WO2010094266A2 - Verfahren und giessanlage zur gerichteten erstarrung eines gusskörpers aus aluminium oder einer aluminiumlegierung - Google Patents

Verfahren und giessanlage zur gerichteten erstarrung eines gusskörpers aus aluminium oder einer aluminiumlegierung Download PDF

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WO2010094266A2
WO2010094266A2 PCT/DE2010/000158 DE2010000158W WO2010094266A2 WO 2010094266 A2 WO2010094266 A2 WO 2010094266A2 DE 2010000158 W DE2010000158 W DE 2010000158W WO 2010094266 A2 WO2010094266 A2 WO 2010094266A2
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cooling
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Heiko Voigt
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Actech Gmbh
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045—Directionally solidified castings

Definitions

  • the invention relates to a method and a casting installation for the directional solidification of a casting of aluminum or an aluminum alloy by introducing a filled casting mold into a cooling medium.
  • DE 42 16 870 C2 discloses a method for the directional solidification of a cast body made of aluminum or an aluminum-containing alloy by the precision casting method.
  • a casting mold made of ceramic with porous walls is used, which is immersed for cooling and directional solidification of the melt in a cooling liquid.
  • the casting mold is continuously immersed in the cooling liquid, with the solidification front between the melt and the solidified metal moving in the direction of the free melt surface.
  • the immersion speed of the casting mold into the cooling liquid, the thickness and the porosity of the casting mold wall and the viscosity and the density of the cooling liquid are coordinated so that, viewed in the direction of movement of the solidification front, the penetration zone lags behind the solidification front.
  • the immersion speed was set to a value between 10 mm / min and 200 mm / min, the wall thickness of the mold to a value between 4 mm and 20 mm and its porosity in a range between 20 VoI -% and 65 VoI -%.
  • the subject of DE 28 15 818 A1 is a pouring device for the directed solidification of molten metal, which allows a gradual lowering of a heated mold from an oven into a cooling bath. Between the open end of the furnace and the liquid cooling bath, a heat-insulating partition plate is arranged which floats on the bath surface. Below the heating furnace is a tank of cooling liquid which is maintained at a desired temperature level by heating elements and cooling coils when the hot mold is immersed.
  • solidification is carried out by movement of the casting mold relative to the heat and cold source.
  • the heat output of the heat source is controlled in accordance with a continuous, carried out with thermocouple temperature measurement.
  • the rate of migration of the solidification front is on the order of a fraction of a centimeter to a few centimeters per hour.
  • the traveling speed is kept at a constant value.
  • a constant cooling rate at a cross-sectional change of the casting is disadvantageous.
  • EP 10 538 B1 describes a method for directional solidification with a mathematically calculated cooling rate in a turbine blade.
  • the calculated cooling rate refers exclusively to the transition of a change in cross section according to a predetermined mathematical relationship between the speed and the time. This is to achieve a uniform transition function between two different cross sections, excluding a step function. In this way, errors in the microstructure of the solidified casting are to be avoided with simple cross-sectional changes.
  • the rate of retraction over time will indicate as a function of the change in the ratio of cross sectional area to cross sectional area that occurs over the length of the casting when the nominal solidification interface is near the change, so that the velocity of the solidification interface motion will be the same as the ratio of the Circumference to the cross-sectional area changes.
  • the object of the invention is to provide a method for the directional solidification of a complex casting of aluminum or an aluminum alloy by lowering the mold into a cooling medium, which allows directional solidification at different cross-sections and high component complexities. At the same time a casting plant to carry out this process should be created.
  • This object is achieved by the mold in a continuous furnace before, during and after the casting at least heated to the liquidus and kept at the liquidus, then poured and poured after casting with one of a CAD dataset of the mold and / or the casting dependent
  • Speed is introduced by a computer-controlled manipulation unit depending on the direction vector of solidification in a cooling medium such that a directional solidification of the cast body is effected by a programmable logic controller.
  • a casting plant which has a continuous furnace for heating the casting mold and a cooling basin with a cooling medium, wherein the casting mold with the casting is arranged in a container which can be lowered into the cooling medium with a computer-controlled manipulation unit, wherein the manipulation unit is equipped with a continuously variable drive whose drive control is connected to a programmable logic controller and control technology with a process computer.
  • the solidification can be controlled on the basis of the casting geometry available as a CAD data set.
  • This data electronically controls the immersion speed of the fine gravel tube into the cooling medium.
  • the cast structure can be optimized.
  • a data set is decomposed by layer decomposition along a directional vector defined by the solidification front into two-dimensional layers with predeterminable layer thickness and then a solidification simulation of the individual layer data over time variable resulting rate of introduction (lowering speed) calculated in the cooling medium.
  • the lowering speed is controlled as a function of the ratio of the cross-sectional area and its circumference in relation to the cumulative layer thickness.
  • the calculation of the lowering speed is based on the time function determined by the solidification simulation, with which a corresponding path-time diagram is generated and subsequently transferred to the process computer of the casting plant.
