WO2022161719A1 - GIEßKELLE ZUM SCHÖPFEN UND GIEßEN FLÜSSIGEN METALLS UND VERFAHREN - Google Patents

GIEßKELLE ZUM SCHÖPFEN UND GIEßEN FLÜSSIGEN METALLS UND VERFAHREN Download PDF

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WO2022161719A1
WO2022161719A1 PCT/EP2021/087421 EP2021087421W WO2022161719A1 WO 2022161719 A1 WO2022161719 A1 WO 2022161719A1 EP 2021087421 W EP2021087421 W EP 2021087421W WO 2022161719 A1 WO2022161719 A1 WO 2022161719A1
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WO
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scoop
sensor
pouring
unit
pouring ladle
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Application number
PCT/EP2021/087421
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English (en)
French (fr)
Inventor
Eric RIEDEL
Original Assignee
Otto-Von-Guericke-Universität Magdeburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D2/00—Arrangement of indicating or measuring devices, e.g. for temperature or viscosity of the fused mass
    • B22D2/006—Arrangement of indicating or measuring devices, e.g. for temperature or viscosity of the fused mass for the temperature of the molten metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D39/00—Equipment for supplying molten metal in rations
    • B22D39/02—Equipment for supplying molten metal in rations having means for controlling the amount of molten metal by volume
    • B22D39/026—Equipment for supplying molten metal in rations having means for controlling the amount of molten metal by volume using a ladler

Definitions

  • the invention relates to a ladle for scooping and pouring liquid metal and a method for casting a workpiece with such a ladle.
  • the supply of liquid casting materials of high-melting materials in foundries is carried out automatically, semi-automatically or manually via a scooping process with subsequent pouring into a mould.
  • scooping and/or casting is often still done manually by an employee.
  • the employee has a large part in the course of the process.
  • the metal is melted down in smelting aggregates and transported to holding furnaces via transport crucibles.
  • the employee foundryman
  • the foundryman dips the casting ladle into the melt of the holding furnace, leaves it briefly in the molten bath, scoops the required melt out of the holding furnace, then often waits a little longer, for example by setting the ladle down again (on the edge of the holding furnace) and begins according to his own Experience intuitively "eventually" with the mold filling process.
  • the object of the invention is now to provide a tool or a method which enables the analysis or standardization of the casting process of cast parts.
  • a first aspect of the invention relates to a pouring ladle for scooping and pouring liquid metal.
  • the pouring ladle according to the invention has a scoop and a handle connected to the scoop, the handle being elongated starting from the scoop.
  • the pouring ladle according to the invention comprises a measuring unit having a sensor for measuring at least one physical parameter.
  • the pouring ladle according to the invention is thus set up to detect at least one physical parameter during the pouring process.
  • the parameter can also be a parameter of the liquid material in the scoop bowl or a sensor measuring an environmental parameter.
  • conclusions can be drawn about the relationship between quality and measured value by comparing the parameter with the quality parameters of the cast part. This is the prerequisite for defining and ultimately also monitoring a uniform casting process.
  • the advantage of the pouring ladle according to the invention consists above all in significantly increasing the repeatability of the casting/mold filling processes over the entire series batch. Consistent quality can be guaranteed across all quantities. The rejects that result from discussing active conditions can therefore be significantly reduced. This is accompanied by the possibility of batch-specific, documentable temperature process parameter monitoring of manual casting processes. This can in particular at the time of mold filling be significantly improved. This leads to quality assurance and can thus become a decisive competitive advantage when winning orders. Due to the monitoring options, the pouring ladle according to the invention is also particularly well suited as a training tool and in particular as a tool for the manufacture of prototypes. When manufacturing prototypes, the operator does not necessarily have the high level of intuition and experience to fall back on, so monitoring the process parameters makes it much easier to find the best process.
  • the pouring ladle is preferably a manual pouring ladle, with the design according to the invention also being used in semi-automatic and automatic pouring and ladling ladles.
  • the handle is preferably, as in a conventional watering ladle, extending lengthwise from the scoop bowl as a handle.
  • the handle in other, in particular semi-automatic and automatic configurations, provision is sometimes made for the handle to be configured as a holder for the scoop bowl, for example in a fork-shaped configuration, or as a stand.
