EP2025433A2 - Gussbauteil mit integrierten Funktionselementen - Google Patents

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EP2025433A2
EP2025433A2 EP08019322A EP08019322A EP2025433A2 EP 2025433 A2 EP2025433 A2 EP 2025433A2 EP 08019322 A EP08019322 A EP 08019322A EP 08019322 A EP08019322 A EP 08019322A EP 2025433 A2 EP2025433 A2 EP 2025433A2
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functional element
metal
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functional
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Thorsten MÜLLER
Franz-Josef Wöstmann
Matthias Busse
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0081—Casting in, on, or around objects which form part of the product pretreatment of the insert, e.g. for enhancing the bonding between insert and surrounding cast metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/04—Casting in, on, or around objects which form part of the product for joining parts

Definitions

  • the present invention relates to the production of a cast component with integrated functional elements.
  • the invention enables the integration of functional elements in metallic castings (during the casting process) as a permanent core. It will be possible to extend the function of castings from individual marking to integrated load monitoring.
  • the present invention has for its object to provide a component in which functional elements are poured, which can be flexibly positioned in the installed position and which are still functional even after the casting of the molten metal.
  • the components according to the invention are characterized in that they contain one or more molded-in functional elements, that the functional element is designed as RFID or has electronic components for wireless transmission by infrared or radio, that the functional element cast into the component completely up to a dielectric gap surrounded by the potted material and that the dielectric gap extends between the functional element and a component surface of the component.
  • the functional elements to be integrated are positioned in a mold prior to casting and encased by the molten metal during the casting process.
  • the molded in the components functional elements are then preferably completely surrounded by potted metal.
  • components are also included in which the potted metal does not completely surround the functional element, because dielectric gaps or similar are used for RFIDs. are provided.
  • the outlets can also be used for data transmission by optical or inductive signals.
  • electronic components by means of which transmission by infrared or radio (for example Bluetooth) is possible or also transponders or RFID can be used.
  • adaptronic sensors and / or adaptronic actuators eg piezoceramics
  • temperature-sensitive functional elements come into consideration as functional elements.
  • These functional elements may, for example, also be electronic assemblies that are actively or passively supplied with energy, eg via induction, an integrated battery, a capacitor or via a mechanical, self-sufficient movement unit.
  • the connection to the receiver / transmitter or an external energy source outside the casting can be done in particular without direct cable connection (telemetric / wireless).
  • the functional elements can be integrated individually or in combination; In addition to components with integrated functional elements for component identification, sensory components and actuator components, intelligent components with integrated data acquisition, processing and control can also be produced.
  • Areas of application for the components according to the invention are, for example, highly stressed safety components whose load status and load history can be permanently detected and influenced by the functional elements contained.
  • an increased security against component failure in operation can be achieved and made a lightweight construction by adapting safety factors to the real circumstances.
  • Examples include applications in motor vehicles and aviation, such as engine blocks or chassis parts of motor vehicles or aircraft.
  • sensors can be used to detect and store the loads occurring during operation in order, for example, to detect a message at the onset of component damage, or be reported in case of overload of the component via radio or induction to the vehicle electronics.
  • actuators targeted vibrations can be introduced into the component.
  • Combination with sensors and electronic controllers can suppress component vibrations.
  • the combination with a memory module makes it possible to record the life history of the component.
  • Another area of application is the testing technology of components and component development, as forces occurring through the integration of the functional elements can be recorded and recorded directly in the component.
  • the heat input into the components to be integrated can be reduced by - especially in the areas in which functional elements are - through the mold through the heat suitable temperature control measures, such as cooling elements or heating-cooling units is dissipated.
  • an envelope made of a thermally insulating material can be made to protect the functional elements, or a functional element enveloped in this manner can be used for the method according to the invention.
  • a protective layer is preferably used a mass with low thermal conductivity.
  • Suitable protective layer materials are, in particular, plastics, ceramics or low-melting metal alloys (ie alloys whose melting point or their solidus temperature and preferably also their liquidus temperature is below the temperature above which the function elements are permanently impaired in their function by the introduced energy).
  • low-melting metal alloys e.g.
  • Alloys that contain bismuth are suitable.