  • thermal conductivity coefficients For modeling and creating the process parameters, additional information about available materials such as thermal conductivity coefficients, heat capacity, and cooling-specific parameters can be retrieved from a database connected to the computer.
  • a programmable logic controller / PLC the actual temperatures of the continuous furnace and cooling medium can be taken into account during the lowering for more precise process control.
  • the advantage of using a programmable logic controller / PLC is primarily that the process sequence of directional solidification can be linked directly with the process data from the solidification simulation and the process can be controlled in a controlled manner.
  • This real-time control makes it possible to realize the directional solidification as a function of the geometric layer data such as surface area, circumference and layer thickness of each individual cross section of the casting mold including casting and casting system in relation to the actual temperatures of the continuous furnace and of the cooling medium.
  • the actual temperature is recorded in the continuous furnace and in the cooling medium by thermocouples, so that temperature deviations, caused by different degrees of heat input of complex casting screws over the total height of the casting grape in the cooling medium, can be constantly monitored.
  • the heat released during the cooling of the casting can be determined and the directed solidification can be influenced in a targeted manner.
  • the proportion of the released heat may differ significantly from the linear course.
  • the proposed method can influence the solidification process geometric variables and material Factors to be considered in the process of optimal directional solidification.
  • the directional solidification of casting screws with various complex castings and molds grown on a casting grape can be improved or even made possible.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a casting plant according to the invention for the production and directional solidification of a cast body in a schematic representation.
  • the proposed method of directional solidification differs from conventional casting methods essentially by the ability to computer-steer the solidification in the cast body 1 based on a previous solidification simulation.
  • the data obtained from the solidification simulation are sent to a
  • a casting plant with a liquid cooling medium is used, into which a cast-down casting mold 3 is immersed.
  • casting mold 3 is understood in the present case, in particular ceramic foundry molds for casting of precision castings.
  • the casting plant shown in Fig. 1 has a cooling tank 4 with liquid cooling medium.
  • a cooling medium for example, a polymer solution based on water, hardening oil, pure tin melt or molten salt is used.
  • the casting 1 may be any casting in a casting mold 3.
  • the field of application of directional solidification mainly extends to the field of producing precision castings of light metal, preferably aluminum or aluminum-containing materials, which are cast in ceramic foundry molds.
  • the method is also suitable for the production of castings which are cast in a casting mold 3 in the form of a casting grape.
  • Ceramic molds 3 may consist of various molding materials, which are heat-resistant for the casting of metals and which have a different material composition or a different content of organic or inorganic binders.
  • Such molding materials are in particular compositions of heat-resistant molding and core compositions consisting of a refractory mineral base, e.g. Quartz sand, magnesium oxide, zirconia, alumina, gypsum and a binder system.
  • a refractory mineral base e.g. Quartz sand, magnesium oxide, zirconia, alumina, gypsum and a binder system.
  • the casting mold 3 with the cast body 1 is located in a container 5, for example a basket, which is lowered into the cooling medium with a manipulation unit consisting of the assemblies 6 and 7.
  • the manipulation unit 6 - 7 is equipped with a computer-controlled drive, which is infinitely variable.
  • the drive control of the manipulation unit 6 - 7 is connected to the process computer 2 and the programmable logic controller / PLC control technology.
  • the specific lowering speed can be varied, for example, in a range of about 0.08 mm to 10.00 mm per second. It is also possible that the movement is interrupted in consideration of the solidification situation in individual process points, so that the lowering speed is at least briefly "zero".
  • the container or basket 5 with the mold 3 is located in a top and bottom open, heated continuous furnace 8 with a shielding hood 9 and a smaller lid 11 for heat shielding.
  • the continuous furnace 8 is required for tempering the mold 3 before casting and during the casting. In order to achieve a complete mold filling during casting and to avoid the uncontrolled Vorauseilen the solidification front when immersed in the cooling medium, the mold 3 is heated at least to the liquidus temperature of the cast body 1.
  • the cross sections of the casting system can be kept very small.
  • the mold 3 can be calm, turbolenzarm and rising filled.
  • the continuous furnace 8 is arranged with a support frame 12 above the cooling tank 4 with the cooling medium.
  • the manipulation unit 6 - 7 is controlled so that an optimal lowering speed can be realized in the cooling medium.
  • the continuous furnace 8 for example, with a Heat source can be heated in the form of a gas burner or an electric heater. As a control option for controlling the temperature switching off and switching on the heat source is provided.
  • an insulating layer is added to the cooling medium, which thermally shields the furnace atmosphere and the cooling medium.
  • the cooling tank 4 is equipped with a Temperier mecanickeit, not shown, which allows targeted cooling or heating of the cooling medium.
  • the cooling basin 4 can also be designed double-walled in order to temper the cooling medium indirectly. It is also possible for better circulation and circulation of the cooling medium to provide circulation pumps or other means for circulation.