  • a connection between the scoop and the handle is designed to be movable and/or detachable.
  • a movable connection has the particular advantage that the pouring process can be carried out by pivoting or tilting the scoop bowl, for example by releasing a lock, while the position of the handle is unchanged. This can be advantageous in particular in the case of semi-automatic or automatic versions.
  • the modular design that is possible as a result means that only individual parts, in particular the scoop bowl, which is subject to greater stress, have to be exchanged when it is closed, and the more highly engineered modules are therefore reused or reused.
  • the scoop is preferably designed as a regular hollow body with one open side.
  • the regular hollow body has, for example, the basic shape of a hemisphere or a cylinder, with corners preferably being rounded off, at least on an inner surface of the hollow body, in order to avoid adhesion and contamination.
  • the scoop preferably has a pouring section, for example in the form of a groove or a spout.
  • the pouring section is preferably realized as a formation of a wall of the scoop bowl in the area of the opening, ie the open side of the hollow body.
  • the at least one sensor is to be selected from the group consisting of a temperature sensor, (air) pressure sensor, (air) humidity sensor, inclination sensor, position sensor and/or a tactile sensor.
  • a temperature sensor e.g., a thermocouple
  • air air pressure sensor
  • air air humidity sensor
  • the invention preferably provides that at least one temperature sensor with measuring contact is arranged on the pouring ladle with a surface of the scoop facing the scooping chamber of the scoop, i.e. a surface that is in contact with the liquid metal when used as intended.
  • the surface preferably has a plurality of temperature sensors, in particular uniformly distributed.
  • At least one sensor for example in the form of a mandrel, penetrates the surface and is therefore in contact with the melt when used as intended.
  • the pouring ladle according to the invention therefore advantageously has a sensor, in particular in addition to the temperature sensor Ladle movement and therefore the pouring time is detected.
  • a sensor is, for example, an inclination, a position or a tactile sensor.
  • a measuring or confirmation means can be provided, for example on the handle of the pouring ladle, which detects a signal, for example in the form of pressing a button or button, which is actuated by the operator when working manually with the pouring ladle.
  • the handle has a handle or holding section on which a confirmation unit, which can be assigned to the measuring unit, is arranged for confirming a casting process.
  • the ideal time for pouring is not only determined by the temperature of the melt, but rather is influenced by other factors, in particular environmental factors. It is therefore advantageous if the ladle has an air pressure sensor and/or an air humidity sensor, in particular on a surface of the scoop bowl and/or the handle which faces away from the melt.
  • the measuring unit has an evaluation unit (comprising a computing and/or (micro)controller unit), a display unit and/or a memory unit, which is or are connected to the at least one sensor in a signal-conducting manner and continuously or values measured by the at least one sensor are stored in the storage unit at regular time intervals and/or are output by means of the output unit.
  • an evaluation unit comprising a computing and/or (micro)controller unit
  • a display unit and/or a memory unit which is or are connected to the at least one sensor in a signal-conducting manner and continuously or values measured by the at least one sensor are stored in the storage unit at regular time intervals and/or are output by means of the output unit.
  • a warning can be given if a predetermined critical value is exceeded and/or fallen below, in particular a predetermined temperature, and a control or regulation, in particular of the pouring process.
  • the pouring ladle according to the invention enables a quality monitoring of the process as well as the subsequent traceability of product defects that have arisen in unity with a follow-up of the process. It is also possible to archive the measurement data.
  • Evaluation, storage and/or display units are preferably arranged on the handle, in particular arranged facing away from the scoop bowl, since this prevents or at least reduces a damaging effect of the high melting temperatures due to thermal radiation.
  • the electrical components are preferably thermally shielded in order to prevent or at least reduce harmful influences.
  • the output unit is preferably set up to output a visual, haptic and/or acoustic signal.
  • a display, a vibration and/or a sound generator are provided for this purpose, for example.
  • One position of the evaluation, storage and/or output unit is designed to be freely displaceable with particular advantage. This enables ergonomic positioning tailored to the respective operator.
  • the measuring unit is advantageously connected to an external storage unit and/or an external charging unit. This enables a collection and more complex evaluation of data from multiple processes.
  • the connection is preferably detachable and is implemented or can be implemented, for example, in the form of an NFC (near field communication) interface and/or a plug-in connection such as USB connections.
