WO2016116474A1 - HEIßKANAL FÜR EINE DRUCKGUSSVORRICHTUNG UND BETRIEBSVERFAHREN DAFÜR - Google Patents

HEIßKANAL FÜR EINE DRUCKGUSSVORRICHTUNG UND BETRIEBSVERFAHREN DAFÜR Download PDF

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WO2016116474A1
WO2016116474A1 PCT/EP2016/051059 EP2016051059W WO2016116474A1 WO 2016116474 A1 WO2016116474 A1 WO 2016116474A1 EP 2016051059 W EP2016051059 W EP 2016051059W WO 2016116474 A1 WO2016116474 A1 WO 2016116474A1
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die
nozzle
heating
hot runner
casting
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PCT/EP2016/051059
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Inventor
Wolfgang Diem
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Technische Hochschule Mittelhessen
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/02—Hot chamber machines, i.e. with heated press chamber in which metal is melted
    • B22D17/04—Plunger machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/2015—Means for forcing the molten metal into the die
    • B22D17/2023—Nozzles or shot sleeves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/22—Dies; Die plates; Die supports; Cooling equipment for dies; Accessories for loosening and ejecting castings from dies
    • B22D17/2218—Cooling or heating equipment for dies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/22—Dies; Die plates; Die supports; Cooling equipment for dies; Accessories for loosening and ejecting castings from dies
    • B22D17/2272—Sprue channels

Definitions

  • the invention relates to metal diecasting and includes a hot runner for a hot chamber die casting apparatus and a method of operating the same.
  • Die casting allows the production of molded parts from non-ferrous metals with short cycle times and very good quality. Castings of any shape, in particular thin-walled castings with high dimensional accuracy, smooth surface and complex geometry can be produced in an uncomplicated manner.
  • Hot-chamber metal die casting is suitable for low-melting non-ferrous metals, in particular zinc, magnesium, lead and tin.
  • alloys of the same with optimized intrinsic shadows are used instead of the pure metals, which may contain small amounts of other elements.
  • the alloys approved for industrial use are regulated in European and international standards.
  • the EN 1774 standard regulates the approved zinc alloys known as ZAMAK.
  • the term cast metal in this application includes both pure metals and alloys.
  • the temperature of the casting mold is substantially below the melting temperature of the casting metal, so that it solidifies in the casting mold and forms the desired solid shaped part. This is removed after separation of the two mold halves from the mold, z. B. ejected as a free falling molding.
  • the tool halves are then brought together again and started a new casting process.
  • typical see temperatures are 160 ° C for the solid and 120 ° C for the movable mold half.
  • the movable mold half is designed as a shared permanent mold.
  • the mold is formed by parts of the movable mold half. So it is located completely within the movable mold half and has a channel which is connected when approaching the solid mold half with a sprue of the die-casting nozzle.
  • the tool halves are made of tool steel.
  • Steel grades suitable for this purpose include the hot-working steels X38CrMo5-1 (Böhler W400), X38CrMo5-3 (Böhler W403), X38CrMoV5-1 (Böhler W300), X40CrMoV5-1 (Böhler W302), X38CrMoV5-3 (Böhler W303) whose thermal conductivities at 400 ° C approx.
  • Particularly suitable steels are X3NiCoMoTi18-9-5, X2NiCoMo18-9-5 and X3NiCoMo18-8-5, which are expressly recommended by Böhler under the designation W720 for zinc and aluminum die-casting tools. They have a lower thermal conductivity of 19 W / m-K at 500 ° C.
  • the hot runner is usually designed as a branched hot runner to increase productivity. A main channel branches into several sub-channels, each ending in a die-cast nozzle. Such branched hot runners are advantageously used in zinc die casting and die casting of small magnesium parts in the hot chamber process.
  • a disadvantage of the known methods is the so-called sprue, consisting of casting metal, which solidifies in the vicinity of the nozzle near the hot runner, in the area of the die casting nozzle and in the channel leading to the casting mold. It can be 40% to 100%, in some cases, eg. As with small castings, even make up a multiple of the mass of the casting.
  • the sprue is either discarded or returned to the process after re-melting. Both are associated with an undesirably high material or energy consumption. Also a material Aldegradation by slag and / or oxide formation is possible.
  • the hot runner ending in a die-cast nozzle is permanently heated so that the casting metal does not solidify.
  • the casting metal is kept permanently liquid in the hot runner and in the channel of the subsequent die casting nozzle.
  • WO 2013/071926 A2 describes a die-casting nozzle equipped with a heating device and an associated operating method which ensures the melting and re-solidification of a plug which temporarily closes the nozzle with short cycle times which are not quantified in detail.
  • the disadvantage is the expensive, complex and fault-prone structure of the heating device, which consists of three components: a heating cartridge, a nozzle shaft and a nozzle tip, which can be heated independently of each other. These elements are partly metallic, partly ceramic.
  • the heating cartridge has metallic heating conductors with an electrically insulating ceramic sheath.
  • the ceramic jacket of the heating element is subjected to tensile stress during operation, which can lead to chip spalling, followed by a short circuit between the heating conductor and the metallurgically conductive melt.
  • the connection area between the heating cartridge and the nozzle tip is endangered by such short circuits.
  • Serious leakage problems are also known which occur during continuous operation of a hot runner equipped with a die casting nozzle according to WO 2013/071926 A2 and lead to the emergence of cast metal at the interfaces between the hot runner and die casting nozzle and thus to the destruction of the hot runner.
  • Hot runners equipped with die-cast nozzles according to WO 2013/071926 A2 thus have an insufficient thermal shock resistance and therefore do not achieve the reliability required for industrial use. Since the heater, as is common in the prior art, operated with 230 V mains voltage, additional precautions must be taken to eliminate hazards in the event of a short circuit.
  • the object of the present invention is to eliminate the described disadvantages of the prior art and to provide a hot runner with at least one die-cast nozzle for a hot-chamber diecasting device, the use of which in metal diecasting ensures a productivity and quality increase with simultaneous cost reduction.
  • the object of the invention is achieved by a hot runner according to claim 1, a heating element according to claim 8 and a method for operating a hot chamber die casting apparatus according to claim 16.
  • the hot runner for transporting molten metal according to the invention which is suitable for installation in the solid mold half of a die casting device, is designed as an insert which is made entirely of a suitable chemically resistant material or at least has a lining with such a material. This measure precludes direct contact between the molten metal and the solid tool half made of tool steel, so that the metals zinc (ZAMAK alloys) and aluminum, which form very aggressive melts, can also be transported.
  • Suitable chemically resistant materials include materials which do not react with the molten metals used and additionally have the following properties:
  • Preferred materials for carrying out the insert are molybdenum (Mo), tungsten (W), alloys based on these metals (MoW), and electrographite.
  • Electrografite is available in a large number of commercial products whose thermal conductivity ⁇ covers the entire above-mentioned range 40 W / mK ⁇ ⁇ 165 W / mK.
  • electrographites with a thermal conductivity above 100 W / mK have a lack of strength which limits their use in metal diecasting. lower maximum casting pressure, lower pressure swing resistance).
  • the main body of the insert in two-part inserts at least the main body of a part, be made of a tool steel, so that the hot runner with only a material having the aforementioned properties, for. B. Elektrografit, lined.
  • This lining forms a shell which reliably separates the aggressive molten metal flowing in the hot runner from the components made of tool steel.
  • the hot runner is characterized by a high thermal inertia along its entire length up to the area of the die cast nozzles.
  • the hot runner according to the invention can be installed as an insert in the solid mold half of any known hot-chamber die casting device by its design parameters (channel diameter, channel length) are chosen according to the dimensions of the solid mold half. If a branched hot runner is selected, a two-part insert may be used, with the main channel being arranged as a central feed in a first part of the insert while the sub-channels, which are preferably formed as the same length rectangular branches from the main channel, preferably in a second, designed as a flat cylinder, part of the insert are housed. Both parts of the insert are sealed, but releasably connected.
  • the solid mold half has a fitting fitting, which allows the insert to be tightly inserted into the solid mold half.
  • a branched hot runner in one piece (monolithic).
  • the hot runner connects the reservoir with liquid casting metal directly to a diecasting nozzle, from the gate of which the casting metal, which is mixed under high pressure, can shoot into a casting mold.
  • each sub-channel is connected to such a die-cast nozzle.
  • the hot runner according to the invention is connected to at least one diecasting nozzle.
  • Each die-casting nozzle has a nozzle channel which connects the hot runner (in the case of a branched hot runner, the associated subchannel) with a gate.
  • the cross section of the nozzle channel in the direction of the gate opening on a taper Preferably, the cross section of the nozzle channel in the direction of the gate opening on a taper.
  • Diecast nozzles with a small diameter x of the nozzle channel are used. Suitable diameter x ⁇ 7 mm, preferably x ⁇ 5 mm. Particular preference is Druckgussdü- sen whose nozzle channel has a diameter x ⁇ 3 mm. They are referred to in this application as miniaturized die-cast nozzles.
  • the wall of the nozzle channel is formed by a thermally insulating, hollow cylinder-like nozzle insert which is fittingly inserted into a recess of the hot runner insert (preferably made of electrorite with a good thermal conductivity ⁇ ⁇ 100 W / mK)
  • the movable mold half which is held at a low temperature compared to the molten metal, has a guide which allows the movable mold half to be cyclically moved so that it can be moved onto the fixed mold half and moved back again.
  • the driven-up state there is a tight-fitting surface contact with the nozzle insert of the die-casting nozzle enclosing the gate, wherein the gate itself is connected to a channel in the movable die half. Due to the close-fitting surface contact with the nozzle insert and the large temperature difference ⁇ between the liquid casting metal and the movable mold half, the movable mold half acts as an efficient heat sink in the area of the gate when it is driven up.
  • a liquid ZAMAK alloy with a temperature of T ⁇ 420 ° C is fed into the nozzle area, while the movable mold half is kept at a temperature of approx. 120 ° C. ⁇ is thus about 300 K.
  • the heat-sinking effect can be further enhanced in that the nozzle insert is shaped so that it protrudes from the solid mold half, so that the contact surface is increased to an inversely shaped contour of the movable mold half.
  • At least one electric heating element is installed in the hot runner, which allows a targeted cyclic heating of a die-cast nozzle, wherein the maximum heating power is introduced into the nozzle channel surrounded by the low heat-conducting nozzle insert.
  • a heating element is provided for each diecasting nozzle.
  • electrical heating elements are used, in which an electrical heating conductor, for.
  • a heating coil or heating coil made of metal or Leite rkeramik is electrically isolated by a hermetic shell of the molten metal.
  • This electrically insulating hermetic casing preferably consists of a ceramic material, particularly preferably of silicon nitride.
  • the heating element is designed so that it reaches the highest heat output and thus the highest temperature at its tip.
  • the heating elements are rod-shaped and have their highest heat output in the region of their rod tip, so that they have a high maximum surface temperature, preferably T> 1000 ° C, more preferably T ⁇ 1350 ° C, and a high heating rate, preferably ⁇ / At> 600 K / s, reach.
  • the heating elements are installed so that their rod-shaped axis runs on the (extended) nozzle axis.
  • the heating element is installed in a first embodiment of the invention so that its rod tip ends in the die-cast nozzle.
  • the rod tip is placed in the gate.
  • the sprue thus receives a sprue contour in the form of a ring.
  • As a ZAMAK alloy is thus heated with high efficiency.
  • Differently shaped sprue contours are possible.
  • the embodiment has disadvantages when changing a defective heating element. It is therefore advantageous to use a second, improved, embodiment, in which the following constructive supplement is used by a sleeve.
  • the heating element according to the invention is equipped with a sleeve with attached sleeve tip to ensure efficient heating in the gate area.
  • the required electrical heating elements must have extreme thermal shock resistance.
  • the complete redevelopment of such heating elements is extremely expensive.
  • the choice of material is a challenge, as for heating coil and sheathing materials must be used, which have in a several 100 K wide temperature range exactly matched thermal expansion coefficients.
  • glow plugs with a full ceramic glow plug in which an electrically conductive ceramic acting as a heat conductor, is sheathed with an electrically insulating ceramic, proved to be particularly suitable.
  • Such glow plugs are referred to as fully ceramic glow plugs.
  • a full-ceramic high-temperature glow plug made by NGK (NHTC glow plug: New High Temperature Ceramic) intended for passenger cars was tested. It reaches a temperature of 1350 ° C at the top of its glow plug within 2 s, which corresponds to a heating rate of 675 K / s.
  • Three NHTC glow plugs were pulsed for a long time test while being permanently surrounded by a liquid ZAMAK type Z410 alloy at a temperature of 400 ° C. Here they went through more than 50,000 cycles with a cycle time of 10 s, which corresponds to a continuous use of more than 140 h.
  • miniaturized die-cast nozzles are preferably used, which have a nozzle channel with a diameter x ⁇ 3 mm.
  • the glow plug diameter of glow plugs is too large to be able to advance the glow plug into the region of the gate of such miniaturized die-cast nozzles.
  • This obstacle is eliminated by the above-mentioned features of the heating element, here the glow plug, with a sleeve with attached sleeve tip.
  • This constructive supplement which can be used for each rod-shaped heating element is explained in detail below using the example of the glow plug. Of course, this constructive supplement can be used for any type of rod-shaped heating element.
  • the glow plug in a first embodiment of the invention can be positioned so that the tip of its glow plug is in the region of the gate.
  • the glow plug is provided with a sleeve which is advanced into the region of the gate. Because of the sufficiently large nozzle channel diameter, a sleeve tip is not required here.
  • miniaturized and non-miniaturized die-cast nozzles can be combined.
  • the sleeve consists of a high-melting, highly heat-conductive and with respect to the molten metal chemically resistant material. It is placed over the glow plug of the glow plug, leaving a few tenths of a millimeter wide gap between the surface of the glow plug and the sleeve. The heat transfer from the glow plug to the sleeve takes place by thermal radiation. The sleeve is tightly inserted into the hot runner insert so that it extends into the area of the die casting nozzle. The shaft of the glow plug and the sleeve are connected by a plug connection.
  • a force is exerted on the glow plug and the sleeve, which fixes the sleeve in a sealing seat in the hot runner insert.
  • a second fixing force preferably acts exclusively on the sleeve.
  • the temperature of the hot runner is lowered to a value which is slightly, preferably 5 -10 K, below the melting range of the die-cast alloy used, so that the molten metal solidifies in the hot runner, thereby enclosing and fixing the sleeve.
  • the defective glow plug can be easily pulled out of the fixed sleeve and replaced with a new glow plug.
  • the temperature of the hot runner drops only slightly, typically by a further 5-10 K, thus remaining close to the melting range.
  • a fast and energy-saving reheating and liquefaction of the casting metal is realized.
  • the productivity of the casting process is significantly increased.
  • the sleeve itself rarely needs to be changed, because due to its resistance to liquid molten metal, it has a very long service life, which exceeds the service life of the glow plug many times over. Downtime caused by changing the sleeve is negligible.
  • the hot runner for zinc die casting with the ZAMAK alloy Z410 whose melting range is between 379 ° C and 388 ° C according to the data sheet of Roto Frank Australia, is at a temperature of approx. 420 ° C.
  • the hot runner is cooled down to a temperature close to below the melting range, preferably 370 ° C to 375 ° C, so that the sleeve is enclosed and fixed by the solidified casting metal.
  • the temperature continues to drop, but can easily be kept above 360 ° C.
  • the invention provides that the sleeve terminates in a sleeve tip which also consists of a refractory, highly heat-conductive and chemically resistant metal, wherein the sleeve and the sleeve tip can be made of the same material.
  • the diameter of the sleeve tip which in its simplest form has a circular cross-section, is selected smaller than the diameter of the nozzle channel.
