EP3164235B1

EP3164235B1 - Vorrichtung und verfahren zur erstellung zumindest eines metallischen bauteils

Info

Publication number: EP3164235B1
Application number: EP15729746.6A
Authority: EP
Inventors: Christian PLATZER
Original assignee: Ltc GmbH
Current assignee: Ltc GmbH
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2024-09-04
Anticipated expiration: 2035-05-18
Also published as: AT515969A1; EP3164235A1; AT515969B1; WO2016000006A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erstellung zumindest eines metallischen Bauteils durch Einspritzen von fließfähigem metallischen Material in zumindest eine Kavität einer mehrteiligen Form, insbesondere zum Gießen von Magnesium oder Magnesiumlegierungen im thixotropen Zustand, umfassend eine Fördereinrichtung für das fließfähige metallische Material, zumindest eine der Fördereinrichtung stromabwärts nachgeordnete Düse und die Form mit der zumindest einen Kavität, wobei an die Fördereinrichtung eine Verteilereinheit mit mehreren Düsen anschließt, über welche das fließfähige metallische Material unter Druck in die zumindest eine Kavität einspritzbar ist, um die zumindest eine oder mehrere Kavitäten gleichzeitig über einzelne Düsen zu befüllen, wobei Kanäle der Verteilereinheit frei von Ecken mit einem rechten Winkel ausgebildet sind und wobei die Verteilereinheit geradlinige Abschnitte aufweist, welche von einem Verzweigungspunkt zu den Düsen führen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Gießen zumindest eines metallischen Bauteils, wobei fließfähiges metallisches Material, insbesondere Magnesium oder eine Magnesiumlegierung im thixotropen Zustand, zur Bildung des zumindest einen Bauteils von einer Fördereinrichtung über eine Verteilereinheit zu mehreren Düsen geführt und über diese unter Druck in zumindest eine Kavität einer mehrteiligen Form eingespritzt wird, wonach das zumindest eine Bauteil in der Form erstarren gelassen wird, worauf die Form geöffnet und das zumindest eine Bauteil entnommen wird, wonach die Form geschlossen und das nächste Bauteil erstellt wird und das fließfähige metallische Material über Kanäle der Verteilereinheit, welche frei von Ecken mit einem rechten Winkel sind, von einem Verzweigungspunkt der Verteilereinheit umlenkungsfrei zu den Düsen geführt wird, wobei das fließfähige metallische Material vom Verzweigungspunkt verzweigend entlang geradliniger Abschnitte der Verteilereinheit zu den Düsen geführt wird.
In vielen Technologiebereichen wird versucht, Komponenten bzw. Bauteile höherer Dichte durch solche mit einer niedrigeren Dichte zu ersetzen. Grundgedanke dabei ist zumeist, dass durch die Verwendung von Bauteilen niedrigerer Dichte und die damit einhergehende Gewichtsreduzierung zusätzliche Vorteile erreicht werden. Als Beispiel dienen aktuelle Entwicklungen im Automobilbau, wo traditionell aus Stahl hergestellte Komponenten bzw. Bauteile teilweise durch solche aus Leichtmetallen ersetzt werden bzw. worden sind.
Eine bloße Gewichtsoptimierung durch Einsatz eines Leichtmetalls zum Ersatz von Komponenten aus Stahl oder anderen Materialien höherer Dichte ist noch nicht ausreichend. Vielmehr müssen die substituierenden Leichtmetalle selbstverständlich auch die geforderten mechanischen Eigenschaftsprofile aufweisen, was gegebenenfalls durch etwas stärkere Auslegung der Bauteile kompensiert werden kann, ohne den Vorteil der Gewichtsersparnis zu verlieren.
Als leichtgewichtige Materialien für die angesprochenen Zwecke werden vorrangig Aluminium und Aluminiumlegierungen eingesetzt. In jüngerer Zeit haben aber Magnesium und Magnesiumbasislegierungen, also solche, die überwiegend Magnesium enthalten, den Fokus auf sich gezogen. Magnesium ist deutlich leichter als Aluminium, weshalb sich mit Bauteilen aus Magnesium oder Magnesiumbasislegierungen potenziell deutlich höhere Gewichtseinsparungen erreichen lassen. Zudem sind auch für viele Bereiche ausreichende mechanische Eigenschaften gegeben.
Magnesium und Magnesiumlegierungen lassen sich so wie Aluminium und Aluminiumlegierungen durch Gießen in Formen verarbeiten. Weist eine Form Ausnehmungen entsprechend einem zu erstellenden Bauteil auf, kann dieses endabmessungsnah erstellt werden.
Magnesium und Magnesiumlegierungen können beispielsweise im Druckguss verarbeitet werden, wobei fließfähiges metallisches Material unter hohem Druck in eine Form eingespritzt wird. Beim Druckguss ist allerdings nachteilig, dass Bauteile nur mit bestimmter Dimensionierung gegossen werden können. Die Herstellung dünner Bauteile mit Wandstärken von beispielsweise 1 mm ist im Druckguss gegenwärtig kaum möglich. Ein anderer Nachteil des Druckgusses besteht im begrenzten Fließweg während der Herstellung. Je länger der Fließweg ist, umso eher kommt es lokal zu vorzeitigen Erstarrungen und umso eher liegen im final erstellten Bauteil Inhomogenitäten vor.
Die Probleme des Druckgusses sind bei einem Thixomoldingverfahren vermieden. Beim Thixomolding handelt es sich um eine Technologie, die in den 80-er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelt wurde. Bei dieser Technologie wird Magnesium im Temperaturbereich des Fest-Flüssig-Übergangs verarbeitet; bei Legierungen wird im Bereich des Phasendiagramms zwischen der Soliduslinien und der Liquiduslinie, also im semi-solid-Zustand gearbeitet. In diesen Temperaturbereichen liegen bei der Verarbeitung feine Kristallite in der umgebenden Schmelze vor. Derartiges fließfähiges Material lässt sich leicht in Formen einspritzen, kann zu Bauteilen mit dünnen Wandstärken von etwa 1 mm verarbeitet werden und führt vor allem auch zu Bauteilen mit hoher Materialhomogenität und damit letztlich auch gutem Materialverhalten im Einsatz.
Beim Thixomolding werden Vorrichtungen eingesetzt, die eine Fördereinrichtung (sogenanntes Barrel) aufweisen, die in einem Mantel aus einem Stahl eine Schnecke beherbergen. Über einen Einfüllstutzen wird metallisches Granulat zugeführt, das im Barrel auf die gewünschte Temperatur gebracht und homogenisiert wird. An das Barrel schließt eine Düse an, über welche durch axiale Verschiebung der Schnecke eingespritzt wird. Die Düse ist in einem ersten Teil einer Form gehalten, wobei dieser Teil der Form während des gesamten Zyklus vom Einspritzen bis zur Bauteilentnahme und dem Wiederverschließen der Form unverändert in Position gehalten wird. Ein zweiter Teil der Form hingegen ist beweglich ausgeführt und wird für die Erstellung eines Bauteils an den ersten Teil der Form mit einem Schließdruck angepresst. Im angestellten bzw. zweiten Teil der Form sind eine oder mehrere Kavitäten vorgesehen, in welchen durch Einspritzen des fließfähigen metallischen Materials im thixotropen Zustand das oder die Bauteile abgeformt werden. Nach Einspritzen und Kühlung der Form wird der zweite Teil zurückgefahren, sodass eine Entnahme des erstellten Produktes möglich ist. Nach Aufbringen eines Trennmittels wird der zweite Teil der Form wieder angestellt bzw. angepresst und es beginnt der nächste Zyklus.
Bei bekannten Thixomoldingvorrichtungen erfolgt ein Einspritzen über eine einzelne Düse. Dies bedeutet, dass das fließfähige metallische Material vom sogenannten Anschusspunkt ausgehend, an dem die Füllung einer oder mehrerer Kavitäten beginnt, das gesamte Volumen füllen muss. Um dies bei einer einzelnen Kavität möglichst rasch zu erreichen, ist ein Anguss vorgesehen. Dieser verzweigt sich vom Anschusspunkt zu verschiedenen Bereichen des zu erstellenden Bauteils. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Bauteil bei einer einzigen Kavität möglichst rasch abgeformt und damit eine Zykluszeit geringgehalten wird. Sind mehrere Kavitäten zur Erstellung mehrerer gleicher Bauteile in einem einzigen Arbeitsgang vorgesehen, ist ein Anguss zwingend erforderlich, da sich das fließfähige Material vom Anschusspunkt weg gleich schnell zu mehreren Kavitäten gleicher Abformung bewegen muss.
Wird mit einer einzelnen Düse eingespritzt, ergeben sich mehrere Nachteile. Zunächst fällt immer Abfall an. Das oder die Bauteile müssen von jenem Material abgetrennt werden, das sich im Bereich des Angusses verfestigt. Darüber hinaus steigt mit dem Anguss und somit einem zusätzlich zu befüllenden Volumen auch die projizierte Fläche, weshalb ein Schließdruck höher zu bemessen ist. Darüber hinaus muss das Material entlang des Angusses fließen, was zu längeren Fließwegen führt, die wiederum Ausgangspunkt für Materialinhomogenitäten sein können. Letztlich ist nach dem Einspritzen auch das Material im Bereich des Angusses in eine feste Form zu bringen, was mit einer höheren Kühlleistung verbunden ist.
Zur Behebung dieser Probleme wurde schon versucht, eine Vorrichtung mit mehreren Düsen einzusetzen, wobei das thixotrope Material vom Barrel bzw. einer Fördereinrichtung über eine Verteilereinheit mehreren Düsen zugeführt wird. Im Unterschied zu Kunststoffen, die sich relativ leicht bei niedrigen Temperaturen verarbeiten lassen, ist dies jedoch bei Magnesium und Magnesiumlegierungen im thixotropen Zustand äußerst schwierig. Dies mag daran liegen, dass eine Schwindung des Magnesiums beim Erstarren mit etwa 10 % besonders groß ist, gleichzeitig aber eine vollständige Füllung von gegebenenfalls mehrerer Kavitäten erreicht werden soll, höhe Drücke angewendet werden, die Verarbeitungstemperaturen wesentlich höher sind und bei der gewünschten vollständigen Kavitätsfüllung der Prozess dennoch so temperatursensibel zu führen ist, dass bei geöffneter Form kein Material aus den Düsen austritt, was zu einem Abbrand führen könnte.
Die bisherigen Lösungen können mit einer Verteilereinheit mit mehreren Düsen bestehen, wobei Verteilerarme mit zumindest weitgehend ident ausgebildeten Abschnitten zu einzelnen Düsen führen. Eine entsprechende Vorrichtung ist in der US 2007/0199673 A1 offenbart. Allerdings erweisen sich Vorrichtungen dieser Art für eine Serienproduktion mit Zykluszeiten von weniger als 40 Sekunden im Dauerbetrieb nicht als operabel.
Das Dokument US 2003/0222121 A1 offenbart eine Spritzgießvorrichtung, wobei einer Düse nachgeordnet Angusskanäle vorgesehen sind, um mit der Düse Gießmaterial in die Angusskanäle einzubringen und über die Angusskanäle in eine Kavität einzubringen.
Das Dokument US 2004/0151799 A1 offenbart eine Spritzgießvorrichtung, wobei eine Verteilereinheit mit rechtwinklig ausgeführten Kanälen, deren Ecken leicht abgerundet sind, vorgesehen ist.
Die Dokumente US 2007/0181280 A1 , US 2007/0131376 A1 und WO 2007/065246 A1 offenbaren Gießvorrichtungen, wobei eine Verteilereinrichtung ein rechtwinkliges Umlenken von Gießmaterial vorsieht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der ein mehrfaches Anschießen über mehrere Düsen mit hoher Prozesssicherheit möglich ist.
Ein weiteres Ziel besteht darin, ein hierfür geeignetes Verfahren anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, wenn bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die Verteilereinheit geradlinige Abschnitte aufweist, welche von einem Verzweigungspunkt zu den Düsen führen.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine Ausbildung einer Verteilereinheit gemäß dem Stand der Technik, welche in einzelnen Abschnitten rechte Winkel aufweist, Ausgangspunkt für eine mangelnde Prozesssicherheit sein kann. Durch die rechten Winkel muss das fließfähige metallische Material unter den gegebenen hohen Drücken von mehreren Hundert bar stark umgelenkt werden, was hohe Druckspitzen ergibt und zudem die Förderung des fließfähigen metallischen Materials erschwert. Im Gegensatz dazu ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Verteilereinheit im Bereich von einem Verzweigungspunkt der Kanäle bis zu den Düsen keine Ecken aufweist, die einen rechten Winkel einschließen. Dadurch werden die erwähnten Druckspitzen, welche einem homogenen Materialfluss entgegenstehen, vermieden. Stumpfe Winkel können allenfalls in den Kanälen vorhanden sein. Letztlich wird dadurch die Fördereinrichtung bzw. das Barrel geschont.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Verteilereinheit eckenfrei ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass das Material von einem Verzweigungspunkt innerhalb der Verteilereinheit oder einer Anschlussstelle zur Fördereinrichtung bzw. des Barrels bis hin zu einem Auslass keine Ecke aufweist, um welche das gießfähige metallische Material zu leiten ist. Erfindungsgemäß ist aus den erwähnten Gründen vorgesehen, dass die Verteilereinheit geradlinige Abschnitte aufweist, welche von einem Verzweigungspunkt zu den Düsen führen. Der Verzweigungspunkt ist an einer Stirnseite oder innerhalb der Verteilereinheit positioniert und wird über ein Ende des Barrels mit Material beschickt. Am Verzweigungspunkt verteilt sich das so zugeführte Material in die einzelnen Abschnitte der Verteilereinheit und gelangt letztlich zu den Düsen, über welche ein Einspritzen erfolgen kann. Hierbei erweist es sich als besonders günstig, wenn die Kanäle der Verteilereinheit vom Verzweigungspunkt mit einem Winkel von maximal 50°, vorzugweise maximal 45°, insbesondere 20° bis 40°, abzweigen. Der entsprechende Winkel bezieht sich auf eine Achse der Fördereinrichtung, üblicherweise eine horizontale Achse eines Barrels. Um einen möglichst sanften Materialfluss zu erreichen, sollte dieser Winkel einerseits maximal 50°, vorzugsweise maximal 45°, betragen. Andererseits ergibt sich bei der Ausbildung der Abschnitte in geradliniger Form, dass die Verteilereinheit und damit letztlich ein erstes Teil der Form bei gegebener Bauteilgröße umso länger auszubilden ist, desto kleiner der Winkel ist, da mit kleinerem Winkel die Aufspreizung verringert wird. Insofern ist es günstig, wenn ein unterer Schwellwert für den Winkel von 20° nicht unterschritten wird.
Die Verteilereinheit kann grundsätzlich beliebig viele Kanäle aufweisen. Ein Minimum stellen zwei Kanäle dar. Bevorzugt ist es jedoch, dass die Verteilereinheit zumindest drei Kanäle aufweist.
Die Verteilereinheit ist in einem ersten Teil der Form integriert. Um die Verteilereinheit herum ist zumindest ein Heizelement vorgesehen, um die Verteilereinheit beheizen zu können. Es versteht sich, dass die Verteilereinheit mit dem Heizelement weiter von einer Wärmeisolierung umgeben sein kann, um eine Temperatur in der Verteilereinheit bestmöglich einstellen und halten zu können.
Für jede einzelne Düse ist mit Vorteil eine Heizeinrichtung vorgesehen. Durch einzelne Heizeinrichtungen an den Düsen lässt sich die Temperatur an bzw. in diesen einstellen, was sich während eines Zyklus als großer Vorteil erweisen kann. Hierfür kann insbesondere eine Steuerung für die Heizeinrichtungen vorgesehen sein, welche eine Temperatur an bzw. in den Düsen in Abhängigkeit vom Status eines Zyklus variabel steuert. Dadurch kann eine Temperatur an einer Düse während des Einspritzens hoch gehalten, während der anschließenden Bauteilkühlung und Entnahme aber abgesenkt und anschließend für den nächsten Zyklus zur Erstellung eines Bauteils wieder gesteigert werden.
Die einzelnen Heizeinrichtungen für die Düsen sind bevorzugt als Widerstandsheizungen ausgebildet, welche neben einer hohen Leistung auch eine gute Steuerung ermöglichen.
Die einzelnen Düsen sind bevorzugt aus einem Stahl, insbesondere einem Warmarbeitsstahl, gebildet, um den teilweise hohen Einsatztemperaturen von 500 °C bis 800 °C dauerhaft standhalten zu können.
Um eine rasche Temperaturanpassung an den Düsen innerhalb eines Zyklus von weniger als 40 Sekunden erreichen zu können, sind die Heizeinrichtungen bevorzugt an den Düsen angelötet. Die Düsen können hierfür außenseitig Vertiefungen aufweisen, in welchen die Heizeinrichtungen angelötet spiralförmig verlaufen.
Das weitere Ziel wird erreicht, wenn bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das fließfähige metallische Material von einem Verzweigungspunkt der Verteilereinheit umlenkungsfrei zu den Düsen geführt wird, wobei das fließfähige metallische Material vom Verzweigungspunkt verzweigend entlang geradliniger Abschnitte der Verteilereinheit zu den Düsen geführt wird.
Ein mit einem erfindungsgemäßen Verfahren erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass bei der Zuführung des fließfähigen metallischen Materials zu mehreren einzelnen Düsen Druckspitzen und damit letztlich nicht kontrollierbare Prozessunsicherheiten vermieden werden. Das Verfahren eignet sich daher insbesondere bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, um große Bauteile, gegebenenfalls auch mit geringen Wandstärken, unter Füllung einer Kavität von mehreren Punkten aus herzustellen. Analoges trifft zu, wenn zur Erstellung mehrerer Bauteile mehrere Kavitäten über die Zuführung durch die Düsen an einzelnen Punkten gleichzeitig befüllt werden.
Entsprechend den dargelegten Vorteilen ist vorgesehen, dass das fließfähige metallische Material vom Verzweigungspunkt verzweigend entlang geradliniger Abschnitte der Verteilereinheit zu den Düsen geführt wird. Dabei kann ein günstiger Materialfluss insbesondere auch dann erreicht werden, wenn das fließfähige metallische Material vom Verzweigungspunkt mit einem Winkel von maximal 50°, vorzugsweise maximal 45°, insbesondere 20° bis 40°, abzweigend zu den Düsen geführt wird.
Damit ein gleichzeitiges Füllen einer großen Kavität von mehreren Punkten aus oder gegebenenfalls ein Füllen gleich dimensionierter Kavitäten zur Erstellung mehrerer gleicher Bauteile an einzelnen Punkten erfolgen kann, ohne dass Druckspitzen oder Fehlstellen wie Lunker oder Porosität auftreten, sollen die einzelnen Düsen beim Anschießen gleichzeitig öffnen. Dies kann erreicht werden, wenn die Düsen bei geöffneter Form beheizt werden, um in den Düsen gebildete Pfropfen vor dem Erstellen des nächsten Bauteils zumindest zu erweichen. Während des Kühlens der Form zwecks Erstarrung des oder der Bauteile bildet sich in den einzelnen Düsen aufgrund der guten Wärmeleitung des vergossenen Materials ein Pfropfen. Dieser Pfropfen ist durchaus erwünscht, weil dieser eine Düse temporär abdichtet und somit verhindert, dass bei geöffneter Form Material ausfließt. Beim neuerlichen Anschießen im nächsten Zyklus stellt dieser Pfropfen jedoch ein zu überwindendes Hindernis dar, dem gemäß dem Stand der Technik durch einen hohen Druck beim Anschießen Rechnung getragen wird, sodass der Pfropfen ausgeschossen und in einem sogenannten Pfropfenfänger aufgefangen wird. Bei Einsatz einer Verteilereinheit mit mehreren Düsen könnte dies jedoch zu einem nicht mehr gleichzeitigen Öffnen aller Düsen führen, wenn die Drücke partiell zu gering sind. Darüber hinaus wären auch entsprechend hohe Drücke für das gleichzeitige Ausschießen mehrerer Pfropfen erforderlich. Werden die Düsen jedoch so beheizt, dass die gebildeten Pfropfen vor dem Erstellen des nächsten Bauteils zumindest erweichen, vorzugsweise aufgeschmolzen werden, sind die zunächst erwünschten, später aber hindernden Pfropfen nicht mehr wirksam, sodass ein gleichzeitiges Anspritzen an mehreren Stellen über mehrere Düsen erfolgen kann. In diesem Zusammenhang wird bevorzugt so vorgegangen, dass nach Öffnen der Form und Entnahme des oder der Bauteile eine Heizleistung an den Düsen so eingestellt wird, dass der Pfropfen ohne Eintritt von fließfähigem metallischen Material in die zumindest eine Kavität erweicht. Mit anderen Worten: Der an einer Stirnseite durch Entnahme des Bauteils abgebrochene Pfropfen wird bereits erweicht, wenn die Form noch offen ist. Ein Sicherheitsrisiko ist dadurch nicht gegeben, weil das Material im drucklosen Zustand auch dann nicht entweicht, wenn sich der feste Pfropfen zu einem erweichten dünnen Häutchen umgewandelt hat. Anschließend, wenn die Form wieder geschlossen ist, kann eine Heizleistung an den Düsen gesteigert werden, um das nächste Bauteil zu erstellen. Im Idealfall werden dadurch letzte Reste des Pfropfens bzw. das dünne Häutchen aufgelöst, sodass jede einzelne Düse zeitgleich für einen Anschuss zur Verfügung steht.
Da die Pfropfen in den Düsen wie vorstehend erläutert aber an sich erforderlich sind, wird bevorzugt die Heizleistung an den Düsen verringert, wenn das Bauteil erstarren gelassen wird, sodass eine Temperatur für eine Pfropfenbildung in den Düsen unterschritten wird. Zusammen mit den vorstehenden Maßnahmen der Temperaturführung ergibt sich somit eine dynamische Kontrolle der Temperatur an bzw. in den Düsen, die während eines Zyklus umfassend Anschießen bzw. Einspritzen, Form- und Bauteilkühlung, Formöffnung und Bauteilentnahme, Aufbringen eines Trennmittels auf die geöffnete Form, Schließen der Form für die Erstellung des nächsten Bauteils, die optimal an den jeweiligen Schritt des (Erstellungs-)Zyklus angepasst ist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung derselben. In den Zeichnungen, auf welche hierbei Bezug genommen werden, zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Erstellen von Bauteilen in einem Thixomoldingverfahren;
Fig. 2 eine Verteilereinheit;
Fig. 3 einen Ausschnitt gemäß III aus Fig. 2;
Fig. 4 ein Teil einer Form mit einer Kavität und einem Anschusspunkt;
Fig. 5 ein Teil einer Form mit einer Kavität und mehreren Anschusspunkten;
Fig. 6 einen Verfahrensablauf;
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Materialverhaltens in einer Düse während des Verfahrensverlaufs gemäß Fig. 7.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 dargestellt, die für ein Thixomolding von Bauteilen 2 aus Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ausgelegt ist. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Behälter, in dem das zu verarbeitende Material 3 in Granulatform vorrätig gehalten ist. Über einen Saugförderer oder ein anderes Förderelement wird Material 3 aus dem Behälter in einen Einfüllstutzen gefördert. Über den Einfüllstutzen gelangt das Material 3 in eine Fördereinrichtung 6 bzw. ein Barrel, das mit einer Schnecke mit entsprechendem Antrieb versehen ist. Das Barrel wird durch eine Heizung auf einer geeigneten Temperatur gehalten, sodass das Material 3 einen thixotropen Zustand annimmt bzw. in diesem Zustand zu einer stromabwärts nachgeordneten Düse 7 transportiert wird. Die Düse 7 ist in einem ersten Teil 11 einer Form 5 integriert. Ein zweiter Teil 12 der Form liegt dem ersten Teil 9 der Form 5 gegenüber und ist horizontal verschiebbar, sodass die Form 5 geöffnet werden kann, beispielsweise um mittels eines Roboterarmes erstellte Bauteile 2 zu entnehmen.
In Fig. 2 ist eine Verteilereinheit 8 dargestellt, welche in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Einsatz kommt. Die Verteilereinheit 8 weist mehrere Kanäle 10 auf, die sich von einem Verzweigungspunkt 15 in der Verteilereinheit 8 weg erstrecken. In Fig. 2 ist ein Querschnitt einer Verteilereinheit 8 dargestellt, die insgesamt vier Kanäle 10 aufweist. Die Kanäle 10 sind in Abschnitten 9 ausgebildet, die gerade verlaufen. Grundsätzlich können die Abschnitte 9 aber auch gebogen oder in anderer Form ausgeführt sein, solange Ecken vermieden sind, um welche fließfähiges metallisches Material 3 nur schwer bzw. unter Aufbau lokaler Druckspitzen insbesondere im Barrel umleitbar ist. Die Verteilereinheit 8 ist in den ersten Teil 11 der Form 5 eingebaut und schließt an einem Einlass an die Fördereinrichtung 6 bzw. das Barrel an. Das Barrel ist im Anschlussbereich bloß an die Verteilereinheit 8 gepresst. Um in diesem Bereich, durch welchen das Material 3 beispielsweise mit einer Temperatur von 600 °C durchläuft, dichtzuhalten, sind die Anlageflächen von einem mit Druckluft gekühlten Stahlring umgeben. Zwar bilden sich zwischen den drei Elementen Barrel, Verteilereinheit 8 und Ring geringfügige Spalte, in diesen erstarrt eintretendes metallisches Material 3 jedoch sofort, sodass quasi eine Selbstdichtung gegeben ist.
Die Abschnitte 9 mit den gerade verlaufenden Kanälen 10 schließen an eine zentrale Zuführung 16, welche eine axiale Erstreckung entlang einer vorzugsweise horizontalen Achse der Fördereinrichtung 6 bzw. des Barrels darstellt, vom Verzweigungspunkt 15 vorzugsweise unter jeweils gleichem Winkel α an. Ein Winkel α sollte zwischen 20° und 50°, bevorzugt 20° und 40°, betragen. Dadurch ergibt sich ein sanfter Fluss vom Verteilungspunkt weg hin zu einzelnen Düsen 7, die endseitig im Bereich der Abschnitte 9 an der Verteilereinheit 8 positioniert sind.
Eine Düse 7 ist näher in Fig. 3 dargestellt. Die Düse 7 schließt an einen Kanal 10 eines Abschnittes 9 an. Die Düse 7 kann am Abschnitt 9 unlösbar befestigt oder integral mit diesem ausgebildet sein. Möglich ist es auch, dass die Düse am Abschnitt 9 lösbar befestigt ist, beispielsweise durch eine Schraubverbindung. Dies erlaubt es, die Düse 7 gegebenenfalls auszutauschen. Die Düse 7 ist außenseitig von einer Heizeinrichtung 13 umgeben. Die Heizeinrichtung 13 ist als Widerstandsheizung ausgebildet. Dabei erstreckt sich eine Heizwendel entlang der Düse 7 um diese spiralförmig herum. Für eine gute Wärmeübertragung und damit eine rasche Einstellbarkeit der Temperatur an bzw. in der Düse 7 ist die Heizeinrichtung 13 bevorzugt stoffschlüssig mit der Düse 7 verbunden, insbesondere durch Löten. Wenngleich im Ausführungsbeispiel eine Widerstandsheizung vorgesehen ist, kann auch eine induktiv oder anders arbeitende Heizung vorgesehen sein. In einem endseitigen Bereich 7, aus welchem letztlich das fließfähige metallische Material 3 aus der Düse 7 am Anschusspunkt in eine Kavität 4 austritt, ist die Düse 7 bereichsweise verjüngt. Aufgrund der Verjüngung kann nach Erstarrenlassen des oder der Bauteile 2 und Öffnen der Form 5 das eigentliche Gussteil leicht im Bereich des Pfropfens 14 abgebrochen werden, wobei ein Teil eines Pfropfens 14 in der Düse 7 verbleibt.
In Fig. 4 ist eine Kavität 4 mit einem Anschusspunkt sowie einem Anguss 17 dargestellt. Wie ersichtlich ist, ist vom Anschusspunkt weg bis hin zur Kavität 4 quasi ein Kreuz mit dem fließfähigen metallischen Material 3 auszufüllen, ehe die Kavität 4 erreicht wird. Dies führt dazu, dass zunächst ein hoher Anteil an Abfall gegeben ist, der im Bereich des Angusses 17 anfällt. Dieser Abfall kann zwar recycelt werden, was allerdings aufwendig ist. Darüber hinaus sind längere Wege zurückzulegen, was in der Verfahrensführung zu berücksichtigen ist. Auch die Schließdrücke für die Form 5 bzw. deren ersten Teil 11 und deren zweiten Teil 12 sind höher, weil die projizierte Querschnittsfläche größer ist.
In Fig. 5 ist schematisch ein Anspritzen mit einer Verteilereinheit gemäß Fig. 2 dargestellt. Über vier Abschnitte 9 mit Kanälen 10 kann die Kavität 4 unter Eintritt von fließfähigem Material 3 gleichzeitig an jedem der Anschusspunkte gefüllt werden.
Damit wie für Fig. 5 erläutert ein gleichzeitiges Anschießen in mehreren verschiedenen Punkten mit einer Verteilereinheit 8 gemäß Fig. 2 erfolgen kann, ist eine dynamische Temperaturführung an den Düsen 7 zweckmäßig. Dies ist anhand Fig. 6 und 7 näher erläutert. In Fig. 6 sind zunächst die Vorgänge während eines (Erstellungs-)Zyklus dargestellt. Bei geschlossener Form wird über das Barrel in die nachgeordnete Düse 7 das Material 3 in eine oder mehrere Kavitäten 4 eingespritzt, die im zweiten Teil 12 der Form 5 vorliegen. Sind die Kavitäten 4 vollständig gefüllt, wird das Bauteil gekühlt. Danach wird die Form 5 geöffnet, das oder die Bauteile 2 entnommen und die Form 5 innerhalb weniger Sekunden gereinigt sowie mit einem Trennmittel beaufschlagt, sodass sich ein oder mehrere im nächsten Zyklus erstellte Bauteile 2 leicht entnehmen lassen. Anschließend wird die Form 5 geschlossen, womit der Zyklus beendet ist. Der nächste Zyklus beginnt wiederum mit dem Einspritzen von Material 4. Ein Zyklus, wie in Fig. 6 dargestellt, ist bei Thixomoldingverfahren üblich.
Zweckmäßigerweise werden die Düsen 7 der Vorrichtung 1 einem Temperaturprogramm unterworfen, das ohne Verlängerung der Zykluszeit zu niedrigeren Druckspitzen in der Fördereinrichtung 6 bzw. dem Barrel führt und damit dessen Standzeit signifikant erhöht. Die variable Temperaturführung an bzw. in einer Düse 7 ist in Fig. 7 für einen Erstellungszyklus dargestellt. Beim Einspritzen in die geschlossene Form wird die Düse 7 mit maximaler Heizleistung beaufschlagt, damit das Material 3 frei durch die Düse 7 fließen kann. Dies entspricht dem Zustand A. Sobald die eine oder mehrere Kavitäten 4 gefüllt sind und das Bauteil 2 gekühlt wird, kann in einem ersten Abschnitt der Düse 7, welcher einem Angusspunkt näher liegt, die Heizleistung verringert werden, wie dies durch eine geänderte Schraffur in der Heizeinrichtung 13 dargestellt ist. Dies entspricht dem Zustand B. Es kommt in der Düse 7 dann zur Bildung eines Pfropfens 14 in jenem Bereich, der am Beginn der Düse 7 liegt. Für die Pfropfenbildung ist eine Kühlung gegebenenfalls zweckmäßig, muss aber nicht unbedingt realisiert sein. Da die Form 5 zur Erstarrung des oder der Bauteile 2 gekühlt wird und Magnesium eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann sich der Pfropfen 14 grundsätzlich auch bei weiterer, allerdings allenfalls abgesenkter Beheizung der Düse 7 bilden. Bei geöffneter Form 5 und Entnahme des Bauteils 2 bricht der Pfropfen 14 im Bereich der Düse 7 ab, bleibt jedoch im Wesentlichen erhalten. Dies entspricht dem Zustand C. Die Form 5 ist jetzt zwar noch offen, aber die Heizeinrichtung 13 kann bereits mit höherer Leistung operieren, um den Pfropfen 14 aufzuweichen. Dies entspricht dem Zustand D. Sobald die Form 5 wieder geschlossen ist, kann mit der Heizeinrichtung 13 mit voller Leistung gefahren werden, sodass der Pfropfen 14 idealerweise ganz aufschmilzt. Dies entspricht dem Zustand E. Dadurch ergibt sich, dass beim nächsten Zyklus bzw. Einspritzen die Düse 7 vollkommen frei ist, sodass Druckspitzen in der Fördereinrichtung 6 bzw. dem Barrel eliminiert oder zumindest verringert werden. Die gezielte Erweichung und anschließende Aufschmelzung des Pfropfens 14 kann innerhalb der üblichen Zeit für einen Erstellungszyklus von weniger als 40 Sekunden durchgeführt werden.

Claims

Vorrichtung (1) zur Erstellung zumindest eines metallischen Bauteils (2) durch Einspritzen von fließfähigem metallischen Material (3) in zumindest eine Kavität (4) einer mehrteiligen Form (5), insbesondere zum Gießen von Magnesium oder Magnesiumlegierungen im thixotropen Zustand, umfassend eine Fördereinrichtung (6) für das fließfähige metallische Material (3), zumindest eine der Fördereinrichtung (6) stromabwärts nachgeordnete Düse (7) und die Form (5) mit der zumindest einen Kavität (4), wobei an die Fördereinrichtung (6) eine Verteilereinheit (8) mit mehreren Düsen (7) anschließt, über welche das fließfähige metallische Material (3) unter Druck in die zumindest eine Kavität (4) einspritzbar ist, um die zumindest eine oder mehrere Kavitäten (4) gleichzeitig über einzelne Düsen (7) zu befüllen, wobei Kanäle (10) der Verteilereinheit (8) frei von Ecken mit einem rechten Winkel ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilereinheit (8) geradlinige Abschnitte (9) aufweist, welche von einem Verzweigungspunkt (15) zu den Düsen (7) führen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (10) der Verteilereinheit (8) eckenfrei ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (10) der Verteilereinheit (8) vom Verzweigungspunkt (15) mit einem Winkel (α) von maximal 50°, vorzugsweise maximal 45°, insbesondere 20° bis 40°, abzweigen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilereinheit (8) zumindest drei Kanäle (10) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilereinheit (8) in einem ersten Teil (11) der Form (5) integriert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Düse (7) eine Heizeinrichtung (13) vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung für die Heizeinrichtungen (13) vorgesehen ist, welche eine Temperatur an bzw. in den Düsen (7) in Abhängigkeit vom Status eines Zyklus variabel steuert.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtungen (13) als Widerstandsheizungen ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (7) aus einem Stahl, insbesondere einem Warmarbeitsstahl, gebildet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtungen (13) an den Düsen (7) angelötet sind.
Verfahren zum Gießen zumindest eines metallischen Bauteils (2), wobei fließfähiges metallisches Material (3), insbesondere Magnesium oder eine Magnesiumlegierung im thixotropen Zustand, zur Bildung des zumindest einen Bauteils (2) von einer Fördereinrichtung (6) über eine Verteilereinheit (8) zu mehreren Düsen (7) geführt und über diese unter Druck in zumindest eine Kavität (4) einer mehrteiligen Form (5) eingespritzt wird, wonach das zumindest eine Bauteil (2) in der Form (5) erstarren gelassen wird, worauf die Form (5) geöffnet und das zumindest eine Bauteil (2) entnommen wird, wonach die Form (5) geschlossen und das nächste Bauteil (2) erstellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige metallische Material (3) über Kanäle (10) der Verteilereinheit (8), welche frei von Ecken mit einem rechten Winkel sind, von einem Verzweigungspunkt (15) der Verteilereinheit (8) umlenkungsfrei zu den Düsen (7) geführt wird, wobei das fließfähige metallische Material (3) vom Verzweigungspunkt (15) verzweigend entlang geradliniger Abschnitte (9) der Verteilereinheit (8) zu den Düsen (7) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige metallische Material (3) vom Verzweigungspunkt (15) mit einem Winkel (α) von maximal 50°, vorzugsweise maximal 45°, insbesondere 20° bis 40°, abzweigend zu den Düsen (7) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (7) bei geöffneter Form (5) beheizt werden, um in den Düsen (7) gebildete Pfropfen (14) vor dem Erstellen des nächsten Bauteils (2) zumindest zu erweichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach Öffnen der Form (5) und Entnahme des oder der Bauteile (2) eine Heizleistung an den Düsen (7) so eingestellt wird, dass der Pfropfen (14) ohne Eintritt von fließfähigem metallischen Material (3) in die zumindest eine Kavität (4) erweicht.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schließen der Form (5) die Heizleistung an den Düsen (7) gesteigert wird, um das nächste Bauteil (2) zu erstellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung an den Düsen (7) verringert wird, wenn das Bauteil erstarren gelassen wird, sodass eine Temperatur für eine Pfropfenbildung in den Düsen (7) unterschritten wird.