  • an induction unit can be provided for the charging unit.
  • the inventive trowel is particularly well suited to be integrated into an existing operational, in particular digital, infrastructure, with the inventive trowel also being able to be used independently in the form of an isolated solution.
  • the scoop has a full-surface insulation, in particular on a surface facing away from the interior of the scoop, ie surface on a side facing away from the liquid metal when used as intended. This primarily ensures a homogeneous temperature distribution within the melt as well as slower and more even cooling of the same. In addition, heat radiation into the environment and therefore onto the operator and other parts of the measuring unit is reduced.
  • the insulation advantageously comprises a ceramic material, in particular a technical ceramic. Preference is given to materials which contain or consist of oxide or silicate ceramics, in particular calcium silicate, for example the technical ceramics available as MonaLite®. Alternatively or additionally, the insulation has ceramic fibers. Suitable layer thicknesses for the insulation are in the range from 5 to 40 mm, preferably 10 to 30 mm, more preferably 15 to 25 mm.
  • the material of the scoop places high demands on thermal stability, has a high melting point and cannot be deformed.
  • Suitable materials include cast iron, steel and/or special plastics. In the present case, a hybrid of cast iron and plastic has proven to be particularly suitable.
  • a further aspect of the invention is a method for producing a cast part, in particular a metal cast part, using a pouring ladle according to the invention.
  • the method according to the invention has the following steps, which are preferably carried out in the order given.
  • the method includes scooping the material to be cast, ie filling the scoop with liquid metal or plastic by immersing the scoop in a melt.
  • This is preferably in a warming vessel.
  • the temperature of the melt in the scoop bowl is, in particular, repeated, but is detected at least at the time of casting.
  • the measured temperature is stored in an internal or external storage unit and/or output.
  • the output is preferably exact to the second.
  • the pouring process is advantageously detected by actuating a confirmation unit or by a position and/or inclination sensor.
  • an acoustic, haptic and/or visual signal is output when the molten metal in the scoop bowl reaches a predetermined temperature (set point temperature) and/or when it exceeds or falls below such a temperature.
  • the setpoint temperature is determined, among other things, as a function of ambient conditions such as air pressure and humidity determined by additional sensors, and the predetermined temperature is therefore re-determined when the ambient conditions vary.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a pouring ladle in a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a pouring or ladle 10 in a preferred embodiment of the invention.
  • the pouring ladle 10 is designed as an elongate pouring ladle 10 that can be used manually.
  • the pouring ladle 10 has a scoop 3 at one end.
  • a handle 6 extends from this scoop 3.
  • the scoop 3 has a hemispherical outer shape, which has a channel-shaped spout on one edge.
  • a plurality of temperature sensors 1 is arranged on one of the interior of the half shell facing surface, so in this specific case on the concave side of the scoop 3.
  • These temperature sensors are preferably evenly distributed. Depending on the type of sensor used, these are integrated into the surface in such a way that they have direct or only indirect contact with the melt when used as intended. In other words, the temperature of the melt is measured either by direct contact of the melt with the temperature sensor 1 or by measuring the temperature of the surface material on the concave side of the scoop 3 .
  • the scoop bowl 3 also has insulation 2 on a side facing away from the melt, ie preferably on the convex outside.
  • the insulation 2 comprises a ceramic material, for example a ceramic oxide or a ceramic silicate, such as calcium silicate, which, due to its very low thermal conductivity, enables high thermal insulation even at high temperatures, such as those found in metallic melts.
  • the insulation 2 has ceramic fibers and/or thermally insulating plastics. A mixture of calcium silicate and a thermally insulating plastic has proven to be particularly efficient for use in light metal casting.
  • the insulation 2 is preferably applied as a coating over the entire surface of the scoop 3 with a layer thickness in the range from 5 to 40 mm, in particular 10-30 mm.
  • the scoop 3 is preferably connected to the handle 6 via a detachable and/or rotatable or pivotable connection 9 .
  • the connection is releasable but fixed.
  • rotating or swiveling connections can also be useful, especially if the casting process is automated.
  • the connection preferably has a locking device.
  • the handle 6 and/or the connection 9 are preferably made of a material or at least coated with a material that has a low thermal conductivity.