  • the protective layer may dissolve in the cast molten metal (in particular a protective layer of a low-melting metal alloy) or disperse during the casting process and possibly also the solidification process (in particular if particles of the protective layer are entrained at faster flow velocities of the cast molten metal), but it may also be - at least in part - remain on the surface of the functional element or decompose.
  • the layer thickness of the protective layer can, for example, by means of simulation programs based on the material thickness of the metal, which is the functional element
  • the temperature of the melt, the heat content and the heat dissipation via the mold can be calculated.
  • the layer thickness is chosen so that it is as thin as possible, since the remaining in the finished component protective layer or remnants thereof may represent undesirable "break points" in the component in unfavorable cases.
  • the protective layer can also only partially envelop the functional element-for example, only in areas which are particularly sensitive to temperature or in which, owing to the geometry of the component to be produced, greater heat input from the molten metal to be cast can be expected.
  • the sensory or actuatoric functional elements are preferably encapsulated without protective layer, since error sources can be reduced by a direct material connection between component material and sensor / actuator. If, nevertheless, a protective layer is required, then this is preferably carried out from materials with known mechanical properties, which enable a mathematical correction. In particular, ceramic layers come into question here.
  • molten metal is understood to mean any material which contains or consists of one or more metals or alloys and which can be cast with the casting methods which can be used according to the invention (that is, for example, also tixotropic materials). If melts are used which are not made of pure metal or alloy or mixtures thereof, the proportion of the remaining aggregates (for example ceramic constituents) is preferably not more than 40%.
  • the functional elements according to the invention are positioned like conventional permanent cores in the mold cavity and then cast.
  • all methods are possible, which allow a sufficiently rapid removal of temperature.
  • hot chamber and cold chamber die casting including squeeze casting and thixocasting, should be mentioned here.
  • the gravity, low pressure and tilt or pan Kokilleng understand compiler come into consideration, since the metallic mold ensures good temperature control.
  • the thermal encapsulation according to the lower heat dissipation through the molding material must be increased or sufficient heat dissipation ensured by cooling elements.
  • RFIDs and piezoceramics have been positioned in the cavity of the die using a mold adapted holder.
  • the insert was chosen so that it is not crazy or destroyed by the fast flowing metal.
  • the areas in the component which are suitable for receiving an insert, are to be selected individually depending on the component geometry and the gates. If a specific position is specified, design changes may have to be made to the gate or component geometry. In the present case, the RFIDs and piezoceramics were used at the positions that the FIGS. 2 to 4 can be seen, shed.
  • the mold was closed and the shot fired. The mold filling took place within 25 ms.
  • the casting was cooled immediately after removal from the mold with air or water; the functional elements were fully functional and could be used as intended.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Gussbauteils mit integrierten Funktionselementen, wobei das Funktionselement (2) als RFID ausgebildet ist oder elektronische Komponenten für eine drahtlose Übertragung durch Infrarot oder Funk aufweist, das in das Bauteil (1) eingegossene Funktionselement (2) vollständig bis auf einen dielektrischen Spalt (3) vom vergossenen Metall umgeben ist und der dielektrische Spalt (3) sich zwischen dem Funktionselement (2) und einer Bauteiloberfläche des Bauteils (1) erstreckt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Gussbauteils mit integrierten Funktionselementen. Die Erfindung ermöglicht die Integration von Funktionselementen in metallische Gussteile (während des Gießprozesses) als Permanentkern. Es wird die Möglichkeit eröffnet, die Funktion von Gussstücken von der individuellen Kennzeichnung bis hin zur integrierten Belastungsüberwachung zu erweitern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil anzugeben, in dem Funktionselemente eingegossen sind, die in der Einbaulage flexibel positionierbar und die auch nach dem Vergießen der Metallschmelze noch funktionstüchtig sind.
  • Diese Aufgabe wird durch das Bauteil nach Anspruch 1 gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an. Anspruch 4 lehrt eine vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Bauteile.