  • the actual temperatures of continuous furnace 8 and cooling tank 4 are detected by thermocouples 14 and evaluated in the controller.
  • the mold 3 Before casting, the mold 3 is mounted on the container / basket 5 and retracted with the manipulation unit 6 - 7 in the continuous furnace 8 for preheating the mold 3.
  • the continuous furnace 8 is closed with the shielding hood 9 and the lid 11 upwards.
  • the operative connection to the cooling medium can be interrupted by arranging components between the continuous furnace 8 and the cooling basin 4, for example a displaceable separating device 13.
  • the gas burner or the electric heater of the continuous furnace 8 is turned on. Now, the continuous furnace 8 is heated with the mold 3 to a pre-defined temperature. After reaching this temperature and after a holding time, the lid 11 is removed. Through the thus accessible opening the melt can be introduced into the mold 3. During this process, the heat source continues to function to keep the melt liquid.
  • the cast-off casting mold 3 is discharged with the liquid melt computer-controlled in the cooling pool 4, wherein the lowering speed based on the data obtained from the solidification simulation by the process computer. 2 is controlled with the programmable logic controller / PLC. While solidification already begins in the lower region of the casting mold 3 and continues upward, the not yet cooled upper part of the melt in the casting mold 3 is kept liquid by post-heating. This counteracts the solidification front and creates the possibility of a compensation of the lack of material with melt of already solidified areas. Thus voids and other imperfections in the casting can be largely avoided.
  • the continuous furnace 8 can be switched off and the mold 3 to cool completely.
  • the casting mold 3 After the casting mold 3 has cooled below the critical temperature, it can be moved out of the cooling basin 4 by means of the manipulation unit 6 - 7 (which, for example, comprises a crane-like device). The now finished cast and solidified cast body 1 can finally be unpacked from the mold 3, cleaned and tested.
  • the manipulation unit 6 - 7 which, for example, comprises a crane-like device.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Gießanlage zur gerichteten Erstarrung eines Gusskörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Aufgabe der Erfindung ist es, eine diesbezügliche technische Lösung zu schaffen, mit der durch ein Absenken der Gießform in ein Kühlmedium eine gerichtete Erstarrung bei unterschiedlichen Querschnitten und hohen Bauteilkomplexitäten ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren und mit einer Gießanlage gelöst, durch deren Anwendung die Erstarrung auf Grundlage der als CAD- Datensatz verfügbaren Gussteilgeometrie gesteuert werden kann. Mit diesen Daten wird die Eintauchgeschwindigkeit der Feingusstraube in das Kühlmedium elektronisch gesteuert. Somit kann mit der Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze das Gussteilgefüge optimiert werden.

Description

Verfahren und Gießanlage zur gerichteten Erstarrung eines Gusskörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Gießanlage zur gerichteten Erstarrung eines Gusskörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung durch Einbringen einer gefüllten Gießform in ein Kühlmedium.
Aus DE 42 16 870 C2 ist ein Verfahren zur gerichteten Erstarrung eines Gusskörpers aus Aluminium oder einer aluminiumhaltigen Legierung nach dem Feingussverfahren bekannt. Hierbei wird eine Gießform aus Keramik mit porösen Wänden eingesetzt, die zur Kühlung und gerichteten Erstarrung der Schmelze in eine Kühlflüssigkeit eingetaucht wird. Die Gießform wird stetig in die Kühlflüssigkeit eingetaucht, wobei die Erstarrungsfront zwischen der Schmelze und dem erstarrten Metall sich in Richtung der freien Schmelzoberfläche bewegt. Dabei werden die Eintauchgeschwindigkeit der Gießform in die Kühlflüssigkeit, die Dicke und die Porosität der Gießformwand sowie die Viskosität und die Dichte der Kühlflüssigkeit so aufeinander abgestimmt, dass, in Bewegungsrichtung der Erstarrungsfront gesehen, der Penetrationsbereich der Erstarrungsfront nacheilt. Da die Eintauchgeschwindigkeit der Gießform in die Kühlflüssigkeit von der Wanddicke und der Porosität der Gießform sowie von der Kühlflüssigkeit und der abzukühlenden Masse des Gusskörpers abhängt, können für die Eintauchgeschwindigkeit keine allgemein gültigen Parameter angegeben werden. Deshalb wurde die Eintauchgeschwindigkeit auf einen Wert zwischen 10 mm/min und 200 mm/min, die Wanddicke der Gießform auf einen Wert zwischen 4 mm und 20 mm und deren Porosität in einen Bereich zwischen 20 VoI - % und 65 VoI -% eingestellt.