  • the glow plug is positioned so that the tube tip extends into the nozzle channel and terminates in the plane of the gate so that (in the case of a circular gate) a gate contour in the form of a ring and an annular gap nozzle channel are formed.
  • the sleeve tip may also have other shaped cross-sections, which lead to correspondingly modified slit-shaped nozzle channels. Particularly suitable is a star-shaped cross-section of the sleeve tip, which causes an advantageously enlarged heat-emitting surface of the sleeve tip while reducing the volume of the cast metal to be melted.
  • Refractory metals or alloys of refractory metals are particularly suitable as high-melting, highly heat-conductive and chemically resistant to molten metal materials for producing the sleeve according to the invention and its sleeve tip.
  • Refractory metals have a high melting point (above that of platinum at 1770 ° C), high thermal conductivity, and a low thermal expansion coefficient close to that of ceramics.
  • a particularly suitable refractory metal is tungsten, as it does not react with the molten cast metal in the temperature range used for zinc die casting.
  • Particularly suitable alloys are TZM (titanium-zirconium-molybdenum) and MoW with 20-50% by weight of W content.
  • the sleeves and sleeve tips with suitable materials such.
  • suitable materials such as carbon, in particular DLC layers (diamond-like carbon) of the type ta-C (tetrahedral amorphous hydrogen-free carbon layers), or Al-CrN (eg., ALCRONA Fa. Balzers) are coated.
  • the resistance of Tungsten compared to a ZAMAK melt is thereby increased from 750 ° C to well over 1000 ° C.
  • SiC silicon carbide
  • ZAMAK molten metals
  • Such a SiC coating can be produced by passing silane as the silicon carrier gas through the hot runner at about 800 ° C. The case generated on the inner walls of the hot runner and the nozzle insert SiC layer protects both Bau ⁇ groups against abrasion by the rapidly flowing melt.
  • the glow plug of the glow plug is reliably protected against direct contact with the aggressive melt.
  • the sleeve has a much longer service life than the glow plug. - Defective heating elements can be easily repaired by replacing the glow plug without shutting down the temperature of the hot runner.
  • the glow plug with sleeve and sleeve tip thus forms a Mikrohompatrone invention, which is suitable for the efficient heating of very small volumes, in particular for heating the nozzle channel of a miniaturized die-casting nozzle.
  • An important advantage of the invention is that even a single glow plug or a single Mikroroispatrone based on a glow plug for heating a die-casting nozzle is sufficient, with a combined channel and top heating is realized: On the top of the glow or the sleeve tip is an efficient Heating the nozzle channel of the die-casting nozzle with maximum heating power, while the rod-shaped glow plug, the surface temperature in the direction of the glow pencil tip increases steadily during operation, ensures uniform heating of the melt supplying hot runner, held in the molten metal in the hot runner at a nearly constant temperature above its melting range becomes.
  • the glow plug of a glow plug can also be advanced directly into the region of the gate, wherein the sleeve with optional sleeve tip is dispensed with.
  • this embodiment is associated with disadvantages when changing a defective glow plug.
  • the casting metal must be liquid when removing the glow plug. It is a melting of the hot runner at a high temperature (zinc die-casting typically 420 ° C) required to replace the defective glow plug can. Since the glow plug is not handled directly after melting out because of this high temperature, this process is time consuming and costly because of the associated production downtime. It is therefore advantageous to equip the glow plug with a sleeve in the case of a diecasting nozzle with a sufficiently large channel diameter.
  • the glow plug (with the heating coil arranged in its interior) has an active (heat-generating) and heated by heat radiation directly from him only over a few tenths of a millimeter wide air gap removed sleeve.
  • This type of heating of the sleeve is referred to as active heating.
  • the sleeve itself is passive, because it generates no heat, but passes the heat energy received from the glow plug only to the sleeve tip.
  • the heating of the sleeve tip by solid-state heat conduction from the sleeve is therefore referred to as passive heating.
  • the sleeve In addition to the passive heating of the sleeve tip, the sleeve also causes a passive heating of the associated sub-channel. Heat losses of the melt during passage through the sub-channel are compensated.
  • the inventive idea of the method is to impart a thermally inert behavior to a cast metal flowing cyclically in the hot runner along the hot runner into the region of the die casting nozzle, which then abruptly changes into a thermally dynamic behavior in a small volume in the region of the nozzle duct leading to the runner opening.
  • This thermally dynamic behavior is limited to a small annular volume V R formed by the nozzle channel with the centrally inserted tube tip.
  • Coordinated cooperation of the heating element (as heat source) and the movable mold half (as heat sink) ensures that within a casting cycle (whose starting point can be arbitrarily set) the cast metal in the small volume V R for solidification (grafting) and remelting ( complete dissolution of the plug).
  • Plug formation reliably seals the gate during a preselected portion of the casting cycle so that no casting metal can flow out of the channel.
  • the casting metal is fully utilized and ensures that no outflowing casting metal solidifies on the surface of the solid mold half. Solidified casting metal would make a tight closing up the movable mold half impossible, whereby the die-casting device would be disabled.
  • a point of time is chosen at which the contact of both tool halves is made by driving up the movable mold half and the electric heating element is switched to maximum power (peak value Pi).
  • the small volume V R is filled with a plug of solidified cast metal.
  • the heat input is in the small volume V R (with a plug of solidified casting metal), wherein the movable mold half is driven onto the solid mold half and the electric heating element (here the glow plug of the glow plug) on his maximum power is maintained. Since the nozzle insert consists of a material with a very low thermal conductivity, the outflow of heat energy from the small volume V R into the solid tool half is negligible.
  • the raised movable mold half exerts a heat-lowering effect on the small volume V R , this is greatly overcompensated by the glow plug connected to maximum power.
  • the passively heated sleeve tip arranged along the axis of the small annular volume V R transmits the heat energy transported by the glow plug via the sleeve to the tube tip onto the plug located in the volume V R.
  • This heat energy is used to raise the temperature of the plug initially to the lower limit of the melting range, then to introduce the latent heat (in this case the heat of fusion), whereby the temperature rises to the upper limit of the melting range and the plug is completely melted, and finally bring the temperature to a preselected target temperature above the upper limit of the melting range.
  • the electric heating element is switched to minimum power (base value P 0 ) in the second cycle section ⁇ 2 and the casting pressure is built up by the casting piston so that the molten metal shoots into the casting mold at high speed and completely fills it.
  • the incompressible molten metal comes to a standstill in the hot runner and thus also in the volume VR, although the casting pressure is still maintained in a so-called push-back phase.
  • This boost phase can be extended to the end of the second clock segment.
  • the sinking Temperature of the liquid casting metal in the small volume V R first from the target temperature reached in the previous heating process to the upper limit temperature of the melting range of the alloy used from. Upon reaching this upper limit temperature sets a solidification process (dissipation of latent heat, in this case solidification heat), the temperature continues to fall until the lower reaches the melting temperature, the cast metal is completely solidified in the small volume V R and forms a plug, filling the nozzle channel and reliably closing the gate,
  • the movable mold half is moved back from the solid mold half in a third cycle section ⁇ 3 , the finished die cast parts are ejected and after a spray cooling of the two tool halves by renewed driving the movable mold half on the solid mold half and Switching the heating element to maximum power restored the initial state and closed the cycle.
  • the inventive method makes it possible to significantly shorten the cycle time ⁇ of a casting cycle over the prior art.
  • the small volume V R (area of plug formation) becomes smaller down to values
  • Fig. 1 Top view of a designed as a flat cylinder component of a branched hot runner.
  • Fig. 2 section through a branched hot runner.
  • Fig. 3 Enlarged section through a portion of the hot runner with die-cast nozzle and heating element (glow plug).
  • Fig. 4 pulse regime of a heating element for heating a die-cast nozzle (time course of heating power P and pressure p).
  • Fig. 6 section through a branched hot runner with symmetrically heated from the outside main channel.
  • the hot runner is designed as a branched hot runner. Structure of the hot runner
  • FIGS. 1-3 A schematic (not to scale) representation of a hot runner 20 according to the invention is shown in FIGS. 1-3.
  • the solid mold half (not shown in the figures) of a die casting apparatus is equipped with a hot runner 20 having a first portion (main passage 23).
  • This main channel 23 is inserted into a snug fit receiving the solid mold half of the die-casting device.
  • the front end of this section is connected to a reservoir (not shown) containing a ZAMAK melt (Z410).
  • Z410 ZAMAK melt
  • the rear end of the main channel 23 branches, each at a right angle, star-shaped into 12 sub-channels, 8 longer sub-channels 25A-25H and 8 shorter sub-channels 25a-25h, which are housed in a flat cylinder 21 running component.
  • Fig. 1 shows in plan view the flat cylinder designed as a component 21 with the arrangement of the (perpendicular to the plane of the main channel 23 with the axis of symmetry A) outgoing sub-channels.
  • the 8 longer sub-channels 25A-25H have a length of 80 mm, wherein adjacent sub-channels are offset by 45 ° to each other.
  • the 8 shorter sub-channels 25a-25h have a length of 40 mm, wherein adjacent sub-channels are each offset by 45 ° to each other.
  • the symmetry axis A is thus an 8-fold symmetry axis.
  • the shorter sub-channels are also arranged so that they halve the angle of 45 ° spanned by two adjacent longer sub-channels. (The dashed representation makes it clear that the sub-channels run completely inside the component 21.
  • the ends of all subchannels have a 90 ° deflection, which is opposite to the first deflection, and open into a die-cast nozzle 26.
  • the die-cast nozzles 26 each have a nozzle channel which is located in a gate opening. 38 on the circular outer surface of the cylindrical member 21 ends.
  • the gate openings 38 of seven die-cast nozzles 26 are shown in simplified form as circles.
  • nine projections 30 of the associated die-casting molds are shown, which are located in the movable mold half (not shown). The arrangement of the projections shows that the available volume in the movable mold half is used particularly efficiently by the choice of sub-ducts of different lengths.
  • the gate openings 38 are arranged on the periphery of two concentric circles, wherein on the periphery of the outer circle (radius 80 mm) 8 sprue holes 38 make a regular octagon and on the periphery of the inner circle (radius 40 mm) 8 sprues 38 span a smaller second regular octagon.
  • the common center of the concentric circles lies on the axis of symmetry A.
  • the X-X line defines a section perpendicular to the plane of the drawing.
  • the symmetry axis A lies in this sectional area.
  • FIG. 2 shows a section through the hot runner along the sectional area XX defined by FIG.
  • the cylindrical main channel 23, which is delimited by a wall 24 of an electrographite (thermal conductivity ⁇ 100 W / mK), leads to the cylindrical component 21 with walls 22 made of electrographite, where it projects perpendicularly into the sub-channels 25A-25H and 25A. 25h branched. Only the sub-channels 25A and 25E are visible in the sectional view.
  • the cylindrical member 21 is monolithically connected to the wall 24 of the main channel.
  • All sub-channels (explained below using the example of the sub-channel 25A) have at their end a rectangular deflection, which connects them to a die-cast nozzle 26 with a nozzle channel whose geometry is defined by a nozzle insert 27, consisting of hard coal.
  • the die-cast nozzle 26 is equipped with a glow plug 28 fixed by the force F with a sleeve 29 made of tungsten with a carbon coating on it.
  • This (for all subchannels so executed) nozzle area, characterized by the mark D, is shown in detail in Fig. 3.
  • the arrangement still has a plug 31. This closes an opening, which arises due to production due to the drilling of the sub-channels.
  • the plug 31 forms part of the wall of the cylindrical component 21 and, like the entire component 21, is made of an electrographite.
  • Fig. 3 shows the nozzle region D shown enlarged, wherein the glow plug with sleeve appears in section.
  • An NHTC glow plug 28 with sleeve 29 slipped over is installed in a seat of the cylindrical component 21 in the form of a sealing seat so that its axis runs along the axis of the die-cast nozzle 26, that is to say perpendicular to the partial passage 25A. Based on the sub-channel 25A is thus a transverse installation of the glow plug.
  • the shaft 32 of the glow plug 28 is fixed by a force F, which is also transmitted to the sleeve 29.
  • the nozzle channel is in the form of an annular gap and ends in an annular sprue opening 38.
  • the annular gap has a width of 0.5 mm at the level of the sprue opening 38.
  • V R 18.8 mm 3 .
  • the glow plug 33 has a volume V G of about 85 mm 3 , resulting from its length (10 mm) and its diameter of 3.3 mm. V R is thus substantially smaller than V G.
  • the glow plug 28 with sleeve 29 and sleeve tip 36 forms a microphotograph cartridge, since the diameter of the sleeve tip is chosen such that the miniaturized die-cast nozzles selected here can also be heated efficiently.
  • the force F acting on the glow plug 28 and the sleeve 29 is generated by a spring mechanism. Independently of this, a second spring mechanism generates a force F ' (acting uniformly on the lower edge of the sleeve 29). The force F ' fixes the sleeve 29 in its sealing seat even when the force F is reduced to zero.
  • nozzle insert 27 is slightly tapered inside.
  • the angle of inclination (in relation to a cylindrical shape) is 2 ° to 10 °, preferably 5 °.
  • a particular economic advantage of the arrangement is that the sub-channels can be designed with a much greater length, in this case 80 mm, compared to known solutions. This increases the volume available for die-casting positioning and can be optimally utilized by using sub-channels of different lengths. In the example shown, 16 die cast workpieces are produced per casting cycle.
  • the die casting method using the combined channel and tip heating hot runner of the present invention includes a synchronized interaction of heating (realized by microheating cartridges), pressurization (by moving the casting plunger), and cooling (by moving the movable die half) followed by spray cooling of the surfaces of both tool halves. All processes run periodically, with the periods duration of the cycle time ⁇ corresponds.
  • the Mikrotropicpatronen all sub-channels are operated with an identical pulse regime.
  • the fixed and movable mold halves are connected to each other, in the cycle section ⁇ 3 , the two mold halves are separated.
  • the time required for the pressure build-up and down is much shorter than the clock intervals.
  • the resulting operating regime is shown schematically in FIG. Due to the short switching times and the rapid pressure changes, it is a rectangular regime.
  • the clock sections T ⁇ 2 , ⁇ 3 each begin at the same indicated times ti, t 2 , t 3 .
  • the state is selected at time ti.
  • the heating power of the Mikrotropicpatronen is switched from the base value P 0 to the peak value Pi, at the same time ends a Auffahrvorgang the movable mold half on the solid mold half with the production of a tight closing connection between the two tool halves.
  • the nozzle channels of the solid mold half are characterized by the associated channels of the movable mold half, which lead to the diecasting of Druckgusswerk GmbH connected.
  • the heat energy generated by the glow plug which heats up to 1350 ° C, is transferred by thermal radiation to the wall of the sleeve and from there by solid heat conduction into the sleeve tip (passive heating of the sleeve tip).
  • the sleeve tip heats the plug located in the nozzle channel and causes its complete melting within the clock section Ti.
  • the high thermal dynamics (short duration) of this melting is ensured by the low thermal conductivity, consisting of hard coal nozzle insert, which forms the wall of the nozzle channel and heat losses through heat conduction to a minimum.
  • the melting of the plug is completed at time t 2 , whereby the gate is opened.
  • the casting plunger is set in a forward motion (toward the fixed die half) which places the ZAMAK melt in the barrel and hot runner below the casting pressure p G of approximately 160 bar and passes through the sub-channels and die-cast nozzles at high speed the channels of the movable mold half shoots in, filling the die casting molds and solidifying in it due to the low temperature of the movable mold half (about 120 ° C).
  • the incompressible molten metal stops in the hot runner and the heat sinking effect of the moveable mold half comes to fruition.
  • the melt solidifies in the nozzle channels, forming a plug of solidified melt which grows into the nozzle channel.