  • Die erfindungsgemäßen Bauteile zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein oder mehrere eingegossene Funktionselemente enthalten, dass das Funktionselement als RFID ausgebildet ist oder elektronische Komponenten für eine drahtlose Übertragung durch Infrarot oder Funk aufweist, dass das in das Bauteil eingegossene Funktionselement vollständig bis auf einen dielektrischen Spalt vom vergossenen Material umgeben ist und dass der dielektrische Spalt sich zwischen dem Funktionselement und einer Bauteiloberfläche des Bauteils erstreckt. Die zu integrierenden Funktionselemente werden vor dem Abguss in einer Gussform positioniert und während des Gießvorgangs durch die Metallschmelze umhüllt. Die in den Bauteilen eingegossenen Funktionselemente sind dann bevorzugt vollständig von vergossenem Metall umgeben. Erfindungsgemäß sind auch Bauteile umfasst, bei denen das vergossene Metall das Funktionselement nicht vollständig umgibt, weil dielektrische Spalte für RFIDs o.ä. vorgesehen sind. Bei einer teilweisen Umhüllung der Elemente und einer direkten Verbindung zur Bauteiloberfläche über die eingegossenen Elemente oder die Umhüllung können die Auslässe auch für die Datenübertragung durch optische oder induktive Signale genutzt werden. Für die drahtlose Übertragung können elektronische Komponenten, mittels derer eine Übertragung durch Infrarot oder Funk (z.B. Bluetooth) möglich ist, oder auch Transponder bzw. RFID eingesetzt werden.
  • Als Funktionselemente kommen des weiteren adaptronische Sensoren und/oder adaptronische Aktoren (z. B. Piezokeramiken) sowie temperaturempfindliche Funktionselemente in Betracht. Diese Funktionselemente können beispielsweise auch elektronische Baugruppen sein, die aktiv oder passiv mit Energie versorgt werden, z.B. über Induktion, eine integrierte Batterie, einen Kondensator oder über eine mechanische, autarke Bewegungseinheit. Die Verbindung zum Empfänger/Sender oder einer externen Energiequelle außerhalb des Gussstückes kann dabei insbesondere ohne direkte Kabelverbindung (telemetrisch/wireless) erfolgen.
  • Die Funktionselemente können einzeln oder in Kombination integriert werden; neben Bauteilen mit integrierten Funktionselementen für eine Bauteilidentifizierung, sensorischen Bauteilen und aktorischen Bauteilen sind auch intelligente Bauteile mit integrierter Datenerfassung, Verarbeitung und Regelung herstellbar.
  • Einsatzgebiete für die erfindungsgemäßen Bauteile sind zum Beispiel hochbelastete Sicherheitsbauteile, deren Belastungszustand und Belastungsgeschichte mit den enthaltenen Funktionselementen permanent erfasst und beeinflusst werden kann. Damit kann eine erhöhte Sicherheit gegen Bauteilversagen im Betrieb erzielt werden und ein Leichtbau durch Anpassung von Sicherheitsfaktoren an die realen Umstände erfolgen. Als Beispiele sind Anwendungen in Kraftfahrzeugen und der Luftfahrt zu nennen, etwa Motorblöcke oder Fahrwerksteile von Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen. Hier können mit Sensoren die im Betrieb aufkommenden Belastungen erfasst und gespeichert werden, um z.B. eine Meldung bei einsetzender Bauteilschädigung, oder bei Überlastung des Bauteils über Funk oder Induktion an die Fahrzeugelektronik gemeldet werden. Bei Einsatz von Aktoren können gezielt Schwingungen in das Bauteil eingebracht werden. Durch Kombination mit Sensoren und elektronischen Reglern lassen sich dadurch Bauteilschwingungen unterdrücken. Durch die Kombination mit einem Speichermodul wird es möglich die Lebensgeschichte des Bauteils zu erfassen.
  • Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Prüftechnik von Bauteilen und die Bauteilentwicklung, da durch die Integration der Funktionselemente auftretende Kräfte direkt im Bauteil erfasst und aufgezeichnet werden können.
  • Zur Vermeidung einer Beschädigung der zu integrierenden Elemente durch einen zu hohen Wärmeeintrag stehen - falls erforderlich - verschiedene Möglichkeiten entsprechend der eingesetzten Elemente zur Auswahl.
  • Funktionselemente, die von Haus aus eine hohe kurzzeitige Temperaturbelastung tolerieren, insbesondere elektronische oder piezoelektrische Elemente, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren üblicherweise direkt ohne weitere Maßnahmen eingegossen werden.