  • the pouring ladle 10 has a measuring unit 4, which also includes the temperature sensors 1 already described.
  • the measuring unit 4 preferably has other sensors, such as tactile sensors, inclination sensors for detecting movement of the trowel, and sensors for measuring environmental parameters, for example air pressure sensors and/or humidity sensors. These are arranged, for example, on the handle, that is to say on the other end of the handle 6 in relation to the scoop 3 .
  • the pouring ladle 10 can have an internal evaluation and storage unit 4 which is then preferably arranged in the handle 6 .
  • the measured parameters can be transferred directly to an external evaluation and storage unit.
  • Such a handover requires a signal-carrying connection, as is the case, for example, in the form of an electrical plug connection or a wireless connection 7, in particular based on NFC.
  • the memory unit 8 is preferably an external memory unit 8 since this enables the recording and in particular visual processing of the backup of the data. This is particularly advantageous for semi-automatic and automatic pouring ladles, since they can be issued at the workstations at exactly the right time.
  • the measuring unit 4 preferably includes an output unit, for example in the form of a display.
  • the output unit is arranged directly on the pouring ladle 10 or in an area that is easily accessible to the operator, such as a monitor arranged at eye level or in AR glasses.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gießkelle zum Schöpfen und Gießen flüssigen Metalls, aufweisend eine Schöpfschale und einen mit der Schöpfschale verbundenem Stiel, wobei die Gießkelle eine Messeinheit umfassend zumindest einen Sensor zum Messen zumindest eines physikalischen Parameters aufweist.

Description

Gießkelle zum Schöpfen und Gießen flüssigen Metalls und Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Gießkelle zum Schöpfen und Gießen flüssigen Metalls sowie ein Verfahren zum Gießen eines Werkstücks mit einer solchen.
Die Zuführung von flüssigen Gußmaterialien hochschmelzender Materialien in Gießereien erfolgt automatisch, halbautomatisch oder manuell über einen Schöpfvorgang mit anschließendem Abguss in eine Gießform. Bei einem Großteil der Leichtmetallgießereien, insbesondere bei der Anwendung technologischer Schwerkraftgießverfahren erfolgt das Schöpfen und/oder der Abguss häufig noch manuell durch einen Mitarbeiter. Somit hat der Mitarbeiter einen großen Anteil am Prozessverlauf.
Im Grunde wird das Metall in Schmelzaggregaten eingeschmolzen und über Transporttiegel zu Warmhalteöfen transportiert. Zur Ausübung des eigentlichen Gießprozesses steht beim manuellen Prozess dem Mitarbeiter (Gießer) die traditionelle und bewährte Schöpf- und Gießkelle (im Weiteren lediglich als Gießkelle bezeichnet) zur Verfügung. Der Gießer taucht die Gießkelle in die Schmelze des Warmhalteofens, lässt diese kurz im Schmelzbad, schöpft die erforderliche Schmelze aus dem Warmhalteofen, wartet dann häufig noch ein wenig, in dem er beispielsweise die Kelle nochmal (am Rand des Warmhalteofens) absetzt und beginnt gemäß seiner Erfahrung intuitiv "irgendwann" mit dem Formfüllprozess.
Dabei können Unregelmäßigkeiten im Prozess entstehen, was zu unterschiedlichen Eigenschaften während des Abgießens und letztlich im Produkt (Abguss) führen kann. Beispielsweise ist es bislang nicht möglich, die exakten Abgießbedingungen und die damit verbundenen Eigenschaften des flüssigen Materials während des Abgießens zu detektieren. Damit ist es wiederum nicht möglich, die Rückschlüsse zu führen, ob und inwieweit ein teilespezifischer Abgießvorgang ursächlich für Produktfehler ist. Darüber hinaus liegt bislang keine Möglichkeit vor, die alltäglichen, unter Umständen variierenden Umgebungsbedingungen mit dem gefertigten Gussteil in Zusammenhang zu bringen und entsprechende qualitätsrelevante Erkenntnisse zu gewinnen.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Hilfsmittel oder ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Analyse beziehungsweise Vereinheitlichung des Gießprozesses von Gussteilen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Gießkelle und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Gießkelle zum Schöpfen und Gießen flüssigen Metalls. Die erfindungsgemäße Gießkelle weist eine Schöpfschale und einen mit