. Die Glocke und also die Kammer 45 werden unter Vakuum gehalten. Die innere Dichtung 41 weist also zwischen ihren beiden Seiten einen zunehmenden Druckunterschied auf und bei einem Fehler der Abdichtung würde Gas, das durch die auf der Glocke arbeitenden Vakuumpumpen abgesaugt werden kann, in die Kammer 45 eingeleitet. Ein Fehler in der Abdichtung hätte also keine Konsequenzen für die Simulationsflüssigkeit bzw. das Metall des reellen Geräts. Diese Abdichtung, die in dem reellen Gerät auf eine hohe Temperatur gebracht wird, sollte bevorzugt aus Graphit bestehen. Auf dem Simulationsgerät wird die gleiche Vorkehrung getroffen, um keinen Unterschied zu erzeugen.
Die Dichtungen 42 und 43 sind einer niedrigeren Temperatur ausgesetzt, da sie mit der die Gießform tragenden Platte 47 in Kontakt stehen. Eine Kühlkammer mit Luftumlauf 48 in der sie tragenden Schelle garantiert ihnen eine Temperatur, die mit einer zufriedenstellenden Funktionsweise auf dem reelen Gerät kompatibel ist.
Diese Platte 47 trägt in ihrem kalten Teil eine Dichtung 49 und deshalb stehen die Dichtungen 42 und 43 auf ihrer Innenseite (Flüssigkeitsseite) und ihrer Außenseite (Dichtungsseite 49) unter demselben Druck und keine Gasblase kann in die Flüssigkeit bzw. das Metall übergehen.
Die Gesamtheit dieser um den Balg unternommenen Vorkehrungen ist wesentlich für die Qualität der Beobachtungen in dem Simulationsgerät und für die Qualität des gegossenen Teils in dem reellen Gerät.
Die obigen Vorrichtungen erlauben es, an dem Simulationsgerät die verschiedenen, in der zitierten französischen Patentanmeldung des gleichen Autors Nr. 9305580 (veröffentlicht als EP 04424413 ) beschriebenen Gießarten zu realisieren, d. h.
Mit der die Alumiumlegierungen simulierenden Flüssigkeit

– gesteuertes Niederdruck – Gießen mit einer gegenüber dem Atmosphärendruck geschlossenen Gießform, 9
– gesteuertes Niederdruck – Gießen mit einer gegenüber dem Atmosphärendruck offenen Gießform, 10
– gesteuertes Niederdruck – Gießen mit einer unter Vakuum gehaltenen Gießform, 8

Mit der die Magnesiumlegierungen simulierenden Flüssigkeit

– gesteuertes Niederdruck – Gießen mit einer gegenüber dem Atmosphärendruck geschlossenen Gießform, 9
– gesteuertes Niederdruck – Gießen mit einer gegenüber dem Atmosphärendruck offenen Gießform, 10
– gesteuertes Niederdruck – Gießen mit einer unter partiellem Vakuum gehaltenen Gießform, 11

Sensor zur Erfassung des Flüssigkeitsniveaus im Behälter
Dieser Sensor ist erforderlich, um eine korrekte Steuerung zu erhalten, d. h., damit zu einem gegebenen Zeitpunkt nach dem Anfang der Einleitung,

– die Flüssigkeit eine vorbestimmte Position aufweist,
– eine vorbestimmte vertikale Geschwindigkeit an der Flüssigkeitsfront aufweist.