  • Sind die Spitzentemperaturen, wie sie z.B. beim Aluminium- und Magnesiumguss auftreten, zu hoch oder ist die Temperaturempfindlichkeit des einzugießenden Funktionselements zu groß, so kann der Wärmeeintrag in die zu integrierenden Komponenten reduziert werden, indem - insbesondere in den Bereichen, in denen sich Funktionselemente befinden - über die Gießform die Wärme durch geeignete Temperierungsmaßnahmen, wie Kühlelemente oder Heiz-Kühlgeräte abgeführt wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann zum Schutz der Funktionselemente eine Umhüllung aus einem thermisch isolierenden Material (thermische Kapselung) vorgenommen werden bzw. ein derartig umhülltes Funktionselement für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Hierdurch wird der Wärmeeintrag in die zu integrierenden Elemente unter die max. zulässige Wärmemenge reduziert. Als Schutzschicht wird bevorzugt eine Masse mit geringer Wärmeleitfähigkeit eingesetzt. Geeignete Schutzschichtmaterialien sind insbesondere Kunststoff, Keramik oder niedrigschmelzende Metalllegierungen (d.h. Legierungen deren Schmelzpunkt bzw. deren Solidustemperatur und bevorzugt auch deren Liquidustemperatur unterhalb der Temperatur liegt, ab der die Funktionselemente in ihrer Funktion durch die eingebrachte Energie dauerhaft beeinträchtigt werden). Als niedrigschmelzende Metalllegierungen sind z.B.
  • Legierungen, die Bismut (bevorzugt mehr als 50 Gew.-%) enthalten geeignet. Die Schutzschicht kann sich während des Gussvorgangs und gegebenenfalls auch des Erstarrungsvorgangs in der vergossenen Metallschmelze auflösen (insbesondere eine Schutzschicht aus einer niedrigschmelzenden Metalllegierung) oder dispergieren (insbesondere wenn bei schnelleren Strömungsgeschwindigkeiten der vergossenen Metallschmelze Partikel der Schutzschicht mitgerissen werden), sie kann aber auch - zumindest zum Teil - auf der Oberfläche des Funktionselements verbleiben oder sich zersetzen.
  • Die Schichtdicke der Schutzschicht kann z.B. mittels Simulationsprogrammen anhand der Materialdicke des Metalls, das das Funktionselement umgibt, der Temperatur der Schmelze, dem Wärmeinhalt und der Wärmeabfuhr über die Gussform berechnet werden. Bevorzugt wird die Schichtdicke dabei so gewählt, dass sie möglichst dünn ist, da die im fertigen Bauteil verbleibende Schutzschicht bzw. Reste hiervon in ungünstigen Fällen unerwünschte "Sollbruchstellen" im Bauteil darstellen können. Die Schutzschicht kann das Funktionselement auch nur teilweise umhüllen - etwa nur in Bereichen, die besonders temperaturempfindlich sind oder in denen aufgrund der Geometrie des herzustellenden Bauteils ein größerer Wärmeeintrag aus der zu vergießenden Metallschmelze zu erwarten ist.
  • Die sensorischen oder aktorischen Funktionselemente werden aber bevorzugt ohne Schutzschicht vergossen, da durch einen direkten Stoffschluss zwischen Bauteilmaterial und Sensor/Aktor Fehlerquellen reduziert werden können. Wird dennoch eine Schutzschicht benötigt, so wird diese bevorzugt aus Materialien mit bekannten mechanischen Eigenschaften ausgeführt, die eine rechnerische Korrektur ermöglichen. Hier kommen insbesondere keramische Schichten in Frage.
  • Unter Metallschmelze wird erfindunggemäß jedes Material verstanden, das ein oder mehrere Metalle bzw. Legierungen enthält oder aus diesen besteht und das mit den erfindungsgemäß anwendbaren Gießverfahren vergießbar ist (also z.B. auch tixotrope Materialien). Werden Schmelzen eingesetzt, die nicht aus reinem Metall bzw. Legierung oder Gemischen hieraus besteht, so beträgt der Anteil der restlichen Zuschlagstoffe (z.B. keramische Bestandteile) bevorzugt nicht mehr als 40%.
