Umformung eines kristallisierbaren Materials im flüssigen oder pastösen Zustand Forming a crystallizable material in the liquid or pasty state
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Umformen eines kristallisierbaren Materials im flüssigen oder pastösen Zustand sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. Anspruch 70.The invention relates to a method for shaping a crystallizable material in the liquid or pasty state and to an apparatus for carrying out this method according to the preamble of claim 1 and claim 70.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen, die üblicherweise als Giessverfahren bzw. Giessanlagen bezeichnet werden, sind seit langem bekannt. Letztendlich geht es stets darum, das zunächst ohne definierte Form/Gestalt vorliegende flüssige oder pastöse Material in eine Giessform zu überführen, wobei das Material umgeformt wird und während oder nach der Formgebung durch Erstarren in den festen Zustand gebracht wird. Für den stofflichen Zusammenhalt des Gussteils ist es wichtig, dass dieses möglichst homogen ist. Deshalb müssen auch schon die flüssige oder pastöse Masse vor dem Erstarren und die Erstarrungsbedingungen bzw. Kristallisationsbedingungen möglichst homogen sein.Such methods and devices, which are usually referred to as casting processes or casting plants, have long been known. Ultimately, it is always a matter of transferring the liquid or pasty material, which is initially present without a defined shape, into a casting mold, the material being deformed and brought to a solid state by solidification during or after shaping. For the material cohesion of the casting, it is important that it is as homogeneous as possible. Therefore, the liquid or pasty mass before solidification and the solidification conditions or crystallization conditions must be as homogeneous as possible.
Wichtige Giessverfahren sind das Kokillengiessen, insbesondere das Niederdruck- Kokillengiessen, das Druckgiessen, das Schleudergiessen und das Stranggiessen.Important casting processes are permanent mold casting, especially low-pressure permanent mold casting, die casting, centrifugal casting and continuous casting.
Beim Kokillengiessen wird eine üblicherweise aus Stahl oder Gusseisen bestehende ruhende Dauerform im allgemeinen drucklos gefüllt. Die Gestalt des Gussstücks wird durch die Gussform bestimmt. Beim Vollkokillengiessen werden auch ebenfalls üblicherweise aus Stahl oder Gusseisen bestehende Gussformkerne verwendet.In permanent mold casting, a permanent mold, usually made of steel or cast iron, is generally filled without pressure. The shape of the casting is determined by the mold. In the case of full mold casting, mold cores consisting of steel or cast iron are also usually used.
Beim Niederdruck-Kokillengiessen wird die Form über ein Steigrohr von unten mit geringem Überdruck oder elektromagnetisch gefüllt. Nach dem relativ langsamen "ruhigen" Füllen erstarrt das Gussteil unter dem Überdruck.
Beim Druckgiessen wird die Schmelze oder Paste maschinell unter hohem Druck und mit grosser Geschwindigkeit in eine genau gefertigte metallische Dauerform gepresst. Der Druck wird bis zum Ende des Erstarrens aufrechterhalten. Im Gegensatz zum Kokillengiessen eignet sich das Druckgiessen besonders gut für relativ dünnwandige Gussteile.In low-pressure die casting, the mold is filled from below with a slight overpressure or electromagnetically using a riser pipe. After the relatively slow "quiet" filling, the casting solidifies under the excess pressure. During die casting, the melt or paste is pressed mechanically under high pressure and at great speed into a precisely manufactured permanent metal mold. The pressure is maintained until the solidification ends. In contrast to permanent mold casting, die casting is particularly well suited for relatively thin-walled castings.
Beim Schleudergiessen wird die Schmelze in eine um ihre Achse rotierende röhr- oder ringförmige Kokille geführt, in der sie unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft erstarrt. Übliche Gussteile sind Ringe, Rohre, Büchsen und Zylinder, insbesondere auch Rippenzylinder.In centrifugal casting, the melt is guided into a tubular or ring-shaped mold rotating around its axis, in which it solidifies under the influence of centrifugal force. Common castings are rings, pipes, bushings and cylinders, especially also finned cylinders.
Beim Stranggiessen werden Teile mit konstanter Querschnittsform und beliebiger Länge, wie z.B. Voll- oder Hohlprofile, hergestellt. Dabei wird die Schmelze in eine beidsei- tig offene Kokille gegossen. In der Kokille kühlt die Schmelze so weit ab, dass sich eine tragfähige Aussenschale am Gussteil bildet. Der teilerstarrte Strang wird kontinuierlich aus der Kokille gezogen.In continuous casting, parts with a constant cross-sectional shape and any length, such as Solid or hollow profiles. The melt is poured into a mold that is open on both sides. The melt in the mold cools down so much that a load-bearing outer shell forms on the casting. The partially solidified strand is continuously pulled out of the mold.
Das Druckgiessen zeichnet sich unter den genannten Giessverfahren dadurch aus, dass es sich neben dem Giessen flüssiger Materialien auch besonders gut für das "Giessen" pastöser Materialien eignet, in denen feste Partikel, insbesondere im kristallinen oder teilkristallinen Zustand vorliegen. Das Druckgiessen eignet sich besonders gut zur Herstellung von Gussteilen aus Aluminium oder aus Aluminium/Magnesium- Legierungen.The die casting process is characterized by the fact that, in addition to the casting of liquid materials, it is particularly well suited for the "casting" of pasty materials in which solid particles are present, in particular in the crystalline or partially crystalline state. Die casting is particularly well suited for the production of cast parts made of aluminum or aluminum / magnesium alloys.
Häufige Probleme bei den genannten Giessverfahren sind Entmischungs- und Sedimentationsvorgänge sowie die ungleichmässige Entgasung der Schmelze. Dies führt zu inhomogenen Gussteilen oder sogar zu Gussteilen mit unkontrollierten Hohlräumen.Common problems with the casting processes mentioned are separation and sedimentation processes and the uneven degassing of the melt. This leads to inhomogeneous castings or even castings with uncontrolled cavities.
Des weiteren ist die Kontrollierbarkeit der Konzentration, Verteilung und Grosse der Erstarrungs- bzw. Kristallisationskeime in der Regel nur mangelhaft, was zu einer un- gleichmässigen Komstruktur, d.h. einer inhomogenen Kornfeinheit des Gussteils führt.
Ein weiteres Problem ist die Wandreibung des flüssigen oder pastösen Materials, die zu einer ungleichmässigen Geschwindigkeitsverteilung beim Eindosieren des Materials in die Gussform und somit zu einer Verungleichmässigung der Verweilzeit im Einfüll- und Dosierungsbereich, aber auch in den verschiedenen Bereichen der Gussform innerhalb der Giessanlage führt. Insbesondere beim Druckgiessen relativ dünnwandiger und zum Teil filigraner Gussteile hat die Wandreibung einen starken Einfluss auf das Fliessverhalten der Schmelze oder Paste innerhalb der Gussform. Um eine vollständige und rasche Befüllung der Gussform zu erzielen, ist daher ein relativ hoher Fülldruck erforderlich.Furthermore, the controllability of the concentration, distribution and size of the solidification or crystallization nuclei is generally poor, which leads to an uneven grain structure, ie an inhomogeneous grain size of the cast part. Another problem is the wall friction of the liquid or pasty material, which leads to an uneven speed distribution when metering the material into the mold and thus to an uneven residence time in the filling and dosing area, but also in the different areas of the mold within the casting system. In particular when pressure casting relatively thin-walled and partly filigree cast parts, the wall friction has a strong influence on the flow behavior of the melt or paste within the mold. In order to achieve complete and rapid filling of the mold, a relatively high filling pressure is required.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Probleme des Stands der Technik zu lösen oder ihre negativen Auswirkungen zumindest zu verringern.The invention has for its object to solve these problems of the prior art or at least to reduce their negative effects.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung verfahrensmässig dadurch gelöst, dass man bei dem eingangs geschilderten Verfahren das Material vor und/oder während des Umformens und/oder Erstarrens zumindest in Teilbereichen zu Schwingungen anregt.According to the invention, this object is achieved in terms of method in that, in the method described at the outset, the material is excited to vibrate, at least in some areas, before and / or during the forming and / or solidification.
Die Schwingungsanregung kann in einem Erhitzungs- bzw. Temperierbereich, in einem Entgasungsbereich oder in einem Filtrierbereich erfolgen.The vibration can be excited in a heating or tempering area, in a degassing area or in a filtering area.
Das Material kann eine Metallschmelze, insbesondere eine mindestens Aluminium oder Magnesium enthaltende Schmelze sein, die in einem Schmelzofenbereich hergestellt wurde, oder es kann eine Polymerschmelze, insbesondere eine PET aufweisende Schmelze sein, die in einem Extruderabschnitt geschmolzen wurde. Vorzugsweise erfolgt aber die Formgebung in einer Giessform. Das flüssige oder pastöse Material kann zusätzlich Partikel und/oder Blasen enthalten.The material may be a molten metal, in particular a melt containing at least aluminum or magnesium, which was produced in a melting furnace area, or it may be a polymer melt, in particular a melt comprising PET, which was melted in an extruder section. However, the shaping is preferably carried out in a casting mold. The liquid or pasty material can additionally contain particles and / or bubbles.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung erfolgt die Schwingungsanregung durch mindestens eine Schwingungsquelle für mechanische Schwingungen, wobei die Schwingungsanregung grossflächig über mindestens ein mit der Schwingungsquelle gekoppeltes grossflächiges Element erfolgt. Dadurch lässt sich eine relativ homogener Schwingungszustand über das gesamte Volumen des erstarrenden Gussteils erzielen. Dies ermöglicht eine gezielte Beeinflussung des gesamten Volumens der erstarrenden
Schmelze oder Paste. Zweckmässigerweise ist das grossflächige Element eine an das umzuformende Material grenzende Innenfläche (Grenzfläche) eines Anlagen- bzw. Maschinenteils der Giessanlage. Durch die Beeinflussung des gesamten Fluidvolumens erfolgt eine Kompaktierung des Materials, so dass die Masshaltigkeit beim Abkühlen verbessert wird, d.h. eine geringere Schrumpfung des Materials nach dem Erstarren erfolgt.In a particularly advantageous embodiment, the vibration is excited by at least one vibration source for mechanical vibrations, the vibration being excited over a large area via at least one large-area element coupled to the vibration source. As a result, a relatively homogeneous vibration state can be achieved over the entire volume of the solidifying casting. This enables the entire volume of the solidifying to be influenced in a targeted manner Melt or paste. The large-area element is expediently an inner surface (boundary surface) of a plant or machine part of the casting plant bordering on the material to be formed. By influencing the entire fluid volume, the material is compacted so that the dimensional stability is improved during cooling, ie there is less shrinkage of the material after solidification.
Die Schwingungsanregung kann dabei derart erfolgen, dass die Schwingung der Innenfläche mindestens eine zur Grenzfläche tangentiale Komponente aufweist. Durch die tangentiale Komponente lässt sich der Einfluss der Wand, insbesondere die Wandhaftung bzw. Wandreibung verringern, was zu einer höheren Geschwindigkeit der Schmelze bzw. der Paste im Bereich der Wand führt, so dass man sich dem Ideal der reinen Pfropfenströmung annähert. Da sich diese Transversalwellen (Querwellen) in einem Fluid praktisch nicht ausbreiten können, sind sie auf den Wandbereich begrenzt.The vibration excitation can take place in such a way that the vibration of the inner surface has at least one component tangential to the interface. The tangential component can reduce the influence of the wall, in particular the wall adhesion or wall friction, which leads to a higher speed of the melt or paste in the area of the wall, so that the ideal of the pure plug flow is approached. Since these transverse waves (transverse waves) can practically not spread in a fluid, they are limited to the wall area.
Wenn hingegen die Schwingungsanregung derart erfolgt, dass die Schwingung der Innenfläche mindestens eine zur Grenzfläche normale Komponente aufweist, erfolgt eine Ausbreitung von Longitudinalwellen (Längswellen) ins Innere der Schmelze oder Paste.If, on the other hand, the vibration excitation takes place in such a way that the vibration of the inner surface has at least one component normal to the interface, longitudinal waves (longitudinal waves) propagate into the interior of the melt or paste.
Indem man sowohl tangential und normal zur Wand jeweils mit spezifischen Schwingungsfrequenzen anregt, kann man gezielt sowohl auf die Grenzfläche der Schmelze oder Paste zur Gussform-Innenfläche als auch auf das Innere der Schmelze oder Paste einwirken.By stimulating with specific vibration frequencies both tangentially and normal to the wall, one can specifically act both on the interface of the melt or paste with the inner surface of the mold and on the inside of the melt or paste.
Vorteilhafterweise erfolgt die Schwingungsanregung derart, dass an der Grenzfläche Oberflächenwellen gebildet werden. Ähnlich wie die Transversalwellen ermöglicht auch dies ein auf die Grenzfläche beschränkte lokale Einwirkung auf das Fluid (Schmelze oder Paste), wodurch die Wandhaftung bzw. Wandreibung des Fluids ebenfalls verringert werden kann.The vibration is advantageously excited in such a way that surface waves are formed at the interface. Similar to the transverse waves, this also enables a local influence on the fluid (melt or paste) that is limited to the interface, whereby the wall adhesion or wall friction of the fluid can also be reduced.
Die das umzuformende Material berührende Grenzfläche kann die Innenwand eines Transportkanals für das Material sein.
Die Schwingungsanregung kann aber auch punktuell über mindestens ein mit der mindestens einen Schwingungsquelle gekoppeltes punktuelles Element erfolgen. Eine derartige punktuelle Schwingungsanregung ist z.B. in Totbereichen und anderen für das Fluid schwer zugänglichen Bereichen, wie z.B. spitzen Ecken, Kanten oder filigranen Verzweigungen der Gussform hilfreich, um dort das Fliessen des Fluids und somit ein vollständiges Füllen der Gussform zu erleichtern.The interface contacting the material to be formed can be the inner wall of a transport channel for the material. However, the vibration excitation can also be carried out selectively via at least one punctiform element coupled to the at least one vibration source. Such selective vibration excitation is helpful, for example, in dead areas and other areas that are difficult to access for the fluid, such as pointed corners, edges or filigree branches of the mold, in order to facilitate the flow of the fluid there and thus complete filling of the mold.
Bei der Schwingungsanregung kann mit vorbestimmten Frequenzen bzw. in vorbestimmten Frequenzbereichen gearbeitet werden. Ebenso kann auch mit vorbestimmten Amplituden bzw. in vorbestimmten Amplitudenbereichen gearbeitet werden. Insbesondere kann die Schwingungsanregung durch mindestens einen auf das Material einwirkenden Schlagimpuls erfolgen. Dadurch erhält man ein breites Frequenzspektrum. Um eine ausreichende Intensität und Einwirkung über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten, kann die Schwingungsanregung durch mehrere aufeinanderfolgende Schlagimpulse z.B. pulsierend erfolgen.Vibration excitation can work with predetermined frequencies or in predetermined frequency ranges. It is also possible to work with predetermined amplitudes or in predetermined amplitude ranges. In particular, the vibration can be excited by at least one impact pulse acting on the material. This gives you a wide frequency spectrum. In order to ensure sufficient intensity and exposure over a longer period of time, the vibration can be stimulated by several successive impulses e.g. pulsating.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Falle einer pulsierend erfolgenden Umformung z.B. beim Druckgiessen die Pulsierung der Schwingungsanregung zu der Pulsierung der Umformung in einer vorbestimmten Beziehung steht. Zweckmässigerweise verlaufen dabei die Pulsierung der Umformung und die Pulsierung der Schwingungsanregung synchron zueinander. Durch die Druckstösse und die gleichzeitigen Schwingungsstösse wird das Fluid während des Komprimierens "durchgeschüttelt". Dadurch lässt sich ein dichteres Gefüge im erstarrenden Material und somit eine bessere Qualität des Gussteils erzielen. Die Pulsierung kann z.B. durch eine pulsierende Frequenzmodulation der Anregungsfrequenz und/oder eine pulsierende Amplitudenmodulation der Anregungsamplitude erfolgen. Je nach Bedarf oder akzeptablem Aufwand verwendet man dabei kontinuierliche Frequenz- und Amplitudenverteilungen oder eine bzw. mehrere diskrete Frequenzen oder Amplituden.It is particularly advantageous if, for example, in the case of pulsating forming, in die casting, the pulsation of the vibration excitation is in a predetermined relationship to the pulsation of the forming. The pulsation of the forming and the pulsation of the vibration excitation expediently run synchronously with one another. Due to the pressure surges and the simultaneous vibration surges, the fluid is "shaken" during compression. This allows a denser structure in the solidifying material and thus a better quality of the cast part to be achieved. The pulsation can e.g. by means of a pulsating frequency modulation of the excitation frequency and / or a pulsating amplitude modulation of the excitation amplitude. Depending on requirements or acceptable effort, continuous frequency and amplitude distributions or one or more discrete frequencies or amplitudes are used.
Vorzugsweise erfolgt bei dem erfindungsgemässen Giessverfahren eine unterschiedliche Schwingungsanregung je nach Verfahrensschritt bzw. Anlagenabschnitt. So kann z.B. örtlich spezifisch die Schwingungsbeeinflussung der Grenzfläche des Fluids beim Eindosieren in die Gussform dominieren, während in relativ grossräumigen Bereichen
der Gussform die Schwingungsbeeinflussung im Fluidvolumen dominiert. In relativ engräumigen Bereichen der Gussform kann dann wieder die Beeinflussung der Flu- idgrenzfläche dominieren. Ähnlich kann auch zeitlich spezifisch, d.h. den Erstarrungsbzw. Kristallisationsvorgang zeitlich "begleitend" die Schwingungsanregung der jeweiligen Phase der Erstarrung bzw. Kristallisation angepasst erfolgen.In the casting method according to the invention, there is preferably a different vibration excitation depending on the method step or system section. For example, locally influencing the vibration of the interface of the fluid can dominate when metering into the mold, while in relatively large areas the mold dominates the influence of vibrations in the fluid volume. The influencing of the fluid interface can then dominate again in relatively confined areas of the casting mold. Similarly, can also be specific in time, ie the solidification or Crystallization process "accompanying" the vibration excitation in accordance with the respective phase of solidification or crystallization.
Als Schwingungsquelle kann auch eine Giessanlagen-Innenwand mit periodisch strukturierter, z.B. gewellter, geriffelter oder gerippter Oberfläche verwendet werden, an der das Fluid entlang strömt. Dadurch entstehen durch "Selbstanregung" periodische Pulsationen, die sich im ganzen Fluid ausbreiten. Es können auch verschiedene Innenwandbereiche mit einer jeweils anderen periodischen Strukturierung (räumliche Frequenz) ausgestattet sein. Dadurch entsteht in dem Fluid eine Überlagerung aus Pulsationen mehrerer Frequenzen, die den jeweiligen räumlichen Frequenzen der entsprechenden Oberflächenstruktur entsprechen. Die periodischen Strukturierungen mit verschiedenen räumlichen Frequenzen können auch in ein und demselben Innenwandbereich überlagert angeordnet sein. So kann z.B. eine grobe periodische Struktur (räumliche Grundfrequenz) für relativ niederfrequente Pulsationen zum Losreisen dendritischer Kristallgebilde von temperierten Innenwandbereichen ausgelegt sein, während eine ihr überlagerte feine periodische Struktur derart ausgelegt sein kann, dass die durch sie hervorgerufenen relativ hochfrequenten Pulsationen für die Beeinflussung der rheologischen Eigenschaften des Fluids (Wandreibung, Scherviskosität, etc.) in Frage kommen.A casting system inner wall with a periodically structured, e.g. corrugated, corrugated or ribbed surface can be used, along which the fluid flows. This creates periodic pulsations due to "self-excitation", which spread throughout the fluid. Different inner wall areas can also be equipped with a different periodic structure (spatial frequency). This results in a superposition of pulsations of several frequencies in the fluid, which correspond to the respective spatial frequencies of the corresponding surface structure. The periodic structuring with different spatial frequencies can also be arranged superimposed in one and the same inner wall area. For example, a coarse periodic structure (fundamental spatial frequency) for relatively low-frequency pulsations for the detachment of dendritic crystal structures from tempered inner wall areas can be designed, while a superimposed fine periodic structure can be designed in such a way that the relatively high-frequency pulsations caused by them influence the rheological properties of the fluid (Wall friction, shear viscosity, etc.) come into question.
Als weitere, ebenfalls nach dem Prinzip der "Selbstanregung" wirkende Schwingungsquelle können auch hydrodynamische Instabilitäten, wie z.B. zyklische Strömungsabrisse oder zyklische Wirbelabrisse des Fluids genutzt werden, wodurch ebenfalls zyklische Pulsationen entstehen. Hierfür können in das strömende Fluid ragende Hindernisse oder abgestufte, insbesondere asymmetrische Verengungen eines Strömungskanals in der Giessanlage vorgesehen sein.As a further vibration source, which also works on the principle of "self-excitation", hydrodynamic instabilities, such as e.g. cyclical stalls or cyclical vortex stalls of the fluid are used, which also creates cyclic pulsations. For this purpose, obstacles protruding into the flowing fluid or stepped, in particular asymmetrical constrictions of a flow channel can be provided in the casting system.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird das Material während des Umformens und/oder Erstarrens zumindest in Teilbereichen mit Kristallisationskeimen geimpft. Auf diese Weise lässt sich die Kristallisation der Schmelze gezielt beeinflussen.
Die Kristallisationskeime können Kristallite des umzuformenden Materials aufweisen. Dadurch wird eine in manchen Fällen ungewollte Verunreinigung des Gussteils verhindert. Alternativ können die Kristallisationskeime aber auch Partikel aus einem von dem umzuformenden Material unterschiedlichen Material aufweisen. Damit kann neben der Beeinflussung der Kristallisation auch eine gezielte Verunreinigung des Gussteils erreicht werden.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the material is inoculated with crystallization nuclei at least in some areas during the shaping and / or solidification. In this way, the crystallization of the melt can be influenced in a targeted manner. The crystallization nuclei can have crystallites of the material to be formed. This prevents the casting from being contaminated in some cases. Alternatively, the crystallization nuclei can also have particles made of a material different from the material to be formed. In addition to influencing the crystallization, targeted contamination of the cast part can thus be achieved.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die benötigten Kristallisationskeime in der Schmelze selbst z.B. an einer temperierten Innenwand (Temperaturgradient) der Giessanlage oder in einem Bereich hoher Scherung (Schergradient) in der Schmelze erzeugt werden. Zweckmässigerweise verwendet man für die Erzeugung der Kristallite eine Kombination aus hohem Temperaturgradienten und hohem Schergradienten. Dies lässt sich z.B. erreichen, indem man im Bereich eines stark gekühlten Innenwandabschnitts der Giessanlage, vorzugsweise stromauf von der eigentlichen Gussform im Zudosierungs- bereich, eine stark gescherte Schmelzeströmung erzeugt. Durch die Scherwirkung wird einerseits die spontane Kristallisation im Schergradienten begünstigt, andererseits aber auch ein Abreissen und Zerkleinern dendritischer Kristallgebilde begünstigt, die im Temperaturgradienten von der temperierten Wand in die Schmelze wachsen. Das Los- reissen derartiger Dendriten von der Wand kann durch zusätzliches Pulsieren der Schmelzeströmung begünstigt werden.It is particularly advantageous if the required crystallization nuclei in the melt itself, e.g. generated on a tempered inner wall (temperature gradient) of the casting system or in a region of high shear (shear gradient) in the melt. A combination of a high temperature gradient and a high shear gradient is expediently used for the production of the crystallites. This can e.g. can be achieved by generating a strongly sheared melt flow in the area of a strongly cooled inner wall section of the casting installation, preferably upstream of the actual casting mold in the metering area. The shear effect promotes spontaneous crystallization in the shear gradient on the one hand, but on the other hand also promotes tearing and crushing of dendritic crystal structures that grow from the tempered wall into the melt in the temperature gradient. The detachment of such dendrites from the wall can be promoted by additional pulsation of the melt flow.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schmelze Fremdpartikel, insbesondere Fasern wie z.B. Kohlefasern, ggf. mit modifizierter Oberfläche, oder Nanopartikel, hinzugegeben werden. Diese Suspension kann einen Volumenanteil an Fremdpartikeln im Bereich von etwa 0,01% bis etwa 80% aufweisen. Die theoretische Obergrenze des Volumenanteils der Fremdpartikel wird durch die dichteste Packung z.B. kugelähnlicher Partikel gebildet, wobei in diesem Grenzfall eine teilweise dünne Schicht des Schmelzematerials zwischen den Fremdpartikeln gerade noch die kontinuierliche Phase bildet. Je nach der Beschaffenheit der festen Partikel können sogar gelartige oder kolloidartige Fluid- zustände hergestellt werden. Anstelle fester Fremdpartikel können aber auch flüssige Fremdpartikel, d.h. Tröpfchen, in der Schmelze vorhanden sein (Emulsion), wie es z.B. bei nicht-mischbaren Legierungen der Fall ist. Durch Hinzugabe oberflächenaktiver
spezifischer Substanzen, die sich an der Grenzfläche zwischen den Tröpfchen (diskontinuierliche Phase) und der Schmelze (kontinuierliche Phase) anlagern, kann der emul- gierte Zustand stabilisiert werden und einer Entmischung, d.h. Phasentrennung, vorgebeugt werden.It is particularly advantageous if foreign particles, in particular fibers such as carbon fibers, possibly with a modified surface, or nanoparticles, are added to the melt. This suspension can have a volume fraction of foreign particles in the range from about 0.01% to about 80%. The theoretical upper limit of the volume fraction of the foreign particles is formed by the densest packing of, for example, spherical particles, in which case a partially thin layer of the melt material between the foreign particles just forms the continuous phase. Depending on the nature of the solid particles, gel-like or colloid-like fluid states can even be produced. Instead of solid foreign particles, liquid foreign particles, ie droplets, can also be present in the melt (emulsion), as is the case, for example, with immiscible alloys. By adding more surface-active Specific substances that accumulate at the interface between the droplets (discontinuous phase) and the melt (continuous phase), the emulsified state can be stabilized and segregation, ie phase separation, can be prevented.
Die Kristallisationskeime können verkapselte Kristallite oder Kristallit-Agglomerate enthalten, wobei die Verkapselung vorzugsweise aus einer Substanz besteht, die sich in dem kristallisierbaren flüssigen oder pastösen Material während des Umformens und/oder Erstarrens auflöst, so dass die Kristallite bzw. die Kristallit-Agglomerate in dem umzuformenden Material exponiert werden und zur Kristallisierung des Materials bei dessen Erstarrung beitragen.The crystallization nuclei can contain encapsulated crystallites or crystallite agglomerates, the encapsulation preferably consisting of a substance which dissolves in the crystallizable liquid or pasty material during the shaping and / or solidification, so that the crystallites or the crystallite agglomerates in the exposed material and contribute to the crystallization of the material when it solidifies.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird dem Material vor und/oder während seiner Umformung zumindest zeitweise eine Dehnströmung mit einer Absenkung des Fluiddruckes im Dehnbereich aufgeprägt, und zwar vorzugsweise indem man das Material vor und/oder während seiner Umformung durch mindestens einen kanalartigen Bereich mit mindestens einer Querschnittsverengung transportiert. Alternativ oder zusätzlich kann dem Material vor und/oder während seiner Umformung auch zumindest zeitweise eine Scherströmung aufgeprägt werden, und zwar vorzugsweise indem man das Material vor und/oder während seiner Umformung durch mindestens einen kanalartigen Bereich (z.B. Schlitz oder Düse) mit hohem Schergefälle transportiert. Als weitere Alternative oder zusätzlich kann dem Material vor und/oder während seiner Umformung auch zumindest zeitweise eine Druckströmung mit einer Anhebung des Fluiddruckes im Druckbereich aufgeprägt werden, und zwar vorzugsweise indem man das Material vor und/oder während seiner Umformung durch mindestens einen kanalartigen Bereich mit mindestens einer Querschnittserweiterung transportiert. Durch die Dehnströmung, Scherströmung oder Druckströmung können Agglomerate, wie z.B. agglomerierte Fremdkörper oder agglomerierte Kristalle desagglomeriert oder dendritische Kristallgebilde von einer Wand abgelöst werden. Hierdurch wird eine Vergleichmässigung der Partikelgrössen der Fremdkörper oder der Kristalle und gleichzeitig eine Erhöhung der Gesamtzahl derartiger Partikel in dem Fluid erzielt.
Vorzugsweise werden dem Material vor und/oder während seiner Umformung nacheinander abwechselnd Dehnströmungen, Scherströmungen oder Kompressionsströmungen, insbesondere durch mindestens eine Querschnittsverengung, durch mindestens einen Bereich mit hohem Schergefälle (Spalt) bzw. durch mindestens einen Bereich mit Querschnittserweiterung, aufgeprägt. Durch dieses verschiedenartige "Strapazieren" des Fluids können auch verschiedenartige Agglomerate in dem Fluid weitgehend de- sagglomeriert werden.In a further advantageous embodiment, an expansion flow is at least temporarily impressed on the material before and / or during its forming, with a reduction in the fluid pressure in the expansion area, and preferably by passing the material through at least one channel-like area with at least one before and / or during its forming Cross-sectional narrowing transported. Alternatively or additionally, a shear flow can be impressed on the material at least temporarily before and / or during its shaping, preferably by transporting the material through at least one channel-like area (e.g. slot or nozzle) with high shear rate before and / or during its shaping , As a further alternative or in addition, a pressure flow with an increase in the fluid pressure in the pressure area can also be impressed on the material at least temporarily before and / or during its shaping, preferably by passing the material through at least one channel-like area before and / or during its shaping transported at least one cross-sectional expansion. Due to the expansion flow, shear flow or pressure flow, agglomerates such as, for example, agglomerated foreign bodies or agglomerated crystals can be deagglomerated or dendritic crystal structures can be detached from a wall. As a result, the particle sizes of the foreign bodies or the crystals are made more uniform and, at the same time, the total number of such particles in the fluid is increased. Stretching flows, shear flows or compression flows are preferably alternately impressed on the material in succession before and / or during its shaping, in particular by at least one cross-sectional constriction, by at least one region with a high shear gradient (gap) or by at least one region with cross-sectional expansion. This different "stressing" of the fluid means that various types of agglomerates in the fluid can also be largely de-agglomerated.
Wenn das Material ein mehrphasiges Fluid mit mindestens einer kompressiblen Komponente ist, kann ihm eine Kompressionsströmung oder eine Expansionsströmung aufgeprägt werden, bei der eine Kompression bzw. Expansion der kompressiblen Komponente erfolgt.If the material is a multi-phase fluid with at least one compressible component, a compression flow or an expansion flow can be impressed on it, in which the compressible component is compressed or expanded.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung erfolgt die Schwingungsanregung derart, dass zumindest im Bereich der Giessform vor und während des Erstarrens ein Interferenzmuster mit Schwingungsbauch-Bereichen und Schwingungsknoten-Bereichen entsteht, wobei das Interferenzmuster vorzugsweise über das gesamte Volumen der Giessform dreidimensional ausgebildet wird. Auf diese Weise kann eine gezielte Anreicherung oder Abreicherung bestimmter Partikel in den Bereichen der Schwingungsbäuche erfolgen, solange das Fluid noch nicht erstarrt ist. So können z.B. Kristallite des Fluidmaterials oder Fremdpartikel in einer Metall- oder Kunststoffschmelze oder verschiedene Metallatome in einer Legierung umverteilt und insbesondere in gewissen Bereichen angereichert bzw. abgereichert werden. Dem Gussteil können dadurch ähnlich wie bei Verbundmaterialien gezielt Eigenschaften aufgeprägt werden ("Quasi- Verbundmaterial").In a further advantageous embodiment, the vibration excitation takes place in such a way that, at least in the region of the casting mold, an interference pattern with regions of vibration antinodes and regions of oscillation nodes is formed before and during solidification, the interference pattern preferably being three-dimensional over the entire volume of the casting mold. In this way, specific enrichment or depletion of certain particles in the areas of the antinodes can take place as long as the fluid has not yet solidified. For example, Crystallites of the fluid material or foreign particles in a metal or plastic melt or different metal atoms in an alloy are redistributed and enriched or depleted in particular in certain areas. As with composite materials, specific properties can be impressed on the casting ("quasi-composite material").
Vorzugsweise wird das Interferenzmuster vor dem Erstarren des Fluids, z.B. durch Veränderung der relativen Phasen mehrerer Schwingungsquellen, örtlich verschoben und/oder verzerrt. Dadurch wird ein Mischeffekt erzeugt. Zumindest wird aber eine Entmischung weitgehend verhindert. Zweckmässigerweise wird darauf geachtet, dass das Interferenzmuster zumindest zu Beginn und während des Erstarrens örtlich unverändert bleibt. Dadurch wird zumindest verhindert, dass das Gefüge des erstarrenden Fluids unkontrolliert geschwächt wird. Eine gezielte Schwächung des Gefüges in be-
stimmten Bereichen des Gussteils kann aber durchaus gewollt sein und wird durch diese Massnahme ermöglicht. Alternativ oder ergänzend kann auch die Amplitude der Anregungsschwingungen der mehreren Schwingungsquellen während des Umformens und/oder Erstarrens verändert werden.The interference pattern is preferably locally shifted and / or distorted before the fluid solidifies, for example by changing the relative phases of several vibration sources. This creates a blending effect. At least segregation is largely prevented. It is expedient to ensure that the interference pattern remains locally unchanged at least at the beginning and during the solidification. This at least prevents the structure of the solidifying fluid from weakening in an uncontrolled manner. A targeted weakening of the structure in However, certain areas of the casting can be deliberate and are made possible by this measure. Alternatively or additionally, the amplitude of the excitation vibrations of the several vibration sources can also be changed during the forming and / or solidification.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens werden stromab von den Anregungs-Teilbereichen, in denen eine Schwingungsanregung des Materials erfolgt, an mindestens einem Erfassungsbereich Theologische Eigenschaften (Fliess- und Materialeigenschaften) des Materials erfasst. Vorzugsweise erfolgt in einem ersten Erfassungsbereich stromauf von den Anregungs-Teilbereichen eine erste Erfassung rheologischer Eigenschaften des Materials und in einem zweiten Erfassungsbereich stromab von den Anregungs-Teilbereichen eine zweite Erfassung rheologischer Eigenschaften des Materials. Dies erlaubt eine Beurteilung der Ergebnisse und somit der Wirksamkeit der Schwingungsanregung durch Vergleich der Theologischen Eigenschaften vor und nach der Schwingungsanregung in den Anregungs- Teilbereichen.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, theological properties (flow and material properties) of the material are recorded in at least one detection area downstream of the excitation partial areas in which the material is vibrated. Preferably, a first detection of rheological properties of the material takes place in a first detection area upstream of the excitation partial areas and a second detection of rheological properties of the material takes place downstream of the excitation partial areas. This allows the results and thus the effectiveness of the vibration excitation to be assessed by comparing the theological properties before and after the vibration excitation in the excitation sections.
Die Erfassung rheologischer Eigenschaften erfolgt vorzugsweise nicht-intrusiv, z.B. indem man zunächst die Fluid-Geschwindigkeitsprofile mittels Ultraschall-Doppler- Methode bestimmt und zusätzlich den Druckunterschied im Bereich des erfassten Geschwindigkeitsprofils entlang der Strömungsrichtung misst oder die Fluid- Wandschubspannung mit einem geeigneten Sensor misst. Hieraus lassen sich dann wichtige Theologische Parameter wie z.B. der Strömungsindex beim Potenzgesetz- Modell des Fluids oder die Fliessgrenze des Fluids bestimmen. Zweckmässigerweise werden all diese Schritte während des Umformens und/oder Erstarrens des Materials durchgeführt.The rheological properties are preferably recorded non-intrusively, e.g. by first determining the fluid velocity profiles using an ultrasound Doppler method and additionally measuring the pressure difference in the area of the recorded velocity profile along the direction of flow or measuring the fluid wall shear stress with a suitable sensor. Important theological parameters such as e.g. determine the flow index in the power law model of the fluid or the yield point of the fluid. All these steps are expediently carried out during the shaping and / or solidification of the material.
Alternativ oder ergänzend kann die Erfassung rheologischer Eigenschaften des Materials mittels eines Kapillar-Rheometers und/oder mittels eines Rotations-Rheometers offline erfolgen. Dies stellt eine Kontrolle für die in-line durchgeführte nicht-intrusive Vorgehensweise des vorhergehenden Absatzes dar.
Die Erfassung der rheologischen Eigenschaften des Materials kann auch durch Erfassen der Ausbreitungseigenschaften (Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption) mechanischer Wellen (Erfassungswellen) in dem Material erfolgen. Auf diese Weise kann z.B. die Kristallit-Konzentration in der Schmelze erfasst werden.Alternatively or additionally, the rheological properties of the material can be recorded offline using a capillary rheometer and / or using a rotary rheometer. This is a control for the in-line non-intrusive approach of the previous paragraph. The rheological properties of the material can also be recorded by recording the propagation properties (speed of sound, sound absorption) of mechanical waves (detection waves) in the material. In this way, for example, the crystallite concentration in the melt can be recorded.
Zweckmässigerweise verwendet man für die mechanischen Wellen zur Erfassung der rheologischen Eigenschaften eine andere Frequenz bzw. andere Frequenzen als für die mechanischen Wellen zur Schwingungsanregung in den Anregungs-Teilbereichen. Dadurch lassen sich Verwechslungen am Sensor (Ultraschall-Empfänger) vermeiden.It is expedient to use a different frequency or different frequencies for the mechanical waves to record the rheological properties than for the mechanical waves to excite vibrations in the partial excitation areas. This prevents confusion on the sensor (ultrasound receiver).
In Ausnahmefällen können aber die mechanischen Wellen (Ultraschall-Wellen) zur Erfassung der rheologischen Eigenschaften dieselbe Frequenz bzw. dieselben Frequenzen haben wie die mechanischen Wellen zur Schwingungsanregung in den Anregungs- Teilbereichen. Dadurch kann der apparative Aufwand (Zahl der Ultraschall-Sender) gering gehalten werden.In exceptional cases, however, the mechanical waves (ultrasonic waves) for recording the rheological properties can have the same frequency or the same frequencies as the mechanical waves for vibration excitation in the excitation sub-areas. As a result, the outlay on equipment (number of ultrasound transmitters) can be kept low.
Zur Bestimmung rheologischer Eigenschaften des Materials kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Erfassungswellen bestimmter Frequenz gemessen werden. Inhomogenitäten oder Eigenschaftsgradienten in dem Material können durch Erfassen des Reflexionsverhaltens und/oder Beugungsverhaltens der Erfassungswellen bestimmt werden. Inhomogenitäten oder Eigenschaftsgradienten in dem Material können auch durch Erfassen des Dämpfungsverhaltens der Erfassungswellen bestimmt werden. Zur Messung der Konzentration von Kristalliten und oder Kristallisationskeimen in dem Material führt man eine Messung der Ultraschall-Geschwindigkeit in dem Material durch und nutzt den Zusammenhang mit der Ultraschall-Geschwindigkeit.To determine the rheological properties of the material, the speed of propagation of the detection waves of a certain frequency can be measured. Inhomogeneities or property gradients in the material can be determined by detecting the reflection behavior and / or diffraction behavior of the detection waves. Inhomogeneities or property gradients in the material can also be determined by detecting the damping behavior of the detection waves. To measure the concentration of crystallites and or crystallization nuclei in the material, the ultrasound speed is measured in the material and the relationship with the ultrasound speed is used.
Besonders vorteilhaft erfolgt die Lokalisierung von Kristallisationsfronten in dem erstarrenden Material durch Erfassen des Reflexionsverhaltens und/oder Beugungsverhaltens der Ultraschallwellen in dem Material.The localization of crystallization fronts in the solidifying material is particularly advantageously carried out by detecting the reflection behavior and / or diffraction behavior of the ultrasound waves in the material.
Zur Bestimmung der Viskositätsfunktion (Scherviskosität) des Materials wird eine Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes quer zur Transportrichtung in einem Bereich des Materials und eine Bestimmung der Druckdifferenz entlang der Transportrichtung des
Materials in dem Bereich und/oder am Rand des Bereichs des Materials durchgeführt (Kombination von Ultraschall-Doppler-Methode und Druckdifferenz-Messung).To determine the viscosity function (shear viscosity) of the material, a determination of the speed field transverse to the transport direction in a region of the material and a determination of the pressure difference along the transport direction of the Material carried out in the area and / or at the edge of the area of the material (combination of ultrasonic Doppler method and pressure difference measurement).
Alternativ kann die Bestimmung der Viskositätsfunktion (Scherviskosität) des Materials durch eine Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes quer zur Transportrichtung in einem Bereich des Materials und eine Bestimmung der Schubspannung entlang der Transportrichtung des Materials in dem Bereich und/oder am Rand des Bereichs des Materials durchgeführt werden.Alternatively, the determination of the viscosity function (shear viscosity) of the material can be carried out by determining the speed field transverse to the direction of transport in a region of the material and determining the shear stress along the direction of transport of the material in the region and / or at the edge of the region of the material.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgt in Abhängigkeit von den erfassten rheologischen Eigenschaften des Fluids eine An- steuerung mindestens einer der folgenden Massnahmen oder physikalischen Grossen zumindest in den Anregungs-Teilbereichen:In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, at least one of the following measures or physical parameters are triggered, depending on the rheological properties of the fluid, at least in the excitation subregions:
1 ) Schwingungsanregung;1) vibration excitation;
2) Impfkristallisation;2) seed crystallization;
3) Förder-Druckdifferenz;3) delivery pressure difference;
4) absoluter Druck;4) absolute pressure;
5) Temperatur.5) temperature.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführung werden die in dem ersten Erfassungsbereich stromauf von den Anregungs-Teilbereichen erfassten rheologischen Eigenschaften des Materials und die in dem zweiten Erfassungsbereich stromab von den Anregungs-Teilbereichen erfassten rheologischen Eigenschaften des Materials miteinander und/oder mit jeweiligen rheologischen Referenzeigenschaften verglichen, wobei in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs bzw. der Vergleiche eine Rückkopplung innerhalb eines Regelkreises zur Ansteuerung der Schwingungsanregung in den Anregungs-Teilbereichen erfolgt.In a particularly preferred embodiment, the rheological properties of the material detected in the first detection area upstream of the excitation partial areas and the rheological properties of the material detected in the second detection area downstream of the excitation partial areas are compared with one another and / or with respective rheological reference properties, wherein depending on the result of the comparison or comparisons, feedback takes place within a control loop for controlling the vibration excitation in the excitation sub-areas.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäss der Erfindung vorrichtungsmässig dadurch gelöst, dass der eine Heizeinheit, eine Formeinheit, eine Giesseinheit und eine Dosiereinheit aufweisenden Vorrichtung zumindest in Teilbereichen mindestens eine Einheit zur Erzeugung mechanischer Schwingungen zugeordnet ist.
Vorzugsweise weist die Einheit zur Erzeugung mechanischer Schwingungen eine in Schwingungen versetzbare Fläche auf, die mit dem kristallisierbaren flüssigen oder pastösen Material in Wirkverbindung steht, wobei insbesondere die in Schwingungen versetzbare Fläche der Schwingungserzeugungseinheit unmittelbar oder mittelbar an das kristallisierbare flüssige oder pastöse Material angrenzt. Das unmittelbare Angrenzen der in Schwingungen versetzbaren Fläche an das Material ermöglicht das Einleiten von Schwingungen in das Material in einem örtlich definierten und begrenzten Bereich des Materials, während die mittelbare Anordnung Teile der Vorrichtung in Schwingung versetzt (Körperschall), so dass in der Regel eine weniger definierte und örtlich weniger begrenzte Einleitung mechanischer Schwingungen in das Material erfolgt.According to the invention, the object of the invention is achieved in that the device having a heating unit, a molding unit, a casting unit and a metering unit is assigned at least in some areas to at least one unit for generating mechanical vibrations. The unit for generating mechanical vibrations preferably has a vibratable surface which is operatively connected to the crystallizable liquid or pasty material, in particular the vibratable surface of the vibration generating unit directly or indirectly adjacent to the crystallizable liquid or pasty material. The immediate bordering of the vibratable surface to the material allows vibrations to be introduced into the material in a locally defined and limited area of the material, while the indirect arrangement causes parts of the device to vibrate (structure-borne noise), so that usually one less Defined and less localized introduction of mechanical vibrations into the material.
Zweckmässigerweise ist bei der erfindungsgemässen Vorrichtung mindestens der Heizeinheit oder der Giesseinheit oder der Formeinheit oder der Dosiereinheit eine Einheit zur Erzeugung mechanischer Schwingungen zugeordnet.In the device according to the invention, at least one unit for generating mechanical vibrations is expediently assigned to the heating unit or the casting unit or the molding unit or the metering unit.
Der erfindungsgemässen Vorrichtung kann zumindest in Teilbereichen auch eine Einheit zur Einleitung von Kristallisationskeimen in das Material zugeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist dies im Heizbereich und im Dosierbereich der Vorrichtung, bevor das Material in den Giessbereich und den Formbereich der Vorrichtung gelangt, in denen hohe Drücke auftreten.A unit for introducing crystallization nuclei into the material can also be assigned to the device according to the invention, at least in some areas. This is particularly advantageous in the heating area and in the metering area of the device before the material reaches the casting area and the molding area of the device, in which high pressures occur.
Weiterhin kann die erfindungsgemässe Vorrichtung in ihren kanalartigen Bereichen mindestens eine Querschnittsverengung oder eine Querschnittserweiterung entlang der Strömungsrichtung des Materials aufweisen und/oder einen Schlitz oder eine Düse aufweisen. Dies ermöglicht die Erzeugung der weiter oben erwähnten Dehnströmungen, Druckströmungen oder Scherströmungen in dem Material.Furthermore, the device according to the invention can have at least one cross-sectional constriction or cross-sectional widening along the flow direction of the material in its channel-like regions and / or have a slot or a nozzle. This enables the stretching, pressure or shear flow mentioned above to be generated in the material.
Bei einer weiteren Ausführung können dem mindestens einen Teilbereich der Vorrichtung, insbesondere aber der Formeinheit, mehrere voneinander beabstandete Einheiten zur Erzeugung mechanischer Schwingungen zugeordnet sein. Dadurch lassen sich z.B. die weiter oben erwähnten Interferenzmuster bzw. dreidimensionale stehenden Wellen
in dem mit Material gefüllten Formhohlraum vor der Verfestigung des Materials erzeugen.In a further embodiment, the at least one partial area of the device, but in particular the molding unit, can be assigned a plurality of units spaced apart from one another for generating mechanical vibrations. This allows, for example, the interference pattern or three-dimensional standing waves mentioned above in the mold cavity filled with material prior to solidification of the material.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemässe Vorrichtung in mindestens einem ihrer Teilbereiche auch noch eine Einheit zur Erfassung rheologischer Eigenschaften des in ihr befindlichen Materials auf. Dies ermöglicht eine Überwachung und bei Bedarf eine Steuerung und/oder Regelung der rheologischen Eigenschaften des Materials während seiner Verarbeitung in der erfindungsgemässen Vorrichtung.The device according to the invention preferably also has a unit for recording rheological properties of the material contained in it in at least one of its partial areas. This enables monitoring and, if necessary, control and / or regulation of the rheological properties of the material during its processing in the device according to the invention.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine der Formhälften Ausstossstifte aufweist, von denen mindestens einer durch eine Schwingungserzeugungseinheit in mechanische Schwingungen versetzbar ist. Da die Ausstossstifte sowieso mit der Schmelze in Berührung stehen und in manchen Fällen sogar in die Schmelze und somit in das später erstarrte Gussteil hineinragen, kann eine besonders gute Verteilung der mechanischen Schwingungsenergie in der Schmelze erzielt werden.It is particularly advantageous if at least one of the mold halves has ejection pins, at least one of which can be set into mechanical vibrations by an oscillation generation unit. Since the ejection pins are in contact with the melt anyway and in some cases even protrude into the melt and thus into the later solidified casting, a particularly good distribution of the mechanical vibration energy in the melt can be achieved.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung, insbesondere bei einer Druckgiessanlage, ist ein Angusssystem zwischen der Schusseinheit und dem Formhohlraum angeordnet, wobei dem Angusssystem mindestens eine Schwingungserzeugungseinheit zugeordnet ist, mit der eine Konditionierung der Schmelze kurz vor dem Eintritt in den Formhohlraum möglich ist.In the device according to the invention, in particular in a die casting system, a sprue system is arranged between the shot unit and the mold cavity, with the sprue system being assigned at least one vibration generation unit, with which the melt can be conditioned shortly before entering the mold cavity.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend aufzufassenden erfindungsgemässen Ausführungsbeispiels anhand einer einzigen Figur.Further advantages, features and possible uses of the invention result from the following description of an exemplary embodiment according to the invention, which is not to be understood as restrictive, with reference to a single figure.
In der Figur ist eine Kaltkammer-Druckgiessmaschine als veranschaulichendes Beispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung schematisch gezeigt.In the figure, a cold chamber die casting machine is shown schematically as an illustrative example of a device according to the invention.
In einem Schmelztiegel 1 befindet sich ein kristallisierbares geschmolzenes Material, wie z.B. eine Leichtmetall-Legierung, insbesondere eine Al-Mg-Legierung. Mittels elektrischer Heizelemente 2, die den Schmelztiegel umgeben, wurde sie in den flüssigen Zustand gebracht und wird in diesem Zustand gehalten (temperiert). Der Schmelztiegel
1 und die elektrischen Heizelemente 2 bilden zusammen die Heizeinheit der erfindungsgemässen Vorrichtung.In a crucible 1 there is a crystallizable molten material, such as a light metal alloy, in particular an Al-Mg alloy. By means of electrical heating elements 2, which surround the crucible, it was brought into the liquid state and is kept in this state (tempered). The melting pot 1 and the electrical heating elements 2 together form the heating unit of the device according to the invention.
Ein zylindrischer Giesskolben 3 ist in einer zylindrischen Giesskammer 4 gleitend gelagert. Zusammen 3, 4 bilden sie die Schusseinheit der erfindungsgemässen Vorrichtung.A cylindrical casting piston 3 is slidably mounted in a cylindrical casting chamber 4. Together 3, 4 they form the firing unit of the device according to the invention.
Eine erste Formhälfte 5 und eine an ihr anliegende zweite Formhälfte 6 bestimmen gemeinsam einen Formhohlraum 7. Die beiden Formhälften 5, 6 bilden zusammen die Formeinheit der erfindungsgemässen Vorrichtung.A first mold half 5 and a second mold half 6 lying against it together define a mold cavity 7. The two mold halves 5, 6 together form the mold unit of the device according to the invention.
Eine pneumatische Druckleitung 8 ermöglicht die Zufuhr von Druckluft von einer pneumatischen Druckquelle 19 in die Schmelztiegelkammer 10. Eine Steigleitung 9 für das geschmolzene Material verbindet den Schmelztiegelinhalt mit der Giesskammer 4. Je nach der Grosse des über die pneumatische Druckleitung 8 angelegten Drucks wird mehr oder weniger viel geschmolzenes Material in die Giesskammer 4 befördert. Die pneumatische Druckleitung 8, die pneumatische Druckquelle 19, die Steigleitung 9 und die Schmelztiegelkammer 10 bilden gemeinsam die Dosiereinheit der erfindungsgemässen Vorrichtung.A pneumatic pressure line 8 enables the supply of compressed air from a pneumatic pressure source 19 into the crucible chamber 10. A riser 9 for the molten material connects the contents of the crucible to the casting chamber 4. Depending on the magnitude of the pressure applied via the pneumatic pressure line 8, more or less much molten material is conveyed into the casting chamber 4. The pneumatic pressure line 8, the pneumatic pressure source 19, the riser 9 and the crucible chamber 10 together form the dosing unit of the device according to the invention.
Die erste Formhälfte 5 ist mit einer beweglichen Aufspannplatte 13 verbunden, während die zweite Formhälfte 6 mit einer feststehenden Aufspannplatte 14 verbunden ist. Oberhalb der durch die beiden Formhälften 5, 6 gebildeten Formeinheit befindet sich ein Trennmittel-Sprühelement 12.The first mold half 5 is connected to a movable platen 13, while the second mold half 6 is connected to a fixed platen 14. A release agent spray element 12 is located above the mold unit formed by the two mold halves 5, 6.
Der Giesskolben 3 der Schusseinheit ist über ein Gestänge 18 mit einem Hydraulik- Kolben 15 verbunden, der in einem Hydraulik-Zylinder 16 gleitend gelagert ist. Eine hydraulische Druckleitung 17 verbindet den Hydraulik-Zylinder 16 mit einer hydraulischen Druckquelle 11.The casting piston 3 of the firing unit is connected via a linkage 18 to a hydraulic piston 15 which is slidably mounted in a hydraulic cylinder 16. A hydraulic pressure line 17 connects the hydraulic cylinder 16 to a hydraulic pressure source 11.
Die Kaltkammer-Druckgiessmaschine weist mehrere Schwingungserzeugungsgeinhei- ten S1 - S11 auf, die im folgenden kurz als "Einheit" bezeichnet werden. Eine solche Einheit kann z.B. ein piezoelektrisches Element für die Erzeugung mechanischer
Schwingungen im Ultraschallbereich sein. Je nach Bedarf können grossflächige oder punktuelle Einheiten verwendet werden.The cold chamber die casting machine has a plurality of vibration generating units S1-S11, which are referred to in the following as "unit". Such a unit can, for example, be a piezoelectric element for generating mechanical ones Vibrations in the ultrasonic range. Depending on the needs, large or selective units can be used.
Die Einheiten S1 und S2 sind mit der Oberseite bzw. der Unterseite der beweglichen ersten Formhälfte 5 verbunden. Ähnlich sind die Einheiten S3 und S4 mit der Oberseite bzw. der Unterseite der festen zweiten Formhälfte 6 verbunden. Die Einheit S5 ist der Giesskammer 4 zugeordnet, während die Einheit S6 der Steigleitung 9 zugeordnet ist. Die Einheit S7 ist mit der Schmelztiegelkammer 10 verbunden, und die Einheit S8 ist mit der hydraulischen Druckleitung 17 verbunden. Im Gegensatz zu den Einheiten S1 - S8 stehen die temperatur- und druckbeständigen Einheiten S9 und S10 unmittelbar mit dem geschmolzenen Material im Formhohlraum 7 in Berührung. Alternativ können auch die Einheiten S5, S6 und S7 so ausgelegt sein, dass sie mit der Schmelze unmittelbar in Berührung stehen.The units S1 and S2 are connected to the top and bottom of the movable first mold half 5. Similarly, the units S3 and S4 are connected to the top and bottom of the fixed second mold half 6, respectively. The unit S5 is assigned to the casting chamber 4, while the unit S6 is assigned to the riser 9. The unit S7 is connected to the crucible chamber 10, and the unit S8 is connected to the hydraulic pressure line 17. In contrast to the units S1-S8, the temperature and pressure-resistant units S9 and S10 are in direct contact with the molten material in the mold cavity 7. Alternatively, the units S5, S6 and S7 can also be designed so that they are in direct contact with the melt.
Ähnlich wie die Einheit S10 kann auch die Einheit S9 unmittelbar an die Schmelze angrenzend angeordnet sein. Vorzugsweise verwendet man hierfür die (nicht gezeigten) Ausstossstifte an der beweglichen Formhälfte 5. Ergänzend können auch an der festen Formhälfte 6 (nicht gezeigte) Schwingungserzeugungseinheiten, z.B. ebenfalls in Verbindung mit Ausstossstiften (nicht gezeigt), angebracht sein.Similar to the unit S10, the unit S9 can also be arranged directly adjacent to the melt. The ejector pins (not shown) on the movable mold half 5 are preferably used for this purpose. In addition, vibration generating units (not shown) can also be used on the fixed mold half 6, e.g. also in connection with ejector pins (not shown).
Auch dem die Giesskammer 4 mit dem Formhohlraum 7 verbindenden Angusssystem 20 ist mindestens eine Einheit S11 zugeordnet. So kann die Schmelze kurz vor ihrem Eintritt in den Formhohlraum 7 konditioniert werden. Bei einem aus mehreren parallelen Kanälen bestehenden mehrkanaligen Angusssystem können insgesamt mehrere gesonderte Einheiten zwischen den einzelnen Kanälen angeordnet. Insbesondere kann z.B. jedem Kanal eine derartige Einheit zugeordnet sein.At least one unit S11 is also assigned to the sprue system 20 connecting the casting chamber 4 to the mold cavity 7. The melt can thus be conditioned shortly before it enters the mold cavity 7. In the case of a multichannel sprue system consisting of several parallel channels, a total of several separate units can be arranged between the individual channels. In particular, e.g. such a unit can be assigned to each channel.
Der Betrieb der gezeigten Kaltkammer-Druckgiessmaschine erfolgt zyklisch.The cold chamber die casting machine shown is operated cyclically.
Zunächst befinden sich die beiden Formhälften 5, 6 in einer voneinander beabstandeten Stellung (nicht gezeigt), so dass der Formhohlraum 7 nach aussen offen ist und ein zuvor gegossener Gegenstand nach seiner Verfestigung aus der Formeinheit 5, 6 entnommen werden konnte. Der Giesskolben 3 und der Hydraulik-Kolben 15 befinden sich
in ihrer am weitesten rechts gelegenen Stellung (nicht gezeigt). In dieser geöffneten Stellung (nicht gezeigt) werden die Innenflächen des Formhohlraums 7 durch das Trennmittel-Sprühelement 12 mit Trennmittel besprüht.First, the two mold halves 5, 6 are in a spaced apart position (not shown), so that the mold cavity 7 is open to the outside and a previously cast object could be removed from the molding unit 5, 6 after it has solidified. The casting piston 3 and the hydraulic piston 15 are located in its rightmost position (not shown). In this open position (not shown), the inner surfaces of the mold cavity 7 are sprayed with release agent by the release agent spray element 12.
Um nun einen weiteren Gegenstand zu giessen, werden durch eine Bewegung der beweglichen Aufspannplatte 13 nach rechts die beiden Formhälften 5, 6 aneinanderge- bracht, so dass der Formhohlraum 7 (bis auf eine nicht gezeigte Entgasungsöffnung) geschlossen ist. Anschliessend wird eine dosierte Menge des geschmolzenen Materials aus dem Schmelztiegel 1 über die Steigleitung 9 in die Giesskammer 4 befördert, indem man über die pneumatische Druckleitung 8 während einer bestimmten Zeitdauer den Gasdruck über der Flüssigkeitsoberfläche im Schmelztiegel 1 erhöht.In order to cast another object, the two mold halves 5, 6 are brought together by moving the movable platen 13 to the right, so that the mold cavity 7 is closed (except for a degassing opening, not shown). A metered amount of the molten material is then conveyed from the crucible 1 via the riser 9 into the casting chamber 4 by increasing the gas pressure above the liquid surface in the crucible 1 via the pneumatic pressure line 8 for a certain period of time.
Sobald die Giesskammer 4 einen bestimmten Füllgrad erreicht hat, wird die hydraulische Druckquelle 11 aktiviert, um einen hydraulischen Druck auf den Hydraulik-Kolben 15 auszuüben, der sich dann von rechts nach links bewegt. Über das Gestänge 18 und den Giesskolben 3 wird somit die zuvor in die Giesskammer 4 dosierte Schmelze aus der Giesskammer 4 in den Formhohlraum 7 "geschossen", in der sie während einer bestimmten Zeitdauer bis zum Erstarren gehalten wird, bevor die Formeinheit 5, 6 erneut geöffnet und der gegossene fertige Gegenstand entnommen wird.As soon as the casting chamber 4 has reached a certain filling level, the hydraulic pressure source 11 is activated in order to exert a hydraulic pressure on the hydraulic piston 15, which then moves from right to left. Via the linkage 18 and the casting piston 3, the melt previously metered into the casting chamber 4 is thus "shot" from the casting chamber 4 into the mold cavity 7, in which it is held until it solidifies for a certain period of time before the molding unit 5, 6 again opened and the cast finished object is removed.
Der Giesszyklus wiederholt sich nun für das Giessen eines weiteren Gegenstands.The casting cycle is now repeated for casting another object.
Die erfindungsgemässe Ausstattung der Kaltkammer-Druckgiessmaschine mit den Schwingungserzeugungseinheiten S1 - S11 ermöglicht eine Beeinflussung des kristallisierbaren geschmolzenen Materials in verschiedenen Bereichen der Druckgiessma- schine:The equipment according to the invention of the cold chamber die casting machine with the vibration generating units S1 - S11 enables the crystallizable molten material to be influenced in different areas of the die casting machine:
Mit den Einheiten S1 , S2, S3, S4 und vor allem mit der Einheit S9 und ggf. auch mit der Einheit S10 kann z.B. das Kristallisationsverhalten der Schmelze in dem Formhohlraum 7 während ihrer Abkühlung durch geeignete Schwingungsfrequenzen beeinflusst werden. Auf diese Weise können das mikroskopische Gefüge und somit die Materialeigenschaften des entstehenden Gussteils gezielt beeinflusst werden.
Mit den Einheiten S5, S6 und S10 lassen sich z.B. die Fliesseigenschaften der Schmelze in der Giesskammer 4 bzw. in der Steigleitung 9 gezielt beeinflussen, indem man einerseits die rheologischen Eigenschaften der an den schwingenden Einheiten S5 und S6 vorbeiströmenden Schmelze beeinflusst und andererseits die Wandreibung zwischen der strömenden Schmelze und der schwingenden Innenwand herabsetzt.With units S1, S2, S3, S4 and especially with unit S9 and possibly also with unit S10, for example, the crystallization behavior of the melt in the mold cavity 7 can be influenced by suitable oscillation frequencies during its cooling. In this way, the microscopic structure and thus the material properties of the casting can be influenced. With units S5, S6 and S10, for example, the flow properties of the melt in the casting chamber 4 or in the riser 9 can be specifically influenced, on the one hand, by influencing the rheological properties of the melt flowing past the vibrating units S5 and S6, and on the other hand, the wall friction between the flowing melt and the vibrating inner wall.
Die von der Einheit S7 stammenden und über die Schmelztiegelkammer 10 und den Schmelztiegel 1 auf die Schmelze übertragenen Schwingungen eignen sich z.B. zur Beeinflussung der Kristallisation in der Schmelze. Insbesondere in Verbindung mit der Zugabe von Impfkristallen in die Schmelze kann eine gezielte und mit der durch die Einheiten S1 - S5 erzeugten Einwirkung abgestimmte Beeinflussung der Schmelze erreicht werden.The vibrations originating from the unit S7 and transmitted to the melt via the crucible chamber 10 and the crucible 1 are suitable e.g. to influence the crystallization in the melt. In particular in connection with the addition of seed crystals in the melt, a targeted influencing of the melt can be achieved which is coordinated with the action generated by the units S1-S5.
Die Einheit S8 ermöglicht z.B. die Überlagerung einer hochfrequenten Ultraschall- Schwingung und deren entsprechend hochfrequenten Druckschwankungen einerseits mit dem durch die hydraulische Druckquelle 11 aufgebauten Druckanstieg für den "Schuss" der Schmelze aus der Giesskammer 4 in den Formhohlraum 7. Dies, insbesondere in zeitlicher Abstimmung mit der (nicht dargestellten) Entgasung des sich mit Schmelze füllenden Formhohlraums 7 und unterstützt durch die Einwirkung der Einheiten S1 , S2, S3, S4 und S9, verbessert das Eindringen der Schmelze auch in filigrane Bereiche des Formhohlraums 7, wodurch das erzielte Druckgiess-Ergebnis verbessert oder dasselbe Ergebnis mit weniger Druckaufwand durch die hydraulische Druckquelle 11 erzielt werden kann.The unit S8 enables e.g. the superimposition of a high-frequency ultrasonic vibration and its correspondingly high-frequency pressure fluctuations on the one hand with the pressure increase built up by the hydraulic pressure source 11 for the "shot" of the melt from the casting chamber 4 into the mold cavity 7. This, in particular in coordination with the time (not shown) Degassing the mold cavity 7 filling with melt and supported by the action of the units S1, S2, S3, S4 and S9, also improves the penetration of the melt into filigree areas of the mold cavity 7, thereby improving the die casting result achieved or the same result with less Pressure expenditure can be achieved by the hydraulic pressure source 11.
Die Einheit S10 ist an der dem geschmolzenen Material in der Giesskammer 4 zugewandten Oberfläche des Giesskolbens 3 angeordnet und ermöglicht eine Konditionie- rung der Schmelze im Zusammenspiel mit der Einheit S5.The unit S10 is arranged on the surface of the casting piston 3 facing the molten material in the casting chamber 4 and enables the melt to be conditioned in interaction with the unit S5.
Die Einheit S11 ist im Bereich des Angusssystems 20 angeordnet und ermöglicht ebenfalls eine Konditionierung der Schmelze kurz vor ihrem Eintritt in den Formhohlraum 7.The unit S11 is arranged in the region of the sprue system 20 and also enables the melt to be conditioned shortly before it enters the mold cavity 7.
Durch die Vielzahl der an verschiedenen Bereichen der erfindungsgemässen Vorrichtung verwendeten Schwingungserzeugungseinheiten S1 — S11 kann das zu bearbei-
tende Material je nach dem Bereich, in dem es sich gerade befindet, mit unterschiedli chen Frequenzen und/oder Amplituden und mit jeweils unterschiedlicher räumlicher Verteilung der Schwingungsanregung (punktuell, grossflächig) konditioniert werden.
Due to the large number of vibration generating units S1 - S11 used in different areas of the device according to the invention, this can be processed. material depending on the area in which it is located, with different frequencies and / or amplitudes and each with different spatial distribution of the vibration excitation (selective, large area).
Bezugszeichenreference numeral
1 Schmelztiegel1 crucible
2 elektrische Heizelemente2 electric heating elements
3 Giesskolben3 casting pistons
4 Giesskammer4 casting chamber
5 erste Formhälfte (beweglich)5 first mold half (movable)
6 zweite Formhälfte (fest)6 second mold half (fixed)
7 Formhohlraum7 mold cavity
8 pneumatische Druckleitung8 pneumatic pressure lines
9 Steigleitung9 riser
10 Schmelztiegelkammer10 crucible chamber
1 1 hydraulische Druckquelle1 1 hydraulic pressure source
12 Trennmittel-Sprühelement12 release agent spray element
13 bewegliche Aufspannplatte13 movable platen
14 feststehende Aufspannplatte14 fixed platen
15 Hydraulik-Kolben15 hydraulic pistons
16 Hydraulik-Zylinder16 hydraulic cylinders
17 hydraulische Druckleitung17 hydraulic pressure line
18 Gestänge18 rods
19 pneumatische Druckquelle19 pneumatic pressure source
20 Angusssystem20 sprue system
S1-S11 Schwingungserzeugungseinheit
S1-S11 vibration generating unit