  • the plug is fully formed. It completely fills the nozzle channel and securely closes the gate.
  • the pouring pressure p G is maintained in a Nachdrückphase until the end of the clock section ⁇ 2 .
  • the high thermal dynamics in the area of the die casting nozzle can be increased by simple adjustments of the geometry (further miniaturization).
  • the arrangement shown in Fig. 1 -3 can be rotated arbitrarily in space, with a horizontal position of the main channel 23 is preferred.
  • the axis of the cylindrical member and the axis of the arrangement of the Die casting molds in the moving tool half horizontally. After opening the movable mold half along a vertical plane passing through the die casting molds, the die cast workpieces may be ejected as free-falling parts.
  • Branched hot runner according to embodiment 1 with additional active heating of the main passage through a centrally arranged heating cartridge The device described in example 1, in which the heating is limited to the diecasting nozzles, is supplemented by an additional heating cartridge, which actively heats the first section of the hot runner (FIG. Main channel 23) guaranteed.
  • the correspondingly further developed device is shown schematically in FIG. 5a.
  • the main channel 23 has two lateral feeds 23a, 23b, via which the melt S can be fed.
  • a heating cartridge is installed, which consists of a glow plug 28a and a tube 29a made of tungsten with carbon coating coated on top. This is fixed in a sealing seat, which is formed by the graphite body of the wall 24.
  • the fixation is effected by the force F generated with a spring mechanism.
  • the sleeve can be fixed by a force F ' (not shown in FIG. 5a) which is independent of F.
  • the main channel 23 may be made in different lengths.
  • Fig. 5b shows an embodiment with a longer main channel 23, the remaining features of which match the embodiment in Fig. 5a.
  • the molten metal is supposed to show thermally sluggish behavior, so that it should approximately maintain its initial temperature.
  • the heating cartridge has the task of heat losses of the melt, which occurred on the outgoing from the reservoir transport path to compensate.
  • the heating cartridge In order to maintain the outlet temperature of the melt, the heating cartridge with variable operated, which is controlled by a controller connected to a temperature measuring device.
  • the heating cartridge In order to maintain the outlet temperature of the melt, the heating cartridge with variable operated, which is controlled by a controller connected to a temperature measuring device.
  • the heating cartridge is thus not operated pulsed, it can be equipped with a low-cost glow plug, a suitable for pulse operation NHTC glow plug is not required. It is a metal rod glow plug is used, the metallic glow plug is protected by the slipped sleeve made of tungsten.
  • the actual heating of the main channel is done by the actively heated sleeve 29a, a (passively heated) sleeve tip is not required.
  • the structure and mode of operation of the device correspond to the illustration in exemplary embodiment 1.
  • Example 2 ensures due to the central positioning of the heating cartridge on the axis of symmetry A uniform heating of the main channel, however, the production of the lateral feeds 23a, 23b is very expensive. This disadvantage is overcome in Example 3.
  • the wall 24 of the main channel 23 is provided with parallel to the symmetry axis A extending recordings, are inserted into the cartridge heaters accurately.
  • four shots with heating cartridges are arranged so that they have equal distances to the axis of symmetry A and merge by a 90 ° rotation by A into each other.
  • the arrangement of the heating cartridges thus has a 4-fold symmetry.
  • Fig. 6 shows a section through a so executed hot runner.
  • heating cartridges 41 comprising a shaft 42 and a heating element 43, are used.
  • the shaft 42 of the heating cartridge 41 is fixed in the receptacle 40, wherein the attachment is stable but easy and quick to perform detachable. Suitable is a spring mechanism that allows withdrawal of the heating element 41 when relieved. Also suitable is a screw of shaft 42 and receptacle 40. Such compounds ensure a fast replacement of defective heating cartridges.
  • the heating cartridges do not come into contact with the aggressive molten metal, inexpensive commercial rod heater cartridges are used. Analogously to exemplary embodiment 2, the heating cartridges are operated with variable power, which is regulated by a controller connected to a temperature measuring device. Since the heat energy generated by the heating rods 43 does not flow directly into the molten metal S, but first heats the wall 24 by heat conduction, which then heats the molten metal S, according to the above definition is a passive heating.
  • the number of receptacles 40 with heating cartridges 41 is not limited to four, but largely freely selectable. Already two opposite heating cartridges (as in the sectional view of FIG. 6) ensure a symmetrical heating of the main channel 23. Preferred are 3 to 6 shots with heating cartridges, which are to be distributed regularly around the main channel. With increasing number of Walkerpat- The uniformity of the heating of the main channel improves. More than 6 recordings with heating cartridges are used, due to the good thermal conductivity of the wall 24 of the main channel 23 forming electrographite 6 heating cartridges for uniform heating of the main channel 23 from.
  • the invention is not limited to the embodiments described in the solution according to the invention and in the examples. Rather, these can be combined with each other and expanded by the skilled person.
  • the person skilled in the art is able to adapt the embodiments based on die-cast zinc (ZAMAK alloys) to other metals.
  • the main channel is equipped with an active or passive heated diecast nozzle, while eliminating the sub-channels with the heated die-cast nozzle.
  • the use of the heating cartridge according to the invention is not limited to hot chamber die casting devices. They can also be used as local heat sources at bottlenecks of metal molds for metal casting, where temporary heating must prevent local solidification of the melt in order to completely fill the casting mold with molten metal. In addition, they can also be used in technical devices from remote areas, where efficient heating and a fast Changing of heating elements at high operating temperatures is required to be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heißkanal für eine Warmkammer- Druckgussvorrichtung für den Metalldruckguss. Der Heißkanal ist verbunden mit mindestens einer durch ein elektrisches Heizelement beheizten Druckgussdüse. Das Heizelement ist bevorzugt als Glühkerze mit einer Hülse und einer Hülsenspitze ausgeführt. Der Heißkanal mit der so beheizten Druckgussdüse erlaubt die Realisierung eines Druckgussverfahrens mit hoher Produktivität, hoher Prozesssicherheit, geringem Aufwand für Wartung und Instandsetzung und minimiertem Anguss. Der Heißkanal und das Druckgussverfahren sind insbesondere für den Zinkdruckguss einsetzbar.

Description

Heißkanal für eine Druckgussvorrichtung und Betriebsverfahren dafür
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft den Metalldruckguss und umfasst einen Heißkanal für eine Warmkammer-Druckgussvorrichtung und ein Verfahren zu deren Betrieb.
Stand der Technik
Druckgießen erlaubt die Fertigung von Formteilen aus Nichteisen-Metallen mit kurzer Taktzeit und sehr guter Qualität. Gussteile beliebiger Gestalt, insbesondere dünnwandige Gussteile mit hoher Maßgenauigkeit, glatter Oberfläche und kom- plexer Geometrie sind unkompliziert herstellbar.
Der Warmkammer-Metalldruckguss eignet sich für niedrigschmelzende Nicht- eisen-Metalle, insbesondere Zink, Magnesium, Blei und Zinn. Im Allgemeinen werden anstelle der reinen Metalle Legierungen derselben mit optimierten Eigen- schatten eingesetzt, die geringe Mengen weiterer Elemente enthalten können. Die für den industriellen Einsatz zugelassenen Legierungen sind in europäischen und internationalen Normen geregelt. Insbesondere regelt die Norm EN 1774 die zugelassenen Zink-Legierungen, die als ZAMAK bekannt sind. Der Begriff Gießmetall umfasst in dieser Anmeldung sowohl reine Metalle als auch Legierungen.
Bei bekannten Warmkammer-Druckgussverfahren wird das geschmolzene
Gießmetall von einem Gießbehälter über einen Heißkanal, der in Verbindung mit mindestens einer Druckgussdüse steht, unter hohem Druck einer Gießform (gebildet durch eine feste und eine bewegliche Werkzeughälfte) zugeführt. Die Tempe- ratur der Gießform liegt wesentlich unterhalb der Schmelztemperatur des Gießmetalls, sodass dieses in der Gießform erstarrt und das gewünschte feste Formteil bildet. Dieses wird nach Trennung der beiden Werkzeughälften aus der Gießform entfernt, z. B. als frei fallendes Formteil ausgestoßen. Die Werkzeughälften werden dann wieder zusammengeführt und ein neuer Gießvorgang gestartet. Typi- sehe Temperaturen sind 160°C für die feste und 120°C für die bewegliche Werkzeughälfte.
Ebenso ist es möglich, die bewegliche Werkzeughälfte als geteilte Dauerform aus- zubilden. Hierbei wird die Gießform durch Teile der beweglichen Werkzeughälfte gebildet. Sie befindet sich also vollständig innerhalb der beweglichen Werkzeughälfte und weist einen Kanal auf, der beim Auffahren auf die feste Werkzeughälfte mit einer Angussöffnung der Druckgussdüse verbunden wird. Die Werkzeughälften sind aus Werkzeugstahl gefertigt. Dafür geeignete Stahlsorten umfassen die Warmarbeitsstähle X38CrMo5-1 (Böhler W400), X38CrMo5-3 (Böhler W403), X38CrMoV5-1 (Böhler W300), X40CrMoV5-1 (Böhler W302), X38CrMoV5-3 (Böhler W303), deren Wärmeleitfähigkeiten bei 400°C ca.
30 W/m-K betragen. Besonders geeignete Stähle sind X3NiCoMoTi18-9-5, X2NiCoMo18-9-5 und X3NiCoMo18-8-5, die von der Firma Böhler unter der Bezeichnung W720 ausdrücklich für Zink- und Aluminiumdruckgusswerkzeuge empfohlen werden. Sie weisen eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit von 19 W/m-K bei 500°C auf. Der Heißkanal wird zur Steigerung der Produktivität in der Regel als verzweigter Heißkanal ausgeführt. Ein Hauptkanal verzweigt sich dabei in mehrere Teilkanäle, die jeweils in einer Druckgussdüse enden. Solche verzweigten Heißkanäle sind vorteilhaft einsetzbar beim Zinkdruckguss sowie beim Druckguss kleiner Magnesiumteile im Warmkammerverfahren.
Ein Nachteil der bekannten Verfahren ist der sogenannte Anguss, bestehend aus Gießmetall, das im düsennahen Bereich des Heißkanals, im Bereich der Druckgussdüse und in dem zur Gießform führenden Kanal erstarrt. Er kann 40 % bis 100 %, in manchen Fällen, z. B. bei kleinen Gussteilen, sogar ein Mehrfaches der Masse des Gussteils ausmachen. Der Anguss wird entweder verworfen oder nach erneutem Aufschmelzen dem Prozess wieder zugeführt. Beides ist mit einem unerwünscht hohen Material- bzw. Energieverbrauch verbunden. Auch eine Materi- aldegradation durch Schlacken- und/oder Oxidbildung ist möglich. (Beim Druckguss von Magnesium kann der Anguss nicht direkt wieder aufgeschmolzen werden, sondern muss aufwendig recycelt werden.) Es besteht daher ein dringender Bedarf für ein angussloses oder zumindest angussarmes Druckgussverfahren, das für alle im Metalldruckguss verwendeten Metalle einsetzbar ist.
Im Stand der Technik wurden bereits mehrere Druckgussverfahren beschrieben, die darauf abzielen, den unerwünschten Anguss zu vermeiden oder zumindest so weit wie möglich zu reduzieren (angussloser Druckguss). Diese bekannten Verfahren und ihre Nachteile werden nachfolgend beschrieben.
Im einfachsten Verfahren wird der in einer Druckgussdüse endende Heißkanal permanent beheizt, sodass es nicht zum Erstarren des Gießmetalls kommt. Das Gießmetall wird im Heißkanal und im Kanal der sich anschließenden Druckgussdüse permanent flüssiggehalten.
Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass in der Zeitspanne, während der die beiden Werkzeughälften voneinander getrennt sind, Gießmetall aus der Angussöffnung der Druckgussdüse ausfließt, auf der Oberfläche der festen Werkzeughälfte erstarrt und deren Kontur verändert. Da die feste und die bewegliche Werkzeughälfte dann nicht mehr dichtschließend verbunden werden könnten, muss ein solches Ausfließen und Erstarren zuverlässig verhindert werden.
Der unerwünschte Ausfluss von Gießmetall aus der Angussöffnung ist verhinderbar, wenn ein kleines Volumen von Gießmetall im Düsenkanal zum Erstarren gebracht wird und einen während der Trennung der beiden Werkzeughälften als Verschluss der Angussöffnung wirkenden Pfropfen bildet, der zu Beginn des nachfolgenden Gießvorgangs sofort wieder aufgeschmolzen wird. Es werden somit Vorrichtungen und Betriebsverfahren benötigt, die das schnelle wechselweise Er¬ starren und Aufschmelzen eines solchen Pfropfens gewährleisten. Vorrichtungen dazu wurden insbesondere in den Druckschriften
DE 10 2005 042 867 A1 (Bühler Druckguss AG) und EP 1 201 335 A1 (Oskar Frech GmbH) dargelegt. Beide Schriften sehen jedoch keine gezielte Beheizung des Pfropfenbereichs im Düsenkanal vor. Die beschriebenen Vorrichtungen errei- chen daher nicht die beim Metalldruckguss geforderten kurzen Taktzeiten.
Die DE 33 35 280 A1 (Ewikon GmbH) beschreibt ein elektrisches Heizelement zur Beheizung einer Metallschmelze in einem Heißkanal. An der Spitze des Heizelements besteht ein direkter elektrischer Kontakt zur Schmelze, sodass ein elektri- scher Strom durch die Schmelze fließen kann. Solche als Kurzschlussheizung o- der Widerstandsdirektheizung bekannten Heizelemente haben sich im Metalldruckguss nicht bewährt. Gründe hierfür sind:
- Bildung höherschmelzender intermetallischer Phasen durch die Reaktion des Gießmetalls mit dem Material des Heizelements, wodurch Düsenkanäle von an den Heißkanal angeschlossenen Druckgussdüsen irreversibel verschlossen werden können und der Heißkanal damit unbrauchbar werden kann,
- nicht reproduzierbare zeitliche Temperaturgänge aufgrund sich ändernder Kontaktflächen im Spitzenbereich des Heizelements,
- mangelnde Eignung für den zyklischen Betrieb, ein temporäres Verschließen des Heißkanals durch einen Pfropfen ist nicht vorgesehen.
Die WO 2013/071926 A2 beschreibt eine mit einer Heizvorrichtung ausgestattete Druckgussdüse und ein zugehöriges Betriebsverfahren, welches das Aufschmelzen und Wiedererstarren eines die Düse temporär verschließenden Pfropfens bei kurzen, nicht näher quantifizierten, Taktzeiten gewährleistet. Nachteilig ist jedoch der teure, komplexe und störanfällige Aufbau der Heizvorrichtung, die aus drei Komponenten besteht: einer Heizpatrone, einem Düsenschaft sowie einer Düsen- spitze, die unabhängig voneinander beheizbar sind. Diese Elemente sind teils metallisch, teils keramisch ausgeführt. Insbesondere weist die Heizpatrone metallische Heizleiter mit einer elektrisch isolierenden keramischen Ummantelung auf. Aufgrund der sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von metallischen und keramischen Materialien wird die keramische Ummantelung der Heizpatrone im Betrieb unter Zugspannung gesetzt, was zu einem Abplatzen der Keramik, gefolgt von einem Kurzschluss zwischen Heizleiter und metallisch leitfä- higer Schmelze, führen kann. Insbesondere der Verbindungsbereich zwischen Heizpatrone und Düsenspitze ist durch solche Kurzschlüsse gefährdet. Bekannt sind außerdem schwerwiegende Dichtigkeitsprobleme, die beim Dauerbetrieb eines mit einer Druckgussdüse gemäß der WO 2013/071926 A2 ausgestatteten Heißkanals auftreten und zum Austreten von Gießmetall an den Grenzflächen zwischen Heißkanal und Druckgussdüse und somit zur Zerstörung des Heißkanals führen. Mit Druckgussdüsen gemäß der WO 2013/071926 A2 ausgestattete Heißkanäle weisen somit eine unzureichende Temperaturwechselbeständigkeit auf und erreichen daher nicht die für den industriellen Einsatz notwendige Zuverlässigkeit. Da die Heizvorrichtung, wie gemäß dem Stand der Technik üblich, mit 230-V- Netzspannung betrieben wird, müssen zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden, um Gefährdungen im Falle eines Kurzschlusses auszuschließen.