  • Die erfindungsgemäßen Funktionselemente werden wie herkömmliche Permanentkerne in der Formkavität positioniert und anschließend vergossen. Als Gießverfahren kommen alle Verfahren in Betracht, die eine hinreichend schnelle Temperaturabfuhr ermöglichen. Hier ist insbesondere der Warmkammer- und Kaltkammerdruckguss, einschließlich des Squeeze Casting und Thixocasting zu nennen. Ebenso kommen die Schwerkraft-, Niederdruck- und Kipp- oder Schwenk-Kokillengießverfahren für den Einsatz in Betracht, da durch die metallische Form eine gute Temperierung gewährleistet ist. Für den Einsatz in konventionellen Sandgussverfahren, wie dem hand- oder maschinengeformten Schwerkraft- und Niederdrucksandgussverfahren, wie dem Kernpaketverfahren, dem Vollformgießverfahren und dem Lost Foam-Verfahren muss die thermische Kapselung entsprechend der geringeren Wärmeabfuhr über den Formstoff erhöht werden oder eine ausreichende Wärmeabfuhr durch Kühlelemente gewährleistet sein.
  • Im Folgenden wird - ohne Einschränkung der Allgemeinheit - das erfindungsgemäße Bauteil näher anhand von Abbildungen und einem Beispiel erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1:
    Musterbauteil (1) ohne eingegossene Funktionselemente
    Figur 2:
    Musterbauteil (1) mit RFID (2) und dielektrischem Spalt (3)
    Figur 2a:
    Detailansicht von Figur 2
    Figur 3:
    Musterbauteil mit Piezokeramik(4), Elektronik (6) und RFID (2)
    Beispiel:
  • Durchgeführt wurde das Gussverfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß Figur 2 bis 3 auf einer Kaltkammer-Druckgießmaschine vom Typ Bühler SC/N 66. Als Gießwerkstoff kam AlSi9Cu3 zum Einsatz.
  • Es wurden RFIDs und Piezokeramiken mit einem der Form angepassten Halter in der Kavität der Druckgussform positioniert. Der Einsatz wurde so gewählt, dass er nicht durch das schnell anströmende Metall verrückt oder zerstört wird.
  • Die Bereiche im Bauteil, die für die Aufnahme eines Einlegeteils geeignet sind, sind individuell in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie sowie der Anschnitte zu wählen. Ist eine bestimmte Position vorgegeben, müssen ggf. konstruktive Änderungen an Anschnitt bzw. Bauteilgeometrie vorgenommen werden. Im vorliegenden Fall wurden die RFIDs und Piezokeramiken an den Positionen, die den Figuren 2 bis 4 zu entnehmen sind, vergossen.
  • Nach der Positionierung der Funktionselemente wurde die Form geschlossen und der Schuss ausgelöst. Die Formfüllung erfolgte innerhalb von 25 ms. Das Gusstück wurde sofort nach der Entnahme aus der Form mit Luft oder Wasser abgekühlt; die Funktionselemente waren voll funktionstüchtig und konnten bestimmungsgemäß verwendet werden.

Claims (8)

  1. Mittels eines Gussverfahrens herstellbares Bauteil (1) aus Metall, das ein oder mehrere Funktionselemente (2) enthält,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das in das Bauteil (1) eingegossene Funktionselement (2) vollständig bis auf einen dielektrischen Spalt (3) vom vergossenen Metall umgeben ist, und
    dass der dielektrische Spalt (3) sich zwischen dem Funktionselement (2) und einer Bauteiloberfläche des Bauteils (1) erstreckt.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (2) als Transponder oder RFID ausgebildet ist.
  3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (2) elektronische Komponenten für eine drahtlose Übertragung durch Infrarot oder Funk aufweist.
  4. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (2) elektronische Baugruppen für die Übertragung von optischen oder induktiven Signalen umfasst.
  5. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (2) für eine Bauteilidentifizierung vorgesehen ist oder intelligente Bauteile mit integrierter Datenerfassung, Verarbeitung und Regelung umfasst.
  6. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Funktionselement (2) und dem vergossenen Metall zumindest teilweise eine thermisch isolierende Schutzschicht oder die Reste einer thermisch isolierenden Schutzschicht vorhanden sind.
  7. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus einem Kunststoff oder einer Keramik oder einer niedrigschmelzenden Metalllegierung besteht.
  8. Verwendung eines Bauteils nach den Ansprüchen 1 bis 7 in Kraftfahrzeugen oder in der Luftfahrt, insbesondere in Motorblöcken oder Fahrwerken.
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REMOTE IDENTIFICATION OF METAL CASTINGS, vol. 106, no. 98-044, pages 605 - 608
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