Diese beiden Bedingungen Position – Geschwindigkeit werden durch die beiden in dem Verfahren von den Autoren aufgestellten Bewegungsgleichungen der Flüssigkeit ausgedrückt
Position : ΔP = K_0,1 (H_M – H_C)p_g + ΔH_C p_g
Geschwindigkeit: dP/dt = Kt*(dH_M/dt)pg + (dH_C/dt) pg
Mit
ΔP = Druckunterschied zwischen dem Behälter und der Gießform zum Zeitpunkt t
K_0,t = Mittelwert des Reibungskoeffizienten (Flüssigkeit – Flüssigkeit und Flüssigkeit – Gießform) im Intervall 0,t; wobei 0 der Zeitpunkt ist, an dem die Einleitung beginnt,
H_M = Flüssigkeitsniveau in der Gießform unterhalb eines Referenzniveaus, 12,
H_C = Flüssigkeitsniveau in der Gießform oberhalb desselben Referenzniveaus wie H_M, 12 am Anfang des Zyklus (Zeitpunkt 0)
pg = spezifische Masse der Flüssigkeit (2,4 g/cm₃ für Alumium, 1, 6 g/cm₃ für Magnesium),
ΔH_C = Verringerung des Flüssigkeitsniveaus im Behälter seit dem Zeitpunkt 0 bis zum Zeitpunkt t, 12,
dP/dt = « Druckgeschwindigkeit » im Behälter zum Zeitpunkt t,
Kt = Reibungskoeffizient zum Zeitpunkt t (momentaner Koeffizient)
dH_M/dt = vertikale Flüssigkeitsgesschwindigkeit in der Gießform an der Front, die zum Zeitpunkt t fortschreitet,
dH_M/dt = Absinkgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Behälter zum Zeitpunkt t.
In diesen beiden Gleichungen stehen die Position der Flüssigkeit H_M und deren Geschwindigkeit dH_M/dt mit dem Druck ΔP im Behälter und der « Druckgeschwindigkeit dP/dt (die Aktionsvariablen des Systems) über die beiden Ausddrücke ΔH_C und dH_M/dt, die die Position und die Absinkgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Behälter messen, in Verbindung.
Es ist also für die Steuerung erforderlich, im Behälter einen Sensor anzuordnen der den Computer jederzeit über die Position der Flüssigkeit im Behälter informiert (der Computer berechnet die Geschwindigkeit). Es ist der Sensor 40 1 und Nr. 1 12. Un Schwimmer bewegt sich mit der Flüssigkeit, er treibt zwei Zahnräder 40₁ und 40₂ (1) an und die Axe 40₂ ist mit einem im Handel erhältlichen Winkelmessungssensor verbunden, der dem Computer die Winkelposition zum Schwimmer mit einer Genauigkeit von 1/10 Grad mitteilt. Der Computer berechnet also die im Behälter anzuwendenden Werte von ΔP und dP/dt um H_M und dH_M/dt zu erhalten, wobei diese mit der Flüssigkeitsposition in Verbindung stehenden Elemente berücksichtigt werden. Sie können für den Fall großer Gießformen vorherrschend werden und mehr als 50% von ΔP ausmachen.
Verbindung Simulationsgerät und reelles Gießgerät
Die vorhergehende Beschreibung hat die Visualisierungsmethoden für das Fließen angegeben:

– durch Wasserstoffblasen Seite 4 Zeile 28
– oder durch Blasen gleicher Dichte wie die Flüssigkeiten der Seite 4 Zeile 34

Die Gießparameter werden vom Bedienungspersonal im Computer verändert, bis ein zufriedenstellendes Fließen der Flüssigkeit erreicht wird und diese Parameter werden auf das reelle Gießen mit Metall angewandt. Da das reelle Gerät das gleiche Funktionsprinzip wie das Simulationsgerät hat, ist es möglich, sie einander zuzuordnen und über dieselben Organe für dieselben Geräte zu verfügen, d. h.:

– Leitung für das Kompression,
– Druckentlastungsleitung,
– Leitung für die Vakuumerzeugung,
– Druckmessungsleitung wie sie auf der 11 dargestellt ist.

Fall für Legierungen mit einer über den Alumiumlegierungen liegenden Dichte
Die beiden oben angegebenen, und die Position der Flüssigkeit (Gleichung ΔP) und die « Druckgeschwindigkeit » (Gleichung dP /dt) angebenden Flüssigkeitsbewegungsbedingungen sind über den Faktor pg der Flüssigkeitsdichte miteinander verbunden. Die im Behälter zu einem Zeitpunkt t anzuwendenden Druck- und Druckgeschwindigkeitsbedingungen können also berechnet werden, um die Position und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit mit der Dichte pg für diesen Zeitpunkt zu erhalten.
Der Reibungskoeffizient K_0,t und sein momentaner Wert führen eine Differenz ein. Sie werden ab dem ersten Füllversuch mit Metall gemessen oder können durch vorhergehende Versuche bekannt sein.
Im übrigen geben die Aufzeichnungen auf Filmen für das simulierte Fließen von Aluminium die Reynoldszahlen für Alumium in den kritischen Turbulenzbereichen und es wird möglich sein, vorherzusehen, wie in diesen Bereichen die Bewegung einer dichteren Flüssigkeit und mit einer anderen Viskosität sein wird.
Fall für ein Gießen unter Schwerkraftwirkung
Für diese Anwendungen ist das vorher beschriebene Simulationsgerät gegenstandslos, aber es bleiben die auf der 2 dargestellten Anordnungen:

– die Simulationsflüssigkeit wird, wie für das Metall bei dem reellen Teilegießen, aus einem Tiegel gegossen,
– die transparente Gießform ist, wie es vorher beschrieben wurde, zusammengesetzt, sie ist jedoch mit einem demontierbaren Gießsystem ausgerüstet, damit es modifiziert werden kann. Bei dem Gießvorgang unter « Gegenkraftwirkung » sind es in der Tat die das Fließen beeinflussenden Gießparameter, die verändert werden können, während diese Parameter bei dem Gießvorgang unter Schwerkraftwirkung durch die Form des Gießsystems festgeschrieben sind.

Die Visualisierungstechniken sind die gleichen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der optimalen Fließgeschwindigkeit eines Metalls bzw. einer Legierung in jedem Punkt einer Gießform während eines Gießvorgangs unter Gegenkraftwirkung, dadurch gekennzeichnet, daß, während die reelle Gießform durch eine transparente Gießform gleicher Form und mit gleichen Abmessungen ersetzt wird, eine Simulationsflüssigkeit bei Umgebungstemperatur unter Niederdruck in die besagte transparente Gießform injiziert wird, wobei die besagte Simulationsflüssigkeit, die im Falle von Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen gelöstes Zinkchlorid ist, das bei Umgebungstemperatur gleichzeitig eine Dichte und Viskosität nahe dem zu simulierenden geschmolzenen Metall mit der Temperatur des reelen Gießens aufweist, wobei aus der Beobachtung des Füllvorgangs der besagten transparenten Gießform durch die besagte Simulationsflüssigkeit ein Gesetz für die optimale Variation der Füllgeschwindigkeit der Gießform in Abhängigkeit von der Zeit abgeleitet wird und dieses Gesetz mit dem Ziel der Steuerung eines reelen Gießzyklus unter Gegenkraftwirkung abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Gesetz einer optimalen Veränderung der Fließgeschwindigkeit dadurch erhalten wird, daß ein das Verfahren kontrollierender Computer die angezeigten Fließgeschwindigkeitswerte bis zum Erhalten des optimalen Fliegens verändert.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Gesetz einer Veränderung der Fließgeschwindigkeit der Simulationsflüssigkeit dadurch gesteuert wird, daß auf den auf die Simulationsflüssigkeit ausgeübten Druck eingewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen der Simulationsflüssigkeit durch die Bewegungen von kleinen Kugeln deren Dichte nahe bei der der Flüssigkeit liegt oder durch die Bewegung von kleinen Wasserstoffblasen, die an speziellen zu untersuchenden Punkten erzeugt werden, visualisiert wird und daß diese Bewegungen aufgezeichnet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Flüssigkeit in einem dichten Behälter befindet welcher mit der Gießform verbunden ist, daß man die kontinuierliche Bewegung der Flüssigkeit ohne Stöße ajustiert und man die Bewegung stabil auf einem vorbestimmten Niveau aufrechterhält, indem eine ausgewählte variable Anzahl kleiner Ventile mit geringem Durchfluß gesteuert wird, die parallel (7) und in mehreren Einheiten angeordnet sind, mit einer ersten Kompressionseinheit (32) (32) und einer zweiten Freiluft – Einheit (36) des besagten Behälters.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem die Ventile einer dritten Einheit (23) zur Kompression der besagten Gießform gesteuert werden.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der besagten Einheiten durch den Computer wahrgenommen wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der optimalen Fließgeschwindigkeit des Metalls in einer Gießform während eines Gießvorgangs unter Gegenkraftwirkung für die Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorrichtung ein transparentes Modell gleicher Form und mit gleichen Abmessungen wie die Gießform aufweist, dadurch gekennzeichnet daß die Vorrichtung einen dichten Behälter (1) aufweist, der im Falle von Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen gelöstes Zinkchlorid enthält, das bei Umgebungstemperatur gleichzeitig eine Dichte und Viskosität nahe dem zu simulierenden geschmolzenen Metall mit der Temperatur des reelen Gießens und Mittel zur Kompression des besagten Behälters und ein Rohr (10) das die Verbindung zwischen der Simulationsflüssigkeit und der besagten Gießform aufweist, und dadurch daß die Vorrichtung Speichermittel für die zeitabhängige Veränderung des Füllvorgangs des Modells aufweist um den reellen Gießzyklus unter Gegenkraftwirkung zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte transparente Gießform unter einer Vakuumglocke (20) installiert ist und mit dieser kommuniziert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine erste Einheit parallel geschalteter Ventile mit schwachem Durchfluß aufweist, die zwischen einer Druckquelle und dem besagten Behälter installiert ist und daß die Vorrichtung eine zweite Einheit parallel geschalteter Ventile mit schwachem Durchfluß für die Druckentlastung des besagten Behälters aufweist, wobei die Ventile durch einen Computer gesteuert werden, der für jede Einheit die Anzahl von Ventilen bestimmt, die zu jedem Zeitpunkt in Betrieb gesetzt werden müssen.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine dritte Einheit parallel geschalteter Ventile mit schwachem Durchfluß aufweist, die zwischen einer Vakkuumquelle und der besagten Glocke installiert ist, wobei diese Ventile durch einen Computer gesteuert werden, der für diese dritte Einheit die Anzahl von Ventilen bestimmt, die zu jedem Zeitpunkt in Betrieb gesetzt werden müssen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Sensor (40), der die Höhenunterschiede der Simulationsflüssigkeit im Behälter misst, aufweist.