Aufgabe der Erfindung Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und einen Heißkanal mit mindestens einer Druckgussdüse für eine Warmkammer-Druckgussvorrichtung anzugeben, dessen Einsatz im Metalldruckguss eine Produktivitäts- und Qualitätssteigerung bei gleichzeitiger Kostensenkung gewährleistet.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein für den industriellen Einsatz geeignetes Verfahren zum Betrieb der Druckgussvorrichtung anzugeben.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Heißkanal gemäß dem Anspruch 1 , ein Heizelement gemäß dem Anspruch 8 und ein Verfahren zum Betrieb einer Warmkammer-Druckgussvorrichtung gemäß dem Anspruch 16. Vorteil- hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Detaillierte Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung
Heißkanal mit mindestens einer durch ein Heizelement beheizbaren Druckgussdüse für den Warmkammer-Metalldruckguss
Der erfindungsgemäße Heißkanal zum Transport von Metallschmelzen, der zum Einbau in die feste Werkzeughälfte einer Druckgussvorrichtung geeignet ist, ist als Einsatz ausgeführt, der vollständig aus einem geeigneten chemisch resistenten Material gefertigt ist oder zumindest eine Auskleidung mit einem solchen Material aufweist. Durch diese Maßnahme wird der direkte Kontakt zwischen der Metallschmelze und der aus Werkzeugstahl gefertigten festen Werkzeughälfte ausge- schlössen, sodass auch die Metalle Zink (ZAMAK-Legierungen) und Aluminium, die sehr aggressive Schmelzen bilden, transportiert werden können. Geeignete chemisch resistente Materialien umfassen Materialien, die nicht mit den eingesetzten Metallschmelzen reagieren und zusätzlich folgende Eigenschaften aufweisen:
- eine hohe Druckfestigkeit, um der Druckwechselbelastung (beim Zink- druckguss z. B. Druckaufbau von Normaldruck bis auf 160 bar und Rückführung auf Normaldruck innerhalb eines Gießtakts) zu widerstehen,
- eine Wärmeleitfähigkeit λ, die ungefähr im Bereich von
40 W/m-K < λ < 165 W/m-K wählbar ist, sodass für den jeweils konkreten Anwendungsfall stets ein Material mit einem optimalen Wert aus diesem In- tervall, z. B. mit λ = 100 W/m-K, verfügbar ist.
Bevorzugte Materialien zur Ausführung des Einsatzes sind Molybdän (Mo), Wolfram (W), Legierungen auf der Basis dieser Metalle (MoW), und Elektrografit. Elektrografit ist in einer Vielzahl kommerzieller Produkte verfügbar, deren Wärmeleitfä- higkeiten λ den gesamten o. g. Bereich 40 W/m-K < λ < 165 W/m-K überstreichen. Allerdings weisen Elektrografite mit einer Wärmeleitfähigkeit oberhalb 100 W/m-K eine mangelnde Festigkeit auf, die ihren Einsatz im Metalldruckguss limitiert (ge- ringerer maximaler Gießdruck, geringere Druckwechselbeständigkeit). Bevorzugt ist daher Elektrografit mit λ = 100 W/rn-K, der eine gute Wärmeleitfähigkeit mit ausreichender Festigkeit kombiniert. Es ist möglich, den gesamten Einsatz aus einem solchen Material auszuführen. Alternativ kann der Grundkörper des Einsatzes (d. h. sein äußerer Teil), bei zweiteiligen Einsätzen zumindest der Grundkörper eines Teils, aus einem Werkzeugstahl hergestellt sein, sodass der Heißkanal lediglich mit einem Material, das die vorgenannten Eigenschaften aufweist, z. B. Elektrografit, ausgekleidet ist. Diese Auskleidung bildet eine Hülle, die die im Heißkanal strömende aggressive Metallschmelze zuverlässig von den aus Werkzeugstahl bestehenden Komponenten trennt.
Dadurch wird gewährleistet, dass das flüssige Gießmetall beim Durchströmen des Heißkanals einen monotonen, langsamen Temperaturabfall erfährt. Der dabei auftretende Temperaturgradient ΔΤ/Aa (wobei a eine Ortskoordinate in Richtung des Heißkanals ist), der von den Abmessungen der festen Werkzeughälfte, der Temperatur, auf der diese gehalten wird , und den Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Materialien abhängt, ist bekannt oder vom Fachmann leicht durch Messungen zu ermitteln. Somit ist der Fachmann in der Lage, die Temperatur des flüssigen Gießmetalls im Vorratsbehälter so zu wählen, dass das Gießmetall im Heißkanal zuverlässig im flüssigen Zustand bleibt. Abrupte Temperaturschwankungen des flüssigen Gießmetalls im Heißkanal werden vermieden. Der Heißkanal zeichnet sich also entlang seiner gesamten Länge bis hin zum Bereich der Druckgussdü- sen durch eine hohe thermische Trägheit aus.
Der erfindungsgemäße Heißkanal ist als Einsatz in die feste Werkzeughälfte jeder bekannten Warmkammer-Druckgussvorrichtung einbaubar, indem seine konstruktiven Parameter (Kanaldurchmesser, Kanallänge) den Abmessungen der festen Werkzeughälfte entsprechend gewählt werden. Wird ein verzweigter Heißkanal gewählt, so kann ein zweiteiliger Einsatz verwendet werden, wobei der Hauptkanal als zentrale Zuführung in einem ersten Teil des Einsatzes angeordnet ist, während die Teilkanäle, die vorzugsweise als gleichlange rechtwinklige Abzweigungen vom Hauptkanal ausgebildet sind, bevorzugt in einem zweiten, als flacher Zylinder ausgeführten, Teil des Einsatzes untergebracht sind. Beide Teile des Einsatzes sind dichtschließend, aber lösbar miteinander verbunden. Die feste Werkzeughälfte weist eine passgerechte Aufnahme auf, die es erlaubt, den Einsatz dichtschließend in die feste Werkzeughälfte einzusetzen. Es ist auch möglich, jedoch fertigungstechnisch schwieriger, den Einsatz eines verzweigten Heißkanals einteilig (monolithisch) auszuführen. Bei unverzweigter Ausführung verbindet der Heißkanal den Vorratsbehälter mit flüssigem Gießmetall direkt mit einer Druckgussdüse, aus deren Angussöffnung das unter hohen Druck versetzte Gießmetall in eine Gießform einschießen kann. Bei verzweigter Ausführung ist jeder Teilkanal mit einer solchen Druckgussdüse verbunden. Bevorzugt weisen die Teilkanäle unmittelbar vor der Druckgussdüse eine weitere bevorzugt rechtwinklige Umlenkung auf, sodass die ursprüngliche Strömungsrichtung wiederhergestellt wird und die Angussöffnungen der Druckgussdüsen auf der Peripherie eines Kreises auf der Außenseite des als flacher Zylinder ausgeführten Teils des Einsatzes angeordnet sind. Die unten detalliert beschriebene effiziente Beheizung des Heißkanals er¬ laubt große Kreisdurchmesser bis zu ca. 250 mm.
Durch den Einbau des als Einsatz ausgeführten Heißkanals in eine passgerechte Aufnahme in der festen Werkzeughälfte wird gesichert, dass der Heißkanal dem hohen Druck des flüssigen Gießmetalls widersteht.
Ausführung der Druckgussdüse und des zugehörigen Heizelements
Der erfindungsgemäße Heißkanal ist mit mindestens einer Druckgussdüse verbunden. Jede Druckgussdüse weist einen Düsenkanal auf, der den Heißkanal (im Falle eines verzweigten Heißkanals den zugehörigen Teilkanal) mit einer Angussöffnung verbindet. Vorzugsweise weist der Querschnitt des Düsenkanals in Richtung der Angussöffnung eine Verjüngung auf. Es werden Druckgussdüsen mit einem geringen Durchmesser x des Düsenkanals verwendet. Geeignet sind Durchmesser x < 7 mm, bevorzugt x < 5 mm. Besonders bevorzugt sind Druckgussdü- sen, deren Düsenkanal einen Durchmesser x < 3 mm aufweist. Sie werden in dieser Anmeldung als miniaturisierte Druckgussdüsen bezeichnet.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Wandung des Düsenkanals durch einen thermisch isolierenden, hohlzylinderartigen Düseneinsatz gebildet wird, der passgerecht in eine Aussparung des (bevorzugt aus Elekt- rografit mit einer guten Wärmeleitfähigkeit λ ~ 100 W/m-K gefertigten) Heißkanaleinsatzes eingesetzt ist. Als Material für den Düseneinsatz wird ein gegen die aggressive Schmelze resistentes Material mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit ge- wählt, vorzugsweise Hartkohle (λ ~ 4 W/m-K). Andere Materialien sind ebenfalls verwendbar, jedoch weniger bevorzugt, z. B. kann der Düseneinsatz auch aus Kohlenstoffgrafit mit geringfügig höherer Wärmeleitfähigkeit (λ = 8-17 W/m-K) gefertigt werden. Es ist vorteilhaft, die Innenseite des Düseneinsatzes mit einer hochfesten, gut wärmeleitenden Beschichtung zu versehen, vorzugsweise mit ei- ner keramischen Schicht aus Siliziumkarbid (SiC).
Die auf einer im Vergleich zur Metallschmelze niedrigen Temperatur gehaltene bewegliche Werkzeughälfte weist eine Führung auf, die es erlaubt, die bewegliche Werkzeughälfte zyklisch so zu bewegen, dass sie auf die feste Werkzeughälfte auffahrbar und wieder zurückfahrbar ist. Im aufgefahrenen Zustand besteht ein dichtschließender flächiger Kontakt zu dem die Angussöffnung umschließenden Düseneinsatz der Druckgussdüse, wobei die Angussöffnung selbst mit einem Kanal in der beweglichen Werkzeughälfte verbunden ist. Aufgrund des dichtschließenden flächigen Kontakts zum Düseneinsatz und der großen Temperaturdiffe- renz ΔΤ zwischen dem flüssigen Gießmetall und der beweglichen Werkzeughälfte wirkt die bewegliche Werkzeughälfte im aufgefahrenen Zustand als effiziente Wärmesenke im Bereich der Angussöffnung. Beispielsweise wird beim Zinkdruck- guss eine flüssige ZAMAK-Legierung mit einer Temperatur T ~ 420°C in den Düsenbereich geleitet, während die bewegliche Werkzeughälfte auf einer Temperatur von ca. 120°C gehalten wird. ΔΤ beträgt somit ca. 300 K. Ein im Bereich der Angussöffnung befindliches Gießmetall, z. B. eine ZAMAK-Legierung, ist somit mit hoher Effizienz kühlbar. Die wärmesenkende Wirkung kann noch verstärkt wer- den, indem der Düseneinsatz so geformt ist, dass er aus der festen Werkzeughälfte herausragt, sodass die Kontaktfläche zu einer invers geformten Kontur der beweglichen Werkzeughälfte vergrößert wird.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass mindestens ein elektrisches Heizelement im Heißkanal installiert wird, das eine gezielte zyklische Beheizung einer Druckgussdüse ermöglicht, wobei die maximale Heizleistung in den vom niedrigwärmeleitenden Düseneinsatz umgebenen Düsenkanal einbringbar ist. Im Falle eines verzweigten Heißkanals ist für jede Druckgussdüse ein solches Heizelement vorgesehen.
Erfindungsgemäß kommen elektrische Heizelemente zum Einsatz, bei denen ein elektrischer Heizleiter, z. B. eine Heizspirale oder Heizwendel aus Metall oder Leite rkeramik, durch eine hermetische Ummantelung von der Metallschmelze elektrisch isoliert ist. Diese elektrisch isolierende hermetische Ummantelung besteht bevorzugt aus einem keramischen Material, besonders bevorzugt aus Siliziumnitrid. Das Heizelement ist so konstruiert, dass es an seiner Spitze die größte Heizleistung und damit die höchste Temperatur erreicht.
Die Heizelemente sind stabförmig ausgeführt und weisen ihre größte Wärmeleistung im Bereich ihrer Stabspitze auf, sodass sie dort eine hohe maximale Oberflächentemperatur, bevorzugt T > 1000°C, besonders bevorzugt T ~ 1350°C, und eine hohe Aufheizgeschwindigkeit, bevorzugt ΔΤ/At > 600 K/s, erreichen. Die Heizelemente sind so eingebaut, dass ihre stabförmige Achse auf der (verlängerten) Düsenachse verläuft. Bei hinreichend großen Druckgussdüsen, deren Düsenkanal einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser des stab- förmigen Heizelements, wird das Heizelement in einer ersten Ausführungsform der Erfindung so eingebaut, dass seine Stabspitze in der Druckgussdüse endet. Bevorzugt wird die Stabspitze in der Angussöffnung platziert. Die Angussöffnung erhält somit eine Angusskontur in Form eines Ringes. Ein im Bereich der Angussöffnung befindliches Gießmetall, z. B. eine ZAMAK-Legierung, ist somit mit hoher Effizienz beheizbar. Anders geformte Angusskonturen sind möglich. Diese erste Ausführungsform weist jedoch Nachteile beim Wechsel eines defekten Heizelements auf. Es ist daher vorteilhaft, eine zweite, verbesserte, Ausführungsform einzusetzen, bei der die nachfolgend genannte konstruktive Ergänzung durch eine Hülse verwendet wird.
Bei Druckgussdüsen, deren Düsenkanal einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der als der Durchmesser des stabförmigen Heizelements, wird das Heizelement erfindungsgemäß mit einer Hülse mit aufgesetzter Hülsenspitze ausgestattet, um die effiziente Beheizung im Bereich der Angussöffnung zu gewährleisten. Diese vorteilhafte konstruktive Erweiterung wird unten detailliert beschrieben.
Auswahl geeigneter elektrischer Heizelemente
Wegen des getakteten Druckgussverfahrens müssen die benötigten elektrischen Heizelemente eine extreme Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen. Die komplette Neuentwicklung solcher Heizelemente ist äußerst aufwendig. Schon die Materialauswahl ist eine Herausforderung, da für Heizspirale und Ummantelung Materialien verwendet werden müssen, die in einem mehrere 100 K breiten Temperaturbereich exakt aufeinander abgestimmte thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Es ist daher zweckmäßig, anstelle einer Neuentwicklung die Verwendbarkeit kommerziell verfügbarer Heizelemente aus anderen, auch weit entfernt liegenden, technologischen Bereichen zu prüfen.
Messreihen an einer Vielzahl von kommerziell verfügbaren stabförmigen Heizelementen, darunter Heizpatronen von Watlow, Stabheizelemente von Rauschert sowie verschiedenartige Typen von Glühkerzen für die Dieselmotorentechnik, haben gezeigt, dass überrascherweise PKW-Dieselmotoren-Glühkerzen mit keramisch ummanteltem Glühstift die typischen Anforderungen im Metalldruckguss sehr gut erfüllen. In dem keramisch ummantelten Glühstift ist ein metallischer oder keramischer Heizleiter angeordnet. Solche Glühkerzen zeichnen sich durch sehr hohe Aufheizgeschwindigkeiten aus, wobei an der Spitze ihres Glühstifts die ma- ximale Heizleistung erreicht wird. Sie eignen sich daher optimal zur Spitzenbeheizung einer Druckgussdüse, d. h. zur effizienten Beheizung eines kleinen Volumens von Gießmetall im Bereich des Düsenkanals.
Als besonders geeignet erwiesen sich dabei Glühkerzen mit vollkeramischem Glühstift, bei denen eine elektrisch leitfähige, als Heizleiter wirkende, Keramik mit einer elektrisch isolierenden Keramik ummantelt ist. Solche Glühkerzen werden als vollkeramische Glühkerzen bezeichnet.
Getestet wurde insbesondere eine für PKW bestimmte vollkeramische Hochtemperatur-Glühkerze der Firma NGK (NHTC-Glühkerze: New High Temperature Ce- ramic). Sie erreicht an der Spitze ihres Glühstifts innerhalb von 2 s eine Temperatur von 1350°C, was einer Aufheizgeschwindigkeit von 675 K/s entspricht. Drei NHTC-Glühkerzen wurden einem Langzeittest im Pulsbetrieb unterzogen, wobei sie dauerhaft von einer flüssigen ZAMAK-Legierung des Typs Z410 mit einer Temperatur von 400°C umgeben waren. Sie durchliefen hierbei mehr als 50.000 Zyklen mit einer Taktzeit von 10 s, was einem Dauereinsatz von mehr als 140 h entspricht. Innerhalb jedes Takts/Zyklus wurden sie 7 s mit einer Gleichspannung von 1 V (Grundlast) betrieben, der ein Spannungspuls mit einer Amplitude von 13 V und 3 s Dauer folgte. Eine vierte NHTC-Glühkerze wurde wie zuvor beschrieben belastet, gefolgt von einer zusätzlichen Belastung (insgesamt weitere 70.000 Zyklen), wobei die Amplitude der Spannungspulse nach jeweils 14.000 Zyklen in Schritten von je 1 V auf 18 V erhöht wurde. In diesen Tests wurden keinerlei Schädigungen bzw. Leistungseinbußen der Glühkerzen festgestellt. Die getesteten Glühkerzen erfüllen voll und ganz die Anforderungen für den industriellen Einsatz in Druckgussvorrichtungen.
Bei der Herstellung dünnwandiger Gusswerkstücke kommen bevorzugt miniaturisierte Druckgussdüsen zum Einsatz, die einen Düsenkanal mit einem Durchmesser x < 3 mm aufweisen. Der Glühstiftdurchmesser von Glühkerzen ist zu groß, um den Glühstift bis in den Bereich der Angussöffnung solcher miniaturisierter Druckgussdüsen vorschieben zu können. Dieses Hindernis wird beseitigt durch die oben bereits erwähnte Ausstattung des Heizelements, hier der Glühkerze, mit einer Hülse mit aufgesetzter Hülsenspitze. Diese für jedes stabförmige Heizelement einsetzbare konstruktive Ergänzung wird nachfolgend am Beispiel der Glühkerze detailliert erläutert. Selbstverständlich ist diese konstruktive Ergänzung für jede Art eines stabförmigen Heizelements einsetzbar.
Bei Druckgussdüsen mit hinreichend großem Düsenkanaldurchmesser (nichtmini- aturisierte Druckgussdüsen) kann die Glühkerze in einer ersten Ausführungsform der Erfindung so positioniert werden, dass sich die Spitze ihres Glühstifts im Bereich der Angussöffnung befindet. Es ist jedoch vorteilhaft, eine verbesserte Ausführungsform einzusetzen, bei der die Glühkerze mit einer Hülse ausgestattet wird, die in den Bereich der Angussöffnung vorgeschoben wird. Wegen des hinreichend großen Düsenkanaldurchmessers ist eine Hülsenspitze hier nicht erforderlich.
In einem Heißkanal können miniaturisierte und nichtminiaturisierte Druckgussdüsen kombiniert werden.
Ausführung der Hülse mit optionaler Hülsenspitze
Die Hülse besteht aus einem hochschmelzenden, hochwärmeleitenden und gegenüber der Metallschmelze chemisch resistenten Material. Sie wird über den Glühstift der Glühkerze gestülpt, wobei ein wenige Zehntel Millimeter breiter Spalt zwischen der Oberfläche des Glühstifts und der Hülse verbleibt. Die Wärmeübertragung vom Glühstift zur Hülse erfolgt durch Wärmestrahlung. Die Hülse wird dichtschließend in den Heißkanaleinsatz eingesetzt, sodass sie in den Bereich der Druckgussdüse hineinreicht. Der Schaft der Glühkerze und die Hülse sind durch eine Steckverbindung verbunden. Durch einen Federmechanismus wird eine Kraft auf die Glühkerze und die Hülse ausgeübt, die die Hülse in einem Dichtsitz im Heißkanaleinsatz fixiert. Bevorzugt wirkt unabhängig davon einen zweite fixierende Kraft ausschließlich auf die Hülse. Indem die erste Kraft auf null reduziert, die zweite Kraft aber aufrechterhalten bleibt, sind die Glühkerze und die Hülse auch bei einem auf Betriebstemperatur befindlichen Heißkanal leicht voneinander trennbar. Dadurch ist es möglich, eine Glühkerze bei einem Defekt oder bei Erreichen einer vorgegebenen maximalen Standzeit (planmäßige Wartung) rasch zu wechseln. Zum sicheren Wechsel der Glühkerze wird die Temperatur des Heißkanals auf einen Wert, der geringfügig, bevorzugt 5 -10 K, unterhalb des Schmelzbereichs der verwendeten Druckgusslegierung liegt, abgesenkt, sodass die Metallschmelze im Heißkanal erstarrt und dabei die Hülse umschließt und fixiert. Somit kann die defekte Glühkerze leicht aus der fixierten Hülse herausgezogen und durch eine neue Glühkerze ersetzt werden. Während dieses Wechsels, der nur wenige Minuten beansprucht, sinkt die Temperatur des Heißkanals nur geringfügig, typischerweise um weitere 5-10 K, ab, bleibt also in der Nähe des Schmelzbereichs. Somit wird eine schnelle und energiesparende Wiederaufheizung und Verflüssigung des Gießmetalls realisiert. Durch diese Minimierung des Zeitaufwands für Wartung und Instandsetzung wird die Produktivität des Gießprozesses erheblich gesteigert. Die Hülse selbst muss nur sehr selten gewechselt werden, denn aufgrund ihrer Resistenz gegenüber der flüssigen Metallschmelze weist sie eine sehr hohe Standzeit auf, welche die Standzeit der Glühkerze um ein Vielfaches übertrifft. Durch den Wechsel der Hülse bedingte Ausfallzeiten sind vernachlässigbar.
Typischerweise befindet sich der Heißkanal beim Zinkdruckguss mit der ZAMAK- Legierung Z410, deren Schmelzbereich laut Datenblatt der Firma Roto Frank Aus- tria zwischen 379°C und 388°C liegt, auf einer Temperatur von ca. 420°C. Zum Herausziehen einer defekten Glühkerze aus ihrer Hülse wird der Heißkanal auf eine Temperatur nahe unterhalb des Schmelzbereichs, bevorzugt 370°C bis 375°C, heruntergekühlt, sodass die Hülse vom erstarrten Gießmetall umschlossen und fixiert wird. Während des nun folgenden Austauschs der Glühkerze, der nur wenige Minuten erfordert, sinkt die Temperatur weiter ab, ist aber problemlos oberhalb von 360°C zu halten. Ein zeitaufwendiges Ausschmelzen des Gießmetalls und ein zeitaufwendiges Abkühlen des Heißkanals auf handhabbare Temperaturen entfallen. Speziell für den Fall von Druckgussdüsen mit kleinem Durchmesser des Düsenkanals (miniaturisierte Druckgussdüsen) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hülse in einer ebenfalls aus einem hochschmelzenden, hochwärmeleitenden und chemisch resistenten Metall bestehenden Hülsenspitze ausläuft, wobei Hülse und Hülsenspitze aus dem gleichen Material bestehen können. Der Durchmesser der in ihrer einfachsten Form einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Hülsenspitze wird kleiner als der Durchmesser des Düsenkanals gewählt. Die Glühkerze wird so positioniert, dass sich die Hülsenspitze in den Düsenkanal hineinreicht und in der Ebene der Angussöffnung endet, sodass (im Falle einer kreisförmigen Angussöffnung) eine Angusskontur in Form eines Ringes und ein ringspalt- förmiger Düsenkanal gebildet werden. Neben dem kreisförmigen kann die Hülsenspitze auch anders geformte Querschnitte aufweisen, die zu entsprechend modifizierten spaltförmigen Düsenkanälen führen. Geeignet ist insbesondere ein sternförmiger Querschnitt der Hülsenspitze, der eine vorteilhaft vergrößerte wärmeabgebende Oberfläche der Hülsenspitze bei gleichzeitig verringertem Volumen des aufzuschmelzenden Gießmetalls bedingt.
Als hochschmelzende, hochwärmeleitende und gegenüber Metallschmelzen chemisch resistente Materialien zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hülse und ihrer Hülsenspitze sind insbesondere Refraktärmetalle oder Legierungen aus Re- fraktärmetallen geeignet. Refraktärmetalle weisen einen hohen Schmelzpunkt (oberhalb dem von Platin bei 1770°C), eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem von Keramiken nahekommt, auf. Ein besonders geeignetes Refraktärmetall ist Wolfram, da es im für den Zink- druckguss genutzten Temperaturbereich nicht mit dem geschmolzenen Gießmetall reagiert. Besonders geeignete Legierungen sind TZM (Titan-Zirkonium-Molybdän) und MoW mit 20-50 Masse-% W-Anteil. Zum Schutz gegen die aggressive Metallschmelze können die Hülsen und Hülsenspitzen auch mit geeigneten Materialien wie z. B. Kohlenstoff, insbesondere DLC-Schichten (diamond-like carbon) vom Typ ta-C (tetraedrische amorphe wasserstofffreie Kohlenstoffschichten), oder Al- CrN (z. B. ALCRONA von Fa. Balzers) beschichtet werden. Die Beständigkeit von Wolfram gegenüber einer ZAMAK-Schmelze wird dadurch von 750°C auf deutlich über 1000°C gesteigert.
Ein weiteres besonders geeignetes Material zur Beschichtung der aus Wolfram oder TZM bestehenden Hülse und Hülsenspitze ist Siliziumkarbid (SiC). Es schützt Hülse und Hülsenspitze vor dem direkten Kontakt mit aggressiven Metallschmelzen wie ZAMAK. Vorteilhaft ist es, wenn auch alle Innenwandungen des Grafitkörpers, also der Hauptkanal und die Teilkanäle, sowie die bevorzugt aus Hartkohle bestehenden Düseneinsätze eine SiC-Beschichtung aufweisen. Eine solche SiC-Beschichtung ist herstellbar, indem Silan als Silizium-Trägergas bei ca. 800°C durch den Heißkanal geleitet wird. Die dabei auf den Innenwandungen des Heißkanals und des Düseneinsatzes erzeugte SiC-Schicht schützt beide Bau¬ gruppen gegen Abrasion durch die schnell fließende Schmelze.
Die vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Ausstattung der Glühkerze mit der vorangehend beschriebenen Hülse mit optionaler Hülsenspitze seien hier noch einmal zusammengefasst:
- Der Glühstift der Glühkerze wird zuverlässig vor einem direkten Kontakt mit der aggressiven Schmelze geschützt.
- Die Standzeit der Glühkerze erhöht sich, da die Glühkerze selbst einer ge¬ ringeren Temperaturwechselbelastung ΔΤ/At und einem geringeren Temperaturgradienten ΔΤ/ΔΓ (in radialer Richtung) ausgesetzt wird. (Ein extrem hoher Temperaturgradient ΔΤ/ΔΓ tritt nur in dem wenige Zehntel Millimeter breiten Luftspalt zwischen der Hülse und dem Glühstift auf. Ohne Hülse würde dieser Temperaturgradient direkt auf den Glühstift wirken, was zu dessen Zerstörung durch thermomechanische Spannungen führen könnte.)
- Die Bildung hochschmelzender intermetallischer Phasen, Nitrid- oder Karbidphasen, die zu Verstopfungen des Heißkanalsystems führen könnten, wird zuverlässig vermieden.
- Die Hülse weist eine wesentlich höhere Standzeit als die Glühkerze auf. - Defekte Heizelemente sind durch Austausch der Glühkerze leicht instand zu setzen, ohne die Temperatur des Heißkanals herunterzufahren.
- Wärmeenergie ist über die Hülsenspitze gezielt auch in den Düsenkanal miniaturisierter Druckgussdüsen effizient einbringbar.
Die Glühkerze mit Hülse und Hülsenspitze bildet somit eine erfindungsgemäße Mikroheizpatrone, die zur effizienten Beheizung kleinster Volumina, insbesondere zur Beheizung des Düsenkanals einer miniaturisierten Druckgussdüse, geeignet ist.
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bereits eine einzige Glühkerze bzw. eine einzige Mikroheizpatrone auf Basis einer Glühkerze zur Beheizung einer Druckgussdüse ausreicht, wobei eine kombinierte Kanal- und Spitzenheizung realisiert wird: Über die Spitze des Glühstifts bzw. die Hülsenspitze erfolgt eine effiziente Beheizung des Düsenkanals der Druckgussdüse mit maximaler Heizleistung, während der stabförmige Glühstift, dessen Oberflächentemperatur in Richtung der Glühstiftspitze im Betrieb gleichmäßig zunimmt, eine gleichmäßige Beheizung des die Schmelze zuführenden Heißkanals gewährleistet, bei der die Metallschmelze im Heißkanal auf einer nahezu konstanten Temperatur oberhalb ihres Schmelzbereichs gehalten wird.
Wie oben beschrieben, kann der Glühstift einer Glühkerze im Falle einer Druckgussdüse mit hinreichend großem Kanaldurchmesser auch direkt bis in den Bereich der Angussöffnung vorgeschoben werden, wobei auf die Hülse mit optionaler Hülsenspitze verzichtet wird. Diese Ausführungsform ist aber mit Nachteilen beim Wechsel einer defekten Glühkerze verbunden. Das Gießmetall muss beim Entfernen der Glühkerze flüssig sein. Es ist ein Ausschmelzen des Heißkanals bei einer hohen Temperatur (beim Zinkdruckguss typischerweise 420°C) erforderlich, um die defekte Glühkerze austauschen zu können. Da die Glühkerze direkt nach dem Ausschmelzen wegen dieser hohen Temperatur nicht handhabbar ist, ist dieser Vorgang zeitaufwendig und wegen des damit verbundenen Produktionsstillstands kostenintensiv. Es ist daher vorteilhaft, die Glühkerze auch im Falle einer Druckgussdüse mit hinreichend großem Kanaldurchmesser mit einer Hülse auszustatten.
Der Glühstift (mit der in seinem Inneren angeordneten Heizwendel) wirkt aktiv (wärmegenerierend) und beheizt über Wärmestrahlung unmittelbar die von ihm nur über einen wenige Zehntel Millimeter breiten Luftspalt entfernte Hülse. Diese Art der Beheizung der Hülse wird als aktive Beheizung bezeichnet. Die Hülse selbst wirkt passiv, denn sie generiert keine Wärme, sondern leitet die vom Glühstift empfangene Wärmeenergie lediglich an die Hülsenspitze weiter. Die Beheizung der Hülsenspitze durch Festkörperwärmeleitung aus der Hülse wird deshalb als passive Beheizung bezeichnet.
Neben der passiven Beheizung der Hülsenspitze bewirkt die Hülse auch eine passive Beheizung des zugehörigen Teilkanals. Wärmeverluste der Schmelze beim Durchlaufen des Teilkanals werden dadurch kompensiert.
Druckgussverfahren mit minimiertem Anguss
Die vorab beschriebenen erfindungsgemäßen Komponenten erlauben es nun, mit einer damit ausgestatteten Druckgussvorrichtung ein Druckgussverfahren mit minimiertem Anguss und kurzer Taktzeit zu realisieren, wobei die Angussöffnung der mindestens einen Druckgussdüse während jedes Gießtakts temporär durch einen im Düsenkanal gebildeten Pfropfen aus erstarrtem Gießmetall verschlossen wird.
Die erfinderische Grundidee des Verfahrens besteht darin, einem zyklisch im Heißkanal strömenden Gießmetall entlang des Heißkanals bis in den Bereich der Druckgussdüse ein thermisch träges Verhalten aufzuprägen, welches dann in einem kleinen Volumen im Bereich des zur Angussöffnung führenden Düsenkanals abrupt in ein thermisch dynamisches Verhalten umschlägt.
Unter thermisch trägem Verhalten ist zu verstehen, dass das Gießmetall beim Durchströmen des Heißkanals (entlang einer Ortskoordinate a) einen monotonen Temperaturverlauf mit kleinem Temperaturgradienten ΔΤ/Aa zeigt, wobei seine Temperatur zuverlässig oberhalb des Schmelzbereichs der jeweils verwendeten Gießmetall-Legierung gehalten wird.
Unter thermisch dynamischem Verhalten ist zu verstehen, dass das Gießmetall in sehr kurzer Zeit eine große Wärmemenge aufnimmt und wieder abgibt. Die Aufnahme und Abgabe dieser Wärmemenge erfolgt dabei innerhalb jedes Gießtakts. Die Dauer beider Vorgänge entspricht daher ungefähr jeweils einer halben Taktzeit T.
Dieses thermisch dynamische Verhalten ist auf ein kleines ringförmiges Volumen VR beschränkt, das durch den Düsenkanal mit der zentral eingeführten Hülsenspitze gebildet wird.
Durch ein koordiniertes Zusammenwirken des Heizelements (als Wärmequelle) und der beweglichen Werkzeughälfte (als Wärmesenke) wird gewährleistet, dass innerhalb eines Gießtakts (dessen Anfangspunkt willkürlich festgelegt werden kann) das Gießmetall in dem kleinen Volumen VR zum Erstarren (Pfropfenbildung) und zum Wiederaufschmelzen (vollständige Auflösung des Pfropfens) gebracht wird. Durch die Pfropfenbildung wird die Angussöffnung während eines vorgewählten Abschnitts des Gießtakts zuverlässig verschlossen, sodass kein Gießmetall aus dem Kanal ausfließen kann. Dadurch wird das Gießmetall vollständig genutzt und sichergestellt, dass kein ausfließendes Gießmetall an der Oberfläche der festen Werkzeughälfte erstarrt. Erstarrtes Gießmetall würde ein dichtschließendes Auffahren der beweglichen Werkzeughälfte unmöglich machen, wodurch die Druckgussvorrichtung funktionsunfähig würde.
Als Anfangspunkt zur Beschreibung der Abläufe während eines Gießtakts wird ein Zeitpunkt gewählt, zu dem durch Auffahren der beweglichen Werkzeughälfte der Kontakt beider Werkzeughälften hergestellt und das elektrische Heizelement auf maximale Leistung (Spitzenwert Pi) geschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist das kleine Volumen VR mit einem Pfropfen aus erstarrtem Gießmetall gefüllt. In dem zu diesem Zeitpunkt beginnenden ersten Taktabschnitt n erfolgt der Wärmeeintrag in das kleine Volumen VR (mit einem Pfropfen aus erstarrtem Gießmetall), wobei die bewegliche Werkzeughälfte auf die feste Werkzeughälfte aufgefahren bleibt und das elektrische Heizelement (hier der Glühstift der Glühkerze) auf seiner maximalen Leistung gehalten wird. Da der Düseneinsatz aus einem Material mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht, ist der Abfluss von Wärmeenergie aus dem kleinen Volumen VR in die feste Werkzeughälfte vernachlässig- bar. Die aufgefahrene bewegliche Werkzeughälfte übt zwar eine wärmesenkende Wirkung auf das kleine Volumen VR aus, jedoch wird diese durch den auf maximale Leistung geschalteten Glühstift stark überkompensiert. Die entlang der Achse des kleinen ringförmigen Volumens VR angeordnete passiv beheizte Hülsenspitze überträgt die vom Glühstift über die Hülse zur Hülsenspitze transportierte Wärmeenergie auf den im Volumen VR befindlichen Pfropfen. Diese Wärmeenergie wird genutzt, um die Temperatur des Pfropfens zunächst bis zur unteren Grenze des Schmelzbereichs zu erhöhen, sodann die latente Wärme (in diesem Fall die Schmelzwärme) einzubringen, wobei die Temperatur bis zur oberen Grenze des Schmelzbereichs ansteigt und der Pfropfen vollständig aufgeschmolzen wird, und schließlich die Temperatur auf eine vorgewählte Zieltemperatur oberhalb der oberen Grenze des Schmelzbereichs zu bringen.
Sobald das Aufschmelzen abgeschlossen ist, wird im nun folgenden zweiten Taktabschnitt τ2 das elektrische Heizelement auf minimale Leistung (Basiswert P0) geschaltet und durch den Gießkolben der Gießdruck aufgebaut, sodass die Metallschmelze mit hoher Geschwindigkeit in die Gießform einschießt und diese vollständig füllt. Sobald die Gießform innerhalb eines vernachlässigbar kurzen Zeitraums gefüllt ist, kommt die inkompressible Metallschmelze im Heißkanal und damit auch im Volumen VR zum Stehen, obwohl der Gießdruck in einer sogenannten Nachdrückphase noch aufrechterhalten wird. Diese Nachdrückphase kann bis zum Ende des zweiten Taktabschnitts ausgedehnt werden. Aufgrund der effektiven Wärmeabführung über die bewegliche Werkzeughälfte, deren wärmesenkende Wirkung wegen der stehenden Schmelze nun voll zum Tragen kommt, sinkt die Temperatur des flüssigen Gießmetalls im kleinen Volumen VR zunächst von der beim vorangehenden Heizvorgang erreichten Zieltemperatur bis zur oberen Grenztemperatur des Schmelzbereichs der verwendeten Legierung ab. Bei Erreichen dieser oberen Grenztemperatur setzt ein Erstarrungsprozess ein (Abführung latenter Wärme, in diesem Fall Erstarrungswärme), wobei die Temperatur weiter absinkt, bis bei Erreichen der unteren Grenztemperatur des Schmelzbereichs das Gießmetall in dem kleinen Volumen VR vollständig erstarrt ist und einen Pfropfen bildet, der den Düsenkanal ausfüllt und die Angussöffnung zuverlässig verschließt,
Sobald die weiter absinkende Temperatur einen vorgewählten Wert erreicht hat, wird in einem dritten Taktabschnitt τ3 die bewegliche Werkzeughälfte von der festen Werkzeughälfte zurückgefahren, die gefertigten Druckgussteile werden ausgeworfen und nach einem Sprühkühlen der beiden Werkzeughälften durch erneutes Auffahren der beweglichen Werkzeughälfte auf die feste Werkzeughälfte und Schalten des Heizelements auf maximale Leistung der Anfangszustand wiederhergestellt und der Zyklus geschlossen.
Ein Herausreißen des Pfropfens aus der Angussöffnung bei der Trennung der Werkzeughälften und dem Auswerfen des Druckgusswerkstücks wird durch eine Verjüngung des Düsenkanals in Richtung der Angussöffnung verhindert. An der Angussöffnung wird eine Sollbruchstelle gebildet, an welcher der verbliebene Anguss abreißt, während der in dem kleinen Volumen VR erstarrte Pfropfen in der Düsenspitze zurückgehalten und im nächsten Gießtakt wieder vollständig aufgeschmolzen und in den Gießprozess zurückgeführt wird. Der Anguss wird somit auf den Bereich der Kanäle in der beweglichen Werkzeughälfte reduziert und dadurch minimiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Taktzeit τ eines Gießtakts gegenüber dem Stand der Technik deutlich zu verkürzen. Es sind Taktzeiten τ < 10 s, bevorzugt τ < 6 s, besonders bevorzugt τ < 5 s, erreichbar. Das kleine Volumen VR (Bereich der Pfropfenbildung) wird dazu bis auf Werte kleiner
20 mm3, bevorzugt kleiner 10 mm3, reduziert, was beim Zinkdruckguss einer Mas- se < 70 mg, bevorzugt < 35 mg, einer ZAMAK-Legierung entspricht. Diese Reduktion ist Voraussetzung für die kurzen Taktzeiten, da wegen der hohen spezifischen Energieumsätze beim Aufschmelzen und Erstarren nur in einem sehr kleinen Volumen die gewünschte hohe thermische Dynamik erreichbar ist. Je kleiner das Volumen VR, desto kürzere Taktzeiten sind realisierbar.
Eine Verlängerung der Taktzeiten, z. B. τ < 15 s, τ < 20 s, ist selbstverständlich problemlos möglich.
Inhalt der in den folgenden Ausführungsbeispielen diskutierten Abbildungen
Fig. 1 : Draufsicht eines als flacher Zylinder ausgeführten Bauteils eines verzweigten Heißkanals.
Fig. 2: Schnitt durch einen verzweigten Heißkanal.
Fig. 3: Vergrößerter Schnitt durch einen Teilbereich des Heißkanals mit Druckgussdüse und Heizelement (Glühkerze).
Fig. 4: Pulsregime eines Heizelements zur Beheizung einer Druckgussdüse (zeitlicher Verlauf von Heizleistung P und Druck p).
Fig. 5: Schnitt durch einen verzweigten Heißkanal mit zentral beheiztem Hauptkanal (in 2 Ausführungsformen).
Fig. 6: Schnitt durch einen verzweigten Heißkanal mit symmetrisch von außen beheiztem Hauptkanal.
Ausführungsbeispiel 1
Druckgussvorrichtung mit einem verzweigten Heißkanal für den Zinkdruck- guss mit passiver Spitzenbeheizung der Druckgussdüsen, Verfahren zum Betrieb dieser Druckgussvorrichtung
Die Vorteile der Erfindung werden bestmöglich ausgenutzt, wenn der Heißkanal als verzweigter Heißkanal ausgeführt wird. Aufbau des Heißkanals
Eine schematische (nicht maßstabgerechte) Darstellung eines erfindungsgemäßen Heißkanals 20 zeigen die Figuren 1 - 3.
Die feste Werkzeughälfte (in den Figuren nicht dargestellt) einer Druckgussvorrichtung ist mit einem Heißkanal 20 ausgestattet, der einen ersten Abschnitt (Hauptkanal 23) aufweist. Dieser Hauptkanal 23 ist in eine passgenaue Aufnahme der festen Werkzeughälfte der Druckgussvorrichtung eingesetzt. Das vordere Ende dieses Abschnitts ist mit einem (nicht dargestellten) Vorratsbehälter, der eine ZAMAK-Schmelze (Z410) enthält, verbunden. Die ZAMAK-Schmelze S ist dem Hauptkanal 23 zuführbar.
Das hintere Ende des Hauptkanals 23 verzweigt sich, jeweils unter einem rechten Winkel, sternförmig in 12 Teilkanäle, davon 8 längere Teilkanäle 25A-25H und 8 kürzere Teilkanäle 25a-25h, die in einem als flacher Zylinder 21 ausgeführten Bauteil untergebracht sind.
Fig. 1 zeigt in Draufsicht das als flacher Zylinder ausgeführte Bauteil 21 mit der Anordnung der von dem (senkrecht zur Zeichenebene stehenden Hauptkanal 23 mit der Symmetrieachse A) ausgehenden Teilkanäle. Die 8 längeren Teilkanäle 25A-25H weisen eine Länge von 80 mm auf, wobei benachbarte Teilkanäle jeweils um 45° zueinander versetzt sind. Die 8 kürzeren Teilkanäle 25a-25h weisen eine Länge von 40 mm auf, wobei benachbarte Teilkanäle jeweils um 45° zueinander versetzt sind. Die Symmetrieachse A ist somit eine 8-zählige Symmetrieachse. Die kürzeren Teilkanäle sind zudem so angeordnet, dass sie den von zwei benachbarten längeren Teilkanälen aufgespannten Winkel von 45° halbieren. (Durch die gestrichelte Darstellung wird verdeutlicht, dass die Teilkanäle vollständig im Inneren des Bauteils 21 verlaufen.
Die Enden aller Teilkanäle weisen eine Umlenkung um 90° auf, die der ersten Um- lenkung entgegengesetzt ist, und münden jeweils in eine Druckgussdüse 26. Die Druckgussdüsen 26 weisen jeweils einen Düsenkanal auf, der in einer Angussöff- nung 38 auf der kreisförmigen äußeren Oberfläche des zylindrischen Bauteils 21 endet. In der unteren Hälfte von Fig. 1 sind die Angussöffnungen 38 von sieben Druckgussdüsen 26 vereinfacht als Kreise dargestellt. Außerdem sind neun Projektionen 30 der zugehörigen Druckgussformen dargestellt, die sich in der (nicht dargestellten) beweglichen Werkzeughälfte befinden. Die Anordnung der Projektionen zeigt, dass das verfügbare Volumen in der beweglichen Werkzeughälfte durch die Wahl unterschiedlich langer Teilkanäle besonders effizient genutzt wird. (Die Anordnung der Druckgussformen setzt sich in der oberen Hälfte von Fig. 1 entsprechend fort, ist dort aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.) Die Angussöffnungen 38 sind auf der Peripherie zweier konzentrischer Kreise angeordnet, wobei auf der Peripherie des äußeren Kreises (Radius 80 mm) 8 Angussöffnungen 38 ein regelmäßiges Achteck aufspannen und auf der Peripherie des inneren Kreises (Radius 40 mm) 8 Angussöffnungen 38 ein kleineres zweites regelmäßiges Achteck aufspannen. Der gemeinsame Mittelpunkt der konzentrischen Kreise liegt auf der Symmetrieachse A.
In der oberen Hälfte von Fig. 1 sind die Druckgussdüsen 26 mit weiteren Details dargestellt. Links oben ist eine vergrößerte Darstellung mit einem Düseneinsatz 27 und einer Hülsenspitze 36 gezeigt, die eine ringförmige Angussöffnung 38 bilden.
Durch die Linie X-X wird eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Schnittfläche definiert. Die Symmetrieachse A liegt in dieser Schnittfläche.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Heißkanal entlang der durch in Fig. 1 definierten Schnittfläche X-X. Der zylindrische Hauptkanal 23, der von einer Wandung 24 aus einem Elektrografit (Wärmeleitfähigkeit λ = 100 W/m-K) begrenzt wird, führt zu dem zylindrischen Bauteil 21 mit Wandungen 22 aus Elektrografit, wo er sich rechtwinklig in die Teilkanäle 25A-25H und 25a-25h verzweigt. Nur die Teilkanäle 25A und 25E sind im Schnittbild sichtbar. Das zylindrische Bauteil 21 ist mit der Wandung 24 des Hauptkanals monolithisch verbunden. Alle Teilkanäle (nachfolgend erläutert am Beispiel des Teilkanals 25A) weisen an ihrem Ende eine rechtwinklige Umlenkung auf, die sie mit einer Druckgussdüse 26 mit einem Düsenkanal verbindet, dessen Geometrie durch einen Düseneinsatz 27, bestehend aus Hartkohle, definiert wird. Die Druckgussdüse 26 ist mit einer durch die Kraft F fixierten Glühkerze 28 mit übergestülpter Hülse 29 aus Wolfram mit Kohlenstoffbeschichtung ausgestattet. Dieser (für alle Teilkanäle derart ausgeführte) Düsenbereich, gekennzeichnet durch die Markierung D, ist in Fig. 3 detailliert dargestellt. Die Anordnung weist noch einen Stopfen 31 auf. Dieser verschließt eine Öffnung, die fertigungsbedingt beim Ausbohren der Teilkanäle entsteht. Der Stopfen 31 bildet einen Teil der Wandung des zylindrischen Bauteils 21 und ist, wie das gesamte Bauteil 21 , aus einem Elektrografit gefertigt.
Fig. 3 zeigt den vergrößert dargestellten Düsenbereich D, wobei auch die Glühkerze mit Hülse in Schnittdarstellung erscheint.
Eine NHTC-Glühkerze 28 mit übergestülpter Hülse 29 ist in eine als Dichtsitz ausgeführte Aufnahme des zylindrischen Bauteils 21 so eingebaut, dass ihre Achse entlang der Achse der Druckgussdüse 26 verläuft, also senkrecht zum Teilkanal 25A steht. Bezogen auf den Teilkanal 25A liegt somit ein Quereinbau der Glühkerze vor. Der Schaft 32 der Glühkerze 28 wird durch eine Kraft F fixiert, die auch auf die Hülse 29 übertragen wird. Zwischen dem Glühstift 33 der Glühkerze und der Wand 34 der Hülse 29 verbleibt ein umlaufender Luftspalt 35 der Dicke 0,15 mm.
Die Hülse 29 läuft in einer (ebenfalls aus Wolfram mit Kohlenstoff-Beschichtung bestehenden) Hülsenspitze 36 mit der Länge h = 5 mm und dem Durchmesser y = 2 mm, die in den durch den Düseneinsatz 27 definierten Düsenkanal 37 mit dem Durchmesser x = 3 mm hineinreicht und in Höhe der Angussöffnung 38 endet. Dadurch erhält der Düsenkanal die Form eines Ringspalts und endet in einer ringförmigen Angussöffnung 38. Der Ringspalt weist in Höhe der Angussöffnung 38 eine Breite von 0,5 mm auf. Für den ringspaltförmigen Düsenkanal 37 der Höhe h = 5 mm ergibt sich somit ein kleines Volumen VR = 18,8 mm3. Hingegen weist der Glühstift 33 ein Volumen VG von ca. 85 mm3 auf, das sich aus seiner Länge (10 mm) und seinem Durchmesser von 3,3 mm ergibt. VR ist somit wesentlich kleiner als VG. Die Glühkerze 28 mit Hülse 29 und Hülsenspitze 36 bildet eine Mikroh- eizpatrone, da der Durchmesser der Hülsenspitze so gewählt ist, dass auch die hier gewählten miniaturisierten Druckgussdüsen effizient beheizbar sind.
Die auf die Glühkerze 28 und die Hülse 29 wirkende Kraft F wird durch einen Federmechanismus erzeugt. Unabhängig davon erzeugt ein zweiter Federmechanismus eine (gleichmäßig am unteren Rand der Hülse 29 angreifende) Kraft F'. Die Kraft F' fixiert die Hülse 29 auch dann in ihrem Dichtsitz, wenn die Kraft F auf null reduziert wird.
In Fig. 3 ist auch die Verjüngung des Düsenkanals 37 in Richtung der Angussöffnung 38 erkennbar, die in den übrigen Abbildungen zeichnerisch vernachlässigt wird. Sie wird realisiert, indem der Düseneinsatz 27 innen leicht konisch ausgeführt wird. Der Neigungswinkel (gegenüber einer zylindrischen Form) beträgt 2° bis 10°, bevorzugt 5°.
Ein besonderer wirtschaftlicher Vorteil der Anordnung besteht darin, dass die Teilkanäle mit einer im Vergleich zu bekannten Lösungen wesentlich größeren Länge, hier 80 mm, ausgeführt werden können. Dadurch wird das für die Positionierung von Druckgussformen verfügbare Volumen vergrößert und kann durch Verwendung unterschiedlich langer Teilkanäle optimal genutzt werden. Im gezeigten Beispiel werden je Gießtakt 16 Druckgusswerkstücke hergestellt.
Funktionsweise des Heißkanals in einer Druckgussvorrichtung
Das Druckgussverfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Heißkanals mit kombinierter Kanal- und Spitzenheizung beinhaltet ein synchronisiertes Zusammenwirken von Beheizung (realisiert durch Mikroheizpatronen), Druckbeaufschlagung (durch Bewegung des Gießkolbens) und Kühlung (durch Auffahren der beweglichen Werkzeughälfte) und anschließender Sprühkühlung der Oberflächen beider Werkzeughälften. Alle Vorgänge laufen periodisch ab, wobei die Perioden- dauer der Taktzeit τ entspricht. Die Mikroheizpatronen aller Teilkanäle werden mit einem identischen Pulsregime betrieben.
Es wird eine Taktzeit τ = 10 s gewählt, die in drei Taktabschnitte τι = 3 s, τ2 = 4 s, τ3 = 3 s unterteilt wird. Im Taktabschnitt xi liegt die Heizleistung jeder Mikroheiz- patrone auf einem Spitzenwert Pi = 400 W. In den Taktabschnitten τ2 und τ3 liegt die Heizleistung jeder Mikroheizpatrone auf einem Basiswert P0 = 40 W. Das Umschalten zwischen den Leistungsstufen P0 und Pi erfolgt mit einer Schaltzeit, die sehr viel kürzer ist als die Taktabschnitte. In den Taktabschnitten und τ2 sind die feste und bewegliche Werkzeughälfte miteinander verbunden, im Taktabschnitt τ3 sind die beiden Werkzeughälften voneinander getrennt. Während des Taktabschnitts τ2 befindet sich die Metallschmelze im Heißkanal unter dem Gießdruck pG = 160 bar, während der Taktabschnitte τι und τ3 befindet sie sich unter Normaldruck pN. Die für den Druckauf- und -abbau notwendige Zeitspanne ist sehr viel kürzer als die Taktabschnitte. Das resultierende Betriebsregime ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Aufgrund der kurzen Schaltzeiten und der schnellen Druckänderungen handelt es sich um ein Rechteckregime. Die Taktabschnitte T τ2, τ3 beginnen jeweils zu den gleichindizierten Zeitpunkten ti, t2, t3.
Als Ausgangssituation zur Beschreibung des periodischen Gesamtablaufs wird der Zustand im Zeitpunkt ti gewählt. Zum Zeitpunkt ti ist der Düsenkanal durch einen Pfropfen aus erstarrter ZAMAK-Schmelze verschlossen, der in einem Zylinder befindliche Gießkolben ist zurückgefahren, sodass sich der mit dem Heißkanal verbundene Zylinder mit ZAMAK-Schmelze aus dem Vorratsbehälter (Temperatur T = 440°C) gefüllt hat. Die Schmelze im Zylinder und im Heißkanal steht unter Normaldruck pN = 1 bar.
Im Zeitpunkt ti wird die Heizleistung der Mikroheizpatronen vom Basiswert P0 auf den Spitzenwert Pi umgeschaltet, gleichzeitig endet ein Auffahrvorgang der beweglichen Werkzeughälfte auf die feste Werkzeughälfte mit der Herstellung einer dichtschließenden Verbindung zwischen beiden Werkzeughälften. Die Düsenkanäle der festen Werkzeughälfte werden dadurch mit den zugehörigen Kanälen der beweglichen Werkzeughälfte, welche zu den Druckgussformen der Druckgusswerkstücke führen, verbunden. Die vom Glühstift, der sich bis auf 1350°C aufheizt, erzeugte Wärmeenergie wird durch Wärmestrahlung auf die Wandung der Hülse und von dort durch Festkörperwärmeleitung in die Hülsenspitze übertragen (passive Beheizung der Hülsenspitze). Die Hülsenspitze erhitzt den im Düsenkanal befindlichen Pfropfen und bewirkt sein vollständiges Aufschmelzen innerhalb des Taktabschnitts Ti . Die hohe thermische Dynamik (kurze Dauer) dieses Aufschmelzens wird durch den niedrigwärmeleitenden, aus Hartkohle bestehenden Düseneinsatz gewährleistet, der die Wandung des Düsenkanals bildet und Wärmeverluste durch Wärmeleitung auf ein Minimum reduziert.
Das Aufschmelzen des Pfropfens ist zum Zeitpunkt t2 abgeschlossen, wodurch die Angussöffnung geöffnet wird. Zum Zeitpunkt t2 erfolgen gleichzeitig die nachstehenden genannten Vorgänge: Die Heizleistung der Mikroheizpatronen wird auf den Basiswert P0 = 40 W heruntergeschaltet. Der Gießkolben wird in eine Bewegung nach vorn (in Richtung der festen Werkzeughälfte) versetzt, wodurch die ZAMAK-Schmelze im Zylinder und im Heißkanal unter den Gießdruck pG von ca. 160 bar gesetzt wird und durch die Teilkanäle und die Druckgussdüsen mit hoher Geschwindigkeit in die Kanäle der beweglichen Werkzeughälfte einschießt, die Druckgussformen füllt und darin aufgrund der niedrigen Temperatur der beweglichen Werkzeughälfte (ca. 120°C) erstarrt. Sobald die Druckgussformen gefüllt sind, kommt die inkompressible Metallschmelze im Heißkanal zum Stehen und die wärmesenkende Wirkung der beweglichen Werkzeughälfte kommt zum Tragen. Ausgehend von den Angussöffnungen setzt ein Erstarren der Schmelze in den Düsenkanälen ein, es bildet sich ein Pfropfen aus erstarrter Schmelze, der in den Düsenkanal hineinwächst. Am Ende des Taktabschnitts τ2 ist der Pfropfen voll ausgebildet. Er füllt den Düsenkanal vollständig aus und verschließt die Angussöffnung sicher. Der Gießdruck pG wird in einer Nachdrückphase bis zum Ende des Taktabschnitts τ2 aufrechterhalten.
Zum Zeitpunkt t3 wird durch Zurückfahren des Gießkolbens der Druck auf die Metallschmelze im Heißkanal auf Normaldruck pN gesenkt. Gleichzeitig werden die beiden Werkzeughälften durch Zurückfahren der beweglichen Werkzeughälfte voneinander getrennt, wobei der minimierte Anguss an der Angussöffnung, die wegen des verjüngten Düsenkanals eine Sollbruchstelle bildet, abreißt. Innerhalb des Taktabschnitts τ3 werden die Druckgussformen in der beweglichen Werkzeughälfte geöffnet, die gefertigten Druckgusswerkstücke ausgeworfen, die Oberflächen beider Werkzeughälften sprühgekühlt, die Druckgussformen wieder geschlossen und die bewegliche Werkzeughälfte wieder auf die feste Werkzeughälfte aufgefahren. Am Ende des Taktabschnitts τ3, im Zeitpunkt t4, ist die oben beschriebene Ausgangssituation wiederhergestellt und der beschriebene Ablauf beginnt mit dem nächsten Gießtakt von neuem. Der Zeitpunkt t4 ist daher äquivalent zum Zeitpunkt ti.
Je Gießtakt der Dauer τ = 10 s werden 16 Druckgusswerkstücke gefertigt. Daraus resultiert eine sehr hohe Produktivität (5760 Werkstücke je Stunde, Zeitaufwand je Werkstück: 0,625 s).
Die hohe thermische Dynamik im Bereich der Druckgussdüse kann durch einfache Anpassungen ihrer Geometrie (weitere Miniaturisierung) noch gesteigert werden. Dazu werden in Weiterführung dieses Ausführungsbeispiels lediglich die Abmessungen x und y verkleinert (auf x = 2 mm, y = 1 ,5 mm), während die übrigen Abmessungen unverändert bleiben. Daraus resultiert ein Volumen VR des ringspalt- förmigen Düsenkanals von nur noch 6,9 mm3. Aufgrund des dadurch verringerten Pfropfenvolumens kann der der Pfropfen in kürzerer Zeit zum Aufschmelzen und Erstarren gebracht werden, was eine weitere Verkürzung der Taktzeit τ ermöglicht.
Bei einer Verkürzung der Taktzeit auf 6 s steigt die Produktivität auf 9600 Werkstücke je Stunde (Zeitaufwand je Werkstück: 0,375 s).
Die in Fig. 1 -3 dargestellte Anordnung kann beliebig im Raum gedreht werden, wobei eine waagerechte Lage des Hauptkanals 23 bevorzugt ist. In diesem Fall verlaufen die Achse des zylindrischen Bauteils und die Achse der Anordnung der Druckgussformen in der beweglichen Werkzeughälfte waagerecht. Nach Öffnung der beweglichen Werkzeughälfte entlang einer senkrecht stehenden, durch die Druckgussformen verlaufenden Ebene können die Druckgusswerkstücke als freifallende Teile ausgeworfen werden.
Ausführungsbeispiel 2
Verzweigter Heißkanal gemäß Ausführungsbeispiel 1 mit zusätzlicher aktiver Beheizung des Hauptkanals durch eine zentral angeordnete Heizpatrone Die in Ausführungsbeispiel 1 beschriebene Vorrichtung, bei der sich die Beheizung auf die Druckgussdüsen beschränkt, wird durch eine zusätzliche Heizpatrone ergänzt, die eine aktive Beheizung des ersten Abschnitts des Heißkanals (Hauptkanal 23) gewährleistet.
Die entsprechend weiterentwickelte Vorrichtung ist schematisch in Fig. 5a dargestellt. Der Hauptkanal 23 weist zwei seitliche Zuführungen 23a, 23b auf, über die die Schmelze S zuführbar ist. Entlang der Symmetrieachse A wird eine Heizpatrone installiert, die aus einer Glühkerze 28a und einer darübergestülpten Hülse 29a aus Wolfram mit Kohlenstoff-Beschichtung besteht. Diese wird in einem Dichtsitz, der durch den Grafitkörper der Wandung 24 gebildet wird, fixiert. Die Fixierung erfolgt durch die mit einem Federmechanismus erzeugte Kraft F. Analog zu Fig. 3 kann die Hülse durch eine (in Fig. 5a nicht dargestellte) Kraft F', die unabhängig von F ist, fixiert werden. Der Hauptkanal 23 kann in unterschiedlichen Längen ausgeführt sein. Fig. 5b zeigt eine Ausführungsform mit einem längeren Hauptkanal 23, deren übrige Merkmale mit denen der Ausführungsform in Fig. 5a übereinstimmen.
Im Hauptkanal soll die Metallschmelze in thermisch träges Verhalten zeigen, sie soll ihre Ausgangstemperatur also annähernd beibehalten. Die Heizpatrone hat die Aufgabe, Wärmeverluste der Schmelze, die auf dem vom Vorratsbehälter ausgehenden Transportweg aufgetreten sind, auszugleichen. Um die Ausgangstemperatur der Schmelze aufrechtzuerhalten, wird die Heizpatrone mit variabler Leis- tung betrieben, die durch einen mit einer Temperaturmessvorrichtung verbundenen Regler geregelt wird. Jedoch erfolgen dabei, im Gegensatz zu den Heizelementen der Druckgussdüsen, keine abrupten Leistungsumschaltungen. Da die Heizpatrone somit nicht gepulst betrieben wird, kann sie mit einer kostengünstigen Glühkerze ausgestattet werden, eine für den Pulsbetrieb geeignete NHTC- Glühkerze ist nicht erforderlich. Es wird eine Metallstabglühkerze eingesetzt, deren metallischer Glühstift durch die übergestülpte Hülse aus Wolfram geschützt ist.
Die eigentliche Beheizung des Hauptkanals erfolgt durch die aktiv beheizte Hülse 29a, eine (passiv beheizte) Hülsenspitze ist nicht erforderlich.
Im Übrigen stimmen Aufbau und Funktionsweise der Vorrichtung mit der Darstellung in Ausführungsbeispiel 1 überein.
Ausführungsbeispiel 3
Verzweigter Heißkanal gemäß Ausführungsbeispiel 1 mit zusätzlicher passiver Beheizung des Hauptkanals durch mehrere benachbart zum Hauptkanal symmetrisch angeordnete Heizpatronen
Die Anordnung in Ausführungsbeispiel 2 gewährleistet aufgrund der zentralen, Positionierung der Heizpatrone auf der Symmetrieachse A eine gleichmäßige Beheizung des Hauptkanals, jedoch ist die Fertigung der seitlichen Zuführungen 23a, 23b sehr aufwendig. Dieser Nachteil wird in Ausführungsbeispiel 3 überwunden.
Hierbei ist die Wandung 24 des Hauptkanals 23 mit parallel zur Symmetrieachse A verlaufenden Aufnahmen ausgestattet, in die Heizpatronen passgenau eingesetzt sind. Um den Heißkanal annähernd gleichmäßig zu beheizen, sind vier Aufnahmen mit Heizpatronen so angeordnet, dass sie gleiche Abstände zur Symmetrieachse A aufweisen und durch eine 90°-Drehung um A ineinander übergehen. Die Anordnung der Heizpatronen weist somit eine 4-zählige Symmetrie auf. Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch einen so ausgeführten Heißkanal. In Aufnahmen 40 sind Heizpatronen 41 , aufweisend einen Schaft 42 und einen Heizstab 43, eingesetzt. Im Betrieb der Heizpatrone 41 bildet sich aufgrund thermischer Ausdehnung des Heizstabs 43 ein straffer flächiger Kontakt des Heizstabs 43 zur Aufnahme 40 aus, sodass eine sehr gute Wärmeleitung in die Wandung 24 gewährleistet wird. Ist die Heizpatrone 41 hingegen außer Betrieb und abgekühlt, so kann sie leicht aus der Aufnahme herausgezogen und ausgetauscht werden. Im Schnittbild sind zwei Heizpatronen 41 sichtbar, vor und hinter der Zeichenebene befindet sich jeweils eine weitere Heizpatrone. Die weiteren Elemente in Fig. 6 wurden bereits in Bezug auf Fig. 2 beschrieben.
Der Schaft 42 der Heizpatrone 41 ist in der Aufnahme 40 befestigt, wobei die Befestigung ist stabil, aber leicht und schnell lösbar auszuführen ist. Geeignet ist ein Federmechanismus, der bei Entlastung ein Herausziehen der Heizpatrone 41 ermöglicht. Ebenso geeignet ist eine Schraubverbindung von Schaft 42 und Aufnahme 40. Solche Verbindungen gewährleisten einen schnellen Austausch defekter Heizpatronen.
Da die Heizpatronen nicht in Berührung mit der aggressiven Metallschmelze kommen, sind kostengünstige handelsübliche Stabheizpatronen einsetzbar. Analog zu Ausführungsbeispiel 2 werden die Heizpatronen mit variabler Leistung betrieben, die durch einen mit einer Temperaturmessvorrichtung verbundenen Regler geregelt wird. Da die von den Heizstäben 43 erzeugte Wärmeenergie nicht unmittelbar in die Metallschmelze S fließt, sondern zunächst durch Wärmeleitung die Wandung 24 erwärmt, welche dann die Metallschmelze S beheizt, handelt sich gemäß der obigen Festlegung um eine passive Beheizung.
Die Anzahl der Aufnahmen 40 mit Heizpatronen 41 ist nicht auf vier beschränkt, sondern weitgehend frei wählbar. Bereits zwei gegenüberliegende Heizpatronen (wie im Schnittbild der Fig. 6) gewährleisten eine symmetrische Beheizung des Hauptkanals 23. Bevorzugt sind 3 bis 6 Aufnahmen mit Heizpatronen, die regelmäßig um den Hauptkanal zu verteilen sind. Mit wachsender Anzahl der Heizpat- ronen verbessert sich die Gleichmäßigkeit der Beheizung des Hauptkanals. Mehr als 6 Aufnahmen mit Heizpatronen sind einsetzbar, aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des die Wandung 24 des Hauptkanals 23 bildenden Elektrografits reichen 6 Heizpatronen zur gleichmäßigen Beheizung des Hauptkanals 23 aus.
Alle Abbildungen sind stark vereinfacht. Nicht dargestellt sind beispielsweise die elektrischen Zuleitungen, mit denen alle Heizelemente ausgestattet sind. Die Notwendigkeit dieser und weiterer nicht dargestellter Elemente, wie z. B. Steuer- und Regeleinheiten, ist dem Fachmann selbstverständlich bekannt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in der erfindungsgemäßen Lösung und in den Beispielen beschriebenen Ausführungsformen. Vielmehr können diese beliebig miteinander kombiniert und durch den Fachmann erweitert werden. Der Fachmann ist in der Lage, die auf den Zinkdruckguss (ZAMAK-Legierungen) gerichteten Ausführungsbeispiele für andere Metalle anzupassen.
Ferner kann der Fachmann aus den in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Lösungen, die auf verzweigte Heißkanäle gerichtet sind, unmittelbar eine Lösung für einen nicht verzweigten Heißkanal ableiten. Dazu wird der Hauptkanal mit einer aktiv oder passiv beheizten Druckgussdüse ausgestattet, während die Teilkanäle mit den beheizten Druckgussdüsen entfallen.
Auch solche Anpassungen fallen unter den beanspruchten Schutzumfang der vorliegenden Patentanmeldung.
Ebenso ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Heizpatrone (Glühkerze mit Hülse) und Mikroheizpatrone (Glühkerze mit Hülse und Hülsenspitze) nicht auf Warmkammer-Druckgussvorrichtungen beschränkt. Sie können auch als lokale Wärmequellen an Engstellen von metallischen Gussformen für den Metallguss eingesetzt werden, an denen durch vorübergehende Erwärmung ein lokales Erstarren der Schmelze verhindert werden muss, um die Gussform vollständig mit Schmelze zu füllen. Zudem können sie auch in technischen Vorrichtungen aus entfernt liegenden Gebieten, in denen eine effiziente Beheizung und ein schnelles Wechseln von Heizelementen bei hoher Betriebstemperatur gefordert wird, eingesetzt werden.
Liste der Bezugszeichen und Formeizeichen
20 - Heißkanal
21 - zylindrisches Bauteil
22 - Wandungen des zylindrischen Bauteils
23 - Hauptkanal
23a, 23b - seitliche Zuführungen zum Hauptkanal
24 - Wandung des Hauptkanals
25A-25H - längere Teilkanäle
25a-25h - kürzere Teilkanäle
26 - Druckgussdüse
27 - Düseneinsatz
28, 28a - Glühkerze
29, 29a - Hülse
30 - Projektionen von Druckgussformen
31 - Stopfen
32 - Schaft der Glühkerze
33 - Glühstift
34 - Wand der Hülse
35 - Luftspalt
36 - Hülsenspitze
37 - Düsenkanal
38 - Angussöffnung
40 - Aufnahme in der Wandung des Hauptkanals
41 - Heizpatrone, angeordnet in dieser Aufnahme
42 - Schaft der Heizpatrone
43 - Heizstab der Heizpatrone
a - Ortskoordinate in Richtung des Heißkanals
Ä - Symmetrieachse
D - Düsenbereich F - Kraft auf Glühkerze und Hülse
F - Kraft nur auf Hülse
h - Länge des Düsenkanals = Länge der Hülsenspitze λ - Wärmeleitfähigkeit
P - Druck
PN - Normaldruck
PG - Gießdruck
P - elektrische Heizleistung
Po - Basiswert der Heizleistung
Pi - Spitzenwert der Heizleistung
r - radiale Ortskoordinate
S -Schmelze
t - Zeit
ti, t4 - Zeitpunkt des Schaltens von P0 auf Pi
t2 - Zeitpunkt des Schaltens von P† auf P0 und des Druckaufbaus t3 - Zeitpunkt des Druckabbaus
τ - Taktzeit eines Gießtakts mit den Taktabschnitten τι, τ2, τ3
T - Temperatur
ΔΤ - Temperaturdifferenz
ΔΤ/Aa - Temperaturgradient in Richtung des Heißkanals
ΔΤ/ΔΓ - radialer Temperaturgradient
ΔΤ/Δί - Aufheizgeschwindigkeit, Temperaturwechselbelastung
VG - Volumen des Glühstifts
VR - Volumen des ringspaltförmigen Düsenkanals
X X - Schnittebene
X - Durchmesser des Düsenkanals
y - Durchmesser der Hülsenspitze

Claims

Ansprüche
1 . Heißkanal (20) zum Transport einer Metallschmelze (S) aus Gießmetall, geeignet zum Einbau in die feste Werkzeughälfte einer Warmkammer- Druckgussvorrichtung für den Metalldruckguss, verbunden mit einem Düsenkanal
(37) von mindestens einer Druckgussdüse (26), dadurch gekennzeichnet, dass jede Druckgussdüse (26) mit einem entlang der Achse ihres Düsenkanals (37) positionierten Heizelement ausgestattet ist, wobei ein Teil dieses Heizelements bis in den Bereich einer am Ende des Düsenkanals (37) befindlichen Angussöffnung
(38) reicht, sodass der Düsenkanal (37) eine spaltförmige Gestalt mit dem Volumen VR erhält.
2. Heißkanal (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er als einteiliger, zweiteiliger oder mehrteiliger Einsatz (22, 24, 31 ) ausgeführt ist, der aus einem gegenüber der Metallschmelze chemisch resistenten Material mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht oder zumindest mit einem solchen Material ausgekleidet ist, wobei die Wandung des Düsenkanals (37) der mindestens einen Druckgussdüse (26) durch einen passgerecht in einer Aussparung des Einsatzes (22, 24, 31 ) positionierten hohlzylinderartigen Düseneinsatz (27) gebildet wird, welcher aus einem gegenüber der Metallschmelze chemisch resistenten Material mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit besteht und eine hohe thermische Dynamik des Gießmetalls im Düsenkanal (37) gewährleistet.
3. Heißkanal (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch resistente Material mit guter Wärmeleitfähigkeit Elektrografit, Wolfram (W), Molybdän (Mo) oder MoW-Legierungen umfasst, während das chemisch resistente Material mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit Hartkohle oder Kohlenstoffgrafit umfasst.
4. Heißkanal (20) nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass er als verzweigter Heißkanal ausgeführt ist, aufweisend einen Hauptkanal (23), der sich in mindestens zwei Teilkanäle (25A, 25B, ...) verzweigt, wobei die Verzweigung bevorzugt unter einem rechten Winkel erfolgt.
5. Heißkanal (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkanäle (25A, 25B, ...) an ihrem Ende eine zum Düsenkanal (37) einer Druckgussdü- se (26) führende Umlenkung aufweisen, wobei die Umlenkung bevorzugt unter einem der Verzweigung entgegengesetzten Winkel erfolgt.
6. Heißkanal (20) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkanal (23) mit einem Heizelement (28a, 29a) aktiv oder mit mehreren Heizpatronen (41 ) passiv beheizbar ist und die Teilkanäle (25A, 25B, ...) mit einem Heizelement (28, 29) passiv beheizbar sind.
7. Heißkanal (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgussdüsen (26) einen Düsenkanal (37) mit einem Durchmesser x < 7 mm, bevorzugt x < 5 mm und besonders bevorzugt als miniaturisierte Druckgussdüsen einen Düsenkanal mit einem Durchmesser x < 3 mm aufweisen.
8. Heizelement zur Beheizung des Hauptkanals (23), der Teilkanäle (25A, 25B, ...) und der Druckgussdüsen (26) eines Heißkanals (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen elektrischen Heizleiter, der hermetisch elektrisch isolierend ummantelt ist, aufweist.
9. Heizelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgeführt ist als Glühkerze (28) mit einem als Glühstift (33) ausgeführten keramisch ummantelten Heizleiter.
10. Heizelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühkerze (28) ausgeführt ist als vollkeramische Glühkerze, aufweisend einen keramischen Heizleiter mit keramischer elektrisch isolierender Ummantelung.
1 1. Heizelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Glühkerzen (28) kommerziell verfügbare Glühkerzen aus der Dieselmotorentechnik eingesetzt werden.
12. Heizelement nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es eine über den hermetisch elektrisch isolierenden Heizleiter gestülpte Hülse (29) aufweist, sodass ein direkter Kontakt der elektrisch isolierenden Ummantelung mit der durch den Heißkanal (20) strömenden flüssigen Metallschmelze ausgeschlossen ist.
13. Heizelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (29) in einer Hülsenspitze (36) ausläuft, deren Außendurchmesser hinreichend klein gewählt wird, um diese Hülsenspitze (36) im Düsenkanal (37) einer miniaturi- sierten Druckgussdüse (26) zu positionieren, sodass das Heizelement eine Mikroheizpatrone bildet.
14. Heizelement nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (29) und die Hülsenspitze (36) aus einem hochwärmeleitfähigen und gegenüber Metallschmelzen chemisch resistenten Material, vorzugsweise einem Re- fraktärmetall oder einer Legierung aus Refraktärmetallen, ausgeführt sind.
15. Heizelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (29) und die Hülsenspitze (36) aus mit Kohlenstoff oder AICrN beschichtetem Wolfram oder TZM ausgeführt sind.
16. Verfahren zum Betrieb einer Warmkammer-Druckgussvorrichtung, die eine feste und eine bewegliche Werkzeughälfte aufweist und mit einem Heißkanal gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und Heizelementen gemäß einem der Ansprüche 8 bis 15 ausgestattet ist, zum Gießen von Druckgusswerkstücken mit minimiertem Anguss bei Taktzeiten r < 20 s, bevorzugt τ < 15 s, besonders bevorzugt τ < 10 s und ganz besonders bevorzugt τ < 5 s, gekennzeichnet durch die gleichmäßige Beheizung des Heißkanals mit mindestens einem Heizelement regelbarer Heizleistung und die gepulste Beheizung der Düsenkanäle der Druckgussdüsen durch jeweils ein gepulst betriebenes Heizelement, sodass im Bereich des Heißkanals eine hohe thermische Trägheit des Gießmetalls, im Bereich der Düsenkanäle hingegen eine hohe thermische Dynamik des Gießmetalls gewährleistet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es realisiert wird als periodisches Verfahren mit der Taktzeit τ, bestehend aus den Taktabschnitten T τ2, τ3, die wie folgt charakterisiert sind:
τι : bewegliche Werkzeughälfte auf die feste Werkzeughälfte aufgefahren, Metallschmelze im Heißkanal unter Normaldruck PN, Leistung der Heizelemente der Druckgussdüsen auf Spitzenwert P S
dabei ablaufender Vorgang: Aufschmelzen eines Pfropfens im Volumen VR der Düsenkanäle der Druckgussdüsen, dadurch Öffnen der Druckgussdüsen , r2: bewegliche Werkzeughälfte auf die feste Werkzeughälfte aufgefahren, Metallschmelze im Heißkanal unter Gießdruck pG, Leistung der Heizelemente der Druckgussdüsen auf Basiswert P0,
dabei ablaufende Vorgänge: Füllung von Druckgussformen, Erstarren von Druck- gusswerkstücken in den Druckgussformen, Erstarren eines Pfropfens im Volumen VR der Düsenkanäle der Druckgussdüsen, dadurch Verschließen der Druckgussdüsen,
τ3: bewegliche Werkzeughälfte von der festen Werkzeughälfte zurückgefahren, Metallschmelze im Heißkanal unter Normaldruck pN, Leistung der Heizelemente der Druckgussdüsen auf Basiswert P0,
dabei ablaufender Vorgang: Auswerfen der Druckgusswerkstücke aus den Druckgussformen.
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