In DE 103 57 618 A1 werden Varianten beschrieben, mit denen für die in einer Gießform befindliche Metallschmelze ein angestrebter Erstarrungsverlauf durch Flüssigkeitskühlung realisiert werden kann. In der Praxis lässt sich eine schnelle Erstarrung der Metallschmelze zu einem feinkörnigen Gefüge durch einen gelenkten Erstarrungsverlauf jedoch nur mit großem Aufwand erfüllen, wenn Gussstücke mit stark schwankenden Dicken hergestellt werden sollen. Vorgeschlagen wird eine poröse Gießform, deren Kapillarität so auf die Kühlflüssigkeit abgestimmt ist, dass das Material der Gießform die sie benetzende Kühlflüssigkeit aufsaugt. Auf diese Weise soll erreicht werden, dass die Wärmeleitfähigkeit der Gießform und damit die Kühlung der Schmelze durch die aufgenommene Kühlflüssigkeit erhöht wird. Die Regelung der Eintauchgeschwindigkeit erfolgt über die aufgenommene Menge an Kühlflüssigkeit, welche durch die Dauer des Kontakts zwischen Gießform und Kühlflüssigkeit gesteuert wird. An der Erstarrungsfront ist hierbei ein möglichst großer Temperaturgradient erforderlich, um die gewünschte Feinkörnigkeit zu ermöglichen.
Gegenstand von DE 28 15 818 A1 ist ein Gießgerät für die gerichtete Erstarrung von schmelzflüssigem Metall, das ein allmähliches Absenken einer erhitzten Form aus einem Ofen in ein Kühlbad ermöglicht. Zwischen dem offenen Ende des Ofens und dem flüssigen Kühlbad ist eine Wärme isolierende Trennplatte angeordnet, die auf der Badoberfläche schwimmt. Unterhalb vom Wärmeofen ist ein Tank mit Kühlflüssigkeit angeordnet, die durch Heizelemente und Kühlschlangen auf einem gewünschten Temperaturniveau gehalten wird, wenn die heiße Form eingetaucht wird.
Gemäß DE 27 35 928 A1 wird eine Erstarrung durch Bewegung der Gießform gegenüber der Wärme - und Kältequelle durchgeführt. Die Heizleistung der Wärmequelle wird nach Maßgabe einer fortlaufenden, mit Thermoelement durchgeführten Temperaturmessung geregelt. Die Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront liegt in der Größenordnung eines Bruchteils von Zentimetern bis zu einigen Zentimetern je Stunde. Die Wandergeschwindigkeit wird auf einem konstanten Wert gehalten. Allerdings ist eine konstante Abkühlungsgeschwindigkeit bei einer Querschnittsänderung des Gusskörpers nachteilig.
Schließlich wird in EP 10 538 B1 ein Verfahren zur gerichteten Erstarrung mit einer mathematisch berechneten Abkühlungsgeschwindigkeit bei einer Turbinenschaufel beschrieben. Die berechnete Abkühlungsgeschwindigkeit bezieht sich ausschließlich auf den Übergang einer Querschnittsänderung gemäß einer vorbestimmten mathematischen Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Zeit. Dadurch soll eine gleichmäßige Übergangsfunktion zwischen zwei verschiedenen Querschnitten unter Ausschluss einer Stufenfunktion erreicht werden. Auf diese Weise sollen Fehler in dem Mikrogefüge des erstarrten Gussteils bei einfachen Querschnittsänderungen vermieden werden. Die Zurückziehgeschwindigkeit über der Zeit wird als Funktion der Änderung des Verhältnisses des Querschnittumfangs zur Querschnittsfläche angeben, die über der Gussstücklänge auftritt, wenn die nominelle Erstarrungsgrenzfläche sich in der Nähe der Änderung befindet, so dass die Geschwindigkeit der Erstarrungsgrenzflächenbewegung sich in demselben Maß wie das Verhältnis des Umfangs zu der Querschnittsfläche ändert. Nachteilig ist jedoch, dass die Änderung der Eintauchgeschwindigkeit der Gießform in das Kühlmittel bei verschiedenen Querschnitten experimentell festgestellt werden muss und die mathematisch definierte Eintauchgeschwindigkeit nur für den Übergang zwischen zwei Querschnitten gilt. Deshalb kann dieses Verfahren nur für geometrisch einfache Teile eingesetzt werden. Hingegen ist bei einem komplexen Gusskörper mit unterschiedlichsten Querschnitten eine kontrollierte Abkühlung mit einer gerichteten Erstarrung nicht möglich. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren sind daher auch nicht geeignet für Gusskörper, welche in einer komplexen Gießtraube gegossen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur gerichteten Erstarrung eines komplexen Gusskörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung durch ein Absenken der Gießform in ein Kühlmedium zu schaffen, das eine gerichtete Erstarrung bei unterschiedlichen Querschnitten und hohen Bauteilkomplexitäten ermöglicht. Gleichzeitig soll eine Gießanlage zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Gießform in einem Durchlaufofen vor, während und nach dem Abguss mindestens auf die Liquidustemperatur erhitzt bzw. auf der Liquidustemperatur gehalten, anschließend abgegossen und nach dem Abgießen mit einer von einem CAD-Datensatz der Gießform und/oder des Gusskörpers abhängigen
Geschwindigkeit durch eine computergesteuerte Manipulationseinheit in Abhängigkeit des Richtungsvektors der Erstarrung in ein Kühlmedium derart eingebracht wird, dass eine gerichtete Erstarrung des Gusskörpers durch eine speicherprogrammierbare Steuerung erfolgt.
Zur Durchführung dieser Verfahrensschritte wird eine Gießanlage vorgeschlagen, die einen Durchlaufofen zum Erwärmen der Gießform und ein Kühlbecken mit einem Kühlmedium aufweist, wobei die Gießform mit dem Gusskörper in einem Behälter angeordnet ist, der mit einer computergesteuerten Manipulationseinheit in das Kühlmedium absenkbar ist, wobei die Manipulationseinheit mit einem stufenlos regelbaren Antrieb ausgestattet ist, dessen Antriebsteuerung mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung und mit einem Prozessrechner steuerungstechnisch verbunden ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen von Verfahren und Gießanlage sind Gegenstand abhängiger Unteransprüche, deren Merkmale im Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
Durch Anwendung der erfindungsgemäßen technischen Lösung kann die Erstarrung auf Grundlage der als CAD- Datensatz verfügbaren Gussteilgeometrie gesteuert werden. Mit diesen Daten wird die Eintauchgeschwindigkeit der Feingusstraube in das Kühlmedium elektronisch gesteuert. Somit kann mit der Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze das Gussteilgefüge optimiert werden. Ausgehend von den digitalen dreidimensionalen CAD-Daten des Gusskörpers, der Gießform und des Anschnittsystems einschließlich Speiser wird ein Datensatz durch Schichtzerlegung entlang eines durch die Erstarrungsfront definierten Richtungsvektors in zweidimensionale Schichten mit vorzugebender Schichtdicke zerlegt und anschließend wird durch eine Erstarrungssimulation der einzelnen Schichtdaten die über die Zeit veränderliche resultierende Einbringgeschwindigkeit (Absenkgeschwindigkeit) in das Kühlmedium berechnet.
Die Steuerung der Absenkgeschwindigkeit erfolgt in Abhängigkeit des Verhältnisses von Querschnittsflächeninhalt und dessen Umfang in Relation zur aufsummierten Schichtdicke. Die Berechnung der Absenkgeschwindigkeit erfolgt anhand der durch die Erstarrungssimulation ermittelten Zeitfunktion, mit der ein entsprechendes Weg-Zeit- Diagramm erzeugt und anschließend an den Prozessrechner der Gießanlage übergeben wird.
Für Modellierung und Erstellung der Prozessparameter können zusätzliche Informationen über die zur Verfügung stehenden Materialien wie Wärmeleitkoeffizienten, Wärmekapazität und abkühlungsspezifische Parameter aus einer mit dem Rechner verbundenen Datenbank abgerufen werden. Durch den Einsatz einer speicherprogrammierbaren Steuerung / SPS können weiterhin die IST- Temperaturen von Durchlaufofen und Kühlmedium bei der Absenkung zur genaueren Prozesssteuerung berücksichtigt werden. Der Vorteil des Einsatzes einer speicherprogrammierbaren Steuerung / SPS besteht primär darin, dass der Prozessablauf der gerichteten Erstarrung direkt mit den Prozessdaten aus der Erstarrungssimulation verknüpft und der Prozess kontrolliert gesteuert werden kann.
Diese Echtzeitsteuerung ermöglicht eine Realisierung der gerichteten Erstarrung in Abhängigkeit der geometrischen Schichtdaten wie Flächeninhalt, Umfang und Schichtdicke jedes einzelnen Querschnitts der Gießform einschließlich Gussteil und Gießsystem in Relation zu den IST- Temperaturen des Durchlaufofens und des Kühlmediums. Die IST- Temperatur wird im Durchlaufofen und im Kühlmedium durch Thermoelemente erfasst, so dass Temperaturabweichungen, verursacht durch unterschiedlich starken Wärmeeintrag komplexer Gießtrauben über die Gesamthöhe der Gießtraube in das Kühlmedium, ständig kontrolliert werden können. Somit kann die bei der Abkühlung des Gusskörpers frei gesetzte Wärme bestimmt und die gerichtete Erstarrung gezielt beeinflusst werden. Abhängig von der Zusammensetzung des Gusskörpers kann der Anteil der freiwerdenden Wärme erheblich von dem linearen Verlauf abweichen. Durch das vorgeschlagene Verfahren können die den Erstarrungsablauf beeinflussenden geometrischen Größen und stofflichen Faktoren im Prozess einer optimalen gerichteten Erstarrung berücksichtigt werden. Insbesondere kann die gerichtete Erstarrung von Gießtrauben mit verschiedenen komplexen Gussteilen und Gussformen, angebaut an einer Gießtraube, verbessert bzw. überhaupt ermöglicht werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Gießanlage zur Herstellung und gerichteten Erstarrung eines Gusskörpers in schematischer Darstellung.
Das vorgeschlagene Verfahren zur gerichteten Erstarrung unterscheidet sich von den konventionellen Gießverfahren im Wesentlichen durch die Möglichkeit, die Erstarrung im Gusskörper 1 auf der Grundlage einer vorherigen Erstarrungssimulation computergesteuert zu lenken. Die aus der Erstarrungssimulation gewonnenen Daten werden an einen
Prozessrechner 2 mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung / SPS übergeben und durch die Steuerung der Eintauchgeschwindigkeit in reproduzierbare Bauteileigenschaften umgesetzt. Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Gießanlage mit einem flüssigen Kühlmedium eingesetzt, in das eine abgegossene Gießform 3 eingetaucht wird. Unter der Bezeichnung Gießform 3 werden im vorliegenden Sachverhalt insbesondere keramische Gießereiformen zum Abgießen von Feingussteilen verstanden.
Die in Fig. 1 dargestellte Gießanlage weist ein Kühlbecken 4 mit flüssigem Kühlmedium auf. Als Kühlmedium wird beispielsweise eine Polymerlösung auf der Grundlage von Wasser, Härtereiöl, Reinzinnschmelze oder einer Salzschmelze eingesetzt. Der Gusskörper 1 kann ein beliebiges Gussteil in einer Gießform 3 sein. Das Anwendungsgebiet der gerichteten Erstarrung erstreckt sich hauptsächlich auf das Gebiet der Herstellung von Feingussteilen aus Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium bzw. aluminiumhaltige Werkstoffe, die in keramischen Gießereiformen gegossen werden. Insbesondere ist das Verfahren auch zur Herstellung von Gussteilen geeignet, die in einer Gießform 3 in Gestalt einer Gießtraube gegossen werden.
Bei der Herstellung einer Gießform 3 für Feinguss wird von einem Gussmodell aus Wachs oder Kunststoff ausgegangen, das mit einer keramischen Schale ummantelt wird. Das Gussmodell wird nachfolgend ausgeschmolzen und der dem exakten Modell entsprechende Hohlraum wird abgegossen. Keramische Gießformen 3 können aus verschiedenartigen Formstoffen bestehen, die für das Gießen von Metallen hitzebeständig sind und die eine unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung oder einen unterschiedlichen Gehalt an organischen oder anorganischen Bindemitteln aufweisen.
Derartige Formstoffe sind insbesondere Zusammensetzungen von hitzebeständigen Formund Kernmassen, die aus einem feuerfesten mineralischen Grundstoff, z.B. Quarzsand, Magnesiumoxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Gips und einem Bindersystem bestehen.
Die Gießform 3 mit dem Gusskörper 1 befindet sich in einem Behälter 5, beispielsweise einem Korb, der mit einer aus den Baugruppen 6 und 7 bestehenden Manipulationseinheit in das Kühlmedium abgesenkt wird. Die Manipulationseinheit 6 - 7 ist mit einem computergesteuerten Antrieb ausgestattet, der stufenlos regelbar ist. Die Antriebsteuerung der Manipulationseinheit 6 - 7 ist mit dem Prozessrechner 2 und mit der speicherprogrammierbaren Steuerung / SPS steuerungstechnisch verbunden. Die jeweils konkrete Absenkgeschwindigkeit kann beispielsweise in einem Bereich von etwa 0,08 mm bis 10,00 mm pro Sekunde variiert werden. Ebenso ist es möglich, dass die Bewegung unter Beachtung der Erstarrungssituation in einzelnen Verfahrenspunkten unterbrochen wird, so dass die Absenkgeschwindigkeit zumindest kurzzeitig „NULL" beträgt.
Der Behälter bzw. Korb 5 mit der Gießform 3 befindet sich in einem oben und unten offenen, beheizten Durchlaufofen 8 mit einer Abschirmhaube 9 und einem kleineren Deckel 11 zur Wärmeabschirmung. Der Durchlaufofen 8 wird zur Temperierung der Gießform 3 vor dem Abguss und während des Abgusses benötigt. Um eine komplette Formfüllung beim Abguss zu erreichen und das unkontrollierte Vorauseilen der Erstarrungsfront beim Eintauchen in das Kühlmedium zu vermeiden, wird die Gießform 3 mindestens auf die Liquidustemperatur des Gusskörpers 1 erwärmt. Die Querschnitte des Gießsystems können sehr klein gehalten werden. Die Gießform 3 kann beruhigt, turbolenzarm und steigend gefüllt werden. Der Durchlaufofen 8 ist mit einem Traggestell 12 oberhalb des Kühlbeckens 4 mit dem Kühlmedium angeordnet.
Während des Eintauchens der Gießform 3 mit dem Gusskörper 1 in das Kühlmedium wird die Manipulationseinheit 6 - 7 so gesteuert, dass eine optimale Absenkgeschwindigkeit in das Kühlmedium realisiert werden kann. Während des Absenkens der Gießform 3 und des Gusskörpers 1 in das Kühlbecken 4 mit dem Kühlmedium dient der Durchlaufofen 8 zum Halten bzw. Nachheizen der Gießform 3 und des Gusskörpers 4 zur Sicherstellung eines gerichteten Erstarrungsverlaufes. Der Durchlaufofen 8 kann beispielsweise mit einer Wärmequelle in Form eines Gasbrenners oder einer Elektroheizung beheizt werden. Als eine Steuermöglichkeit zur Regelung der Temperatur ist das Ausschalten und erneute Einschalten der Wärmequelle vorgesehen.
Um Wärmeverluste zu minimieren und den Wärmeeintrag in das Kühlmedium zu reduzieren, wird eine Isolationsschicht auf das Kühlmedium gegeben, welches die Ofenatmosphäre und das Kühlmedium thermisch abschirmt.
Das Kühlbecken 4 ist mit einer nicht näher dargestellten Temperiermöglichkeit ausgestattet, welche ein gezieltes Abkühlen bzw. Aufheizen des Kühlmediums ermöglicht. Hierzu kann das Kühlbecken 4 auch doppelwandig ausgelegt werden, um das Kühlmedium indirekt zu temperieren. Ebenfalls ist es zur besseren Umwälzung und Zirkulation des Kühlmediums möglich, Umwälzpumpen oder andere Einrichtungen zur Umwälzung vorzusehen. Über Thermoelemente 14 werden die IST - Temperaturen von Durchlaufofen 8 und Kühlbecken 4 erfasst und in der Steuerung ausgewertet.
Vor dem Abgießen wird die Gießform 3 auf dem Behälter / Korb 5 befestigt und mit der Manipulationseinheit 6 - 7 in den Durchlaufofen 8 zum Vorwärmen der Gießform 3 eingefahren. Der Durchlaufofen 8 ist mit der Abschirmhaube 9 und dem Deckel 11 nach oben verschlossen. Die Wirkverbindung zum Kühlmedium kann unterbrochen werden, indem zwischen dem Durchlaufofen 8 und dem Kühlbecken 4 Bauteile angeordnet werden, beispielsweise eine verschiebbare Trenneinrichtung 13.
Nachdem die Gießform 3 in den Durchlaufofen 8 eingefahren ist, wird der Gasbrenner bzw. die Elektroheizung des Durchlaufofens 8 eingeschaltet. Nunmehr wird der Durchlaufofen 8 mit der Gießform 3 bis auf eine vorab definierte Temperatur aufgeheizt. Nach Erreichen dieser Temperatur und nach Ablauf einer Haltezeit, wird der Deckel 11 entfernt. Durch die somit zugängliche Öffnung kann die Schmelze in die Gießform 3 eingebracht werden. Während dieses Vorganges ist die Wärmequelle weiterhin in Funktion, um die Schmelze flüssig zu halten.
Nach dem Einbringen der Schmelze in die Gießform 3 wird der kleine Deckel 11 wieder verschlossen. Die Wärmequelle hält weiterhin die Schmelze flüssig.
Zur gerichteten Erstarrung wird die abgegossene Gießform 3 mit der flüssigen Schmelze computergesteuert in das Kühlbecken 4 abgelassen, wobei die Absenkgeschwindigkeit anhand der aus der Erstarrungssimulation gewonnenen Daten durch den Prozessrechner 2 mit der speicherprogrammierbaren Steuerung / SPS geregelt wird. Während im unteren Bereich der Gießform 3 bereits die Erstarrung beginnt und sich nach obenhin fortsetzt, wird der noch nicht abgekühlte obere Teil der Schmelze in der Gießform 3 durch Nachheizen flüssig gehalten. Dies wirkt der Erstarrungsfront entgegen und schafft die Möglichkeit eines Ausgleichs des Materialmangels mit Schmelze von bereits erstarrten Bereichen. Somit können Lunker und andere Fehlerstellen im Gussteil weitgehend vermieden werden. Sobald die Gießform 3 vollständig in das Kühlbecken 4 eingetaucht ist, kann der Durchlaufofen 8 abgeschaltet werden und die Gießform 3 vollständig abkühlen. Nachdem die Gießform 3 unter die kritische Temperatur abgekühlt ist, kann sie mittels der Manipulationseinheit 6 - 7 (die z.B. eine kranähnliche Vorrichtung umfasst) aus dem Kühlbecken 4 heraus gefahren werden. Der nunmehr fertig abgegossene und erstarrte Gusskörper 1 kann abschließend aus der Gießform 3 ausgepackt, geputzt und geprüft werden.
Bezugszeichenliste
I Gusskörper 2 Prozessrechner
3 Gießform
4 Kühlbecken
5 Behälter / Korb
6 Baugruppe der Manipulationseinheit 7 Baugruppe der Manipulationseinheit
8 Durchlaufofen
9 Abschirmhaube
I I Deckel 12 Traggestell
13 Trenneinrichtung
14 Thermoelement

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur gerichteten Erstarrung eines Gusskörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung durch Einbringen einer gefüllten Gießform in ein Kühlmedium, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (3) in einem Durchlaufofen (8) vor, während und nach dem Abguss mindestens auf die Liquidustemperatur erhitzt bzw. auf der Liquidustemperatur gehalten, anschließend abgegossen und nach dem Abgießen mit einer von einem CAD-Datensatz der Gießform (3) und/oder des Gusskörpers (1) abhängigen Geschwindigkeit durch eine computergesteuerte Manipulationseinheit (6; 7) in Abhängigkeit des Richtungsvektors der Erstarrung in ein Kühlmedium derart eingebracht wird, dass eine gerichtete Erstarrung des Gusskörpers (1) durch eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von den digitalen dreidimensionalen (3D) CAD-Daten des Gusskörpers (1) und der Gießform (3) ein Datensatz durch eine Schichtzerlegung in zweidimensionale Schichten mit vorzugebender Schichtdicke entlang eines durch die Erstarrungsfront definierten Richtungsvektors zerlegt wird und dass anschließend durch eine Erstarrungs- Simulation der einzelnen Schichtdaten die über die Zeit veränderliche resultierende Einbringgeschwindigkeit der Gießform (3) in das Kühlmedium berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Geometriedaten des Flächenin- halts einer Schicht für jede Konturfläche der Gießform (3) und der Querschnittsfläche des Gusskörpers (1) in Relation zur aufsummierten Schichtdicke und der durch die Erstarrungssimulation ermittelten Zeitfunktion berechnet und ein entsprechendes Weg-Zeit-Diagramm erzeugt wird, das anschließend an den Prozessrechner (2) der Gießanlage übergeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der aufsummierten Schichtdicke die mittlere Wandstärke der Gießform (3) als Parameter für die Berechnungsfunktion ausgewählt wird und die weiteren Daten über die zur Verfügung stehenden Materialien, die Wärmeleitkoeffizienten, Wärmekapazität und die abkühlungsspezifischen Parameter aus einer mit dem Prozessrechner (2) verbundenen Datenbank abgerufen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Einbringgeschwindigkeit der Gießform (3) in das Kühlmedium in Abhängigkeit von den Geometriedaten des Flächeninhalts und der Schichtdicke für jede Konturfläche der Gießform (3) und der Querschnittsfläche des Gusskörpers (1) und in Relation zur Temperatur des Durchlaufofens (8) und der Temperatur des Kühlmediums vorgenommen wird, wobei die IST- Temperaturen des Durchlaufofens (8) und des Kühlmediums mittels Thermoelementen (14) im Durchlaufofen (8) und im Kühlbecken (4) erfasst und gesteuert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium eine Polymerlösung auf der Grundlage von Wasser, ein Härtereiöl, eine Reinzinnschmelze, ein fluidisierter Feststoff oder eine Salzschmelze verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gerichtete Erstarrung des Gusskörpers (1) in Echtzeit erfolgt.
8. Gießanlage zur Durchführung eines Verfahrens zur gerichteten Erstarrung eines Gusskörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung durch Einbringen einer gefüllten Gießform in ein Kühlmedium nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießanlage einen Durchlaufofen (8) zum Erwärmen der Gießform (3) und ein Kühlbecken (4) mit einem Kühlmedium aufweist, wobei die Gießform (3) mit dem Gusskörper (1) in einem Behälter (5) angeordnet ist, der mit einer computergesteuerten Manipulationseinheit (6; 7) in das Kühlmedium absenkbar ist, wobei die Manipulations- einheit (6; 7) mit einem stufenlos regelbaren Antrieb ausgestattet ist, dessen
Antriebsteuerung mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) und mit einem Prozessrechner (2) steuerungstechnisch verbunden ist.
9. Gießanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlaufofen (8) beheizbar ausgestaltet, mit einem Traggestell (12) oberhalb des Kühlbeckens (4) angeordnet sowie mit einer Abschirmhaube (9) und einem kleineren Deckel (11) zur Wärmeabschirmung versehen ist.
10. Gießanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkverbindung zwischen dem Durchlaufofen (8) und dem Kühlbecken (4) mit zugeordneten Bauteilen unterbrochen werden kann.
11. Gießanlage nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Traggestell (12) eine verschiebbare Trenneinrichtung (13) zugeordnet ist.
12. Gießanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Durchlaufofen (8) und dem Kühlbecken (4) Thermoelemente (14) zugeordnet sind, die mit dem Prozessrechner (2) steuerungstechnisch verbunden sind.
13. Gießanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlaufofen (8) mit einer Wärmequelle in Form eines Gasbrenners beheizbar ist.
14. Gießanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlaufofen (8) mit einer Wärmequelle in Form einer Elektroheizung beheizbar ist.
15. Gießanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlaufofen (8) als ein widerstandsbeheizter Elektroofen mit Steuermöglichkeit ausgestaltet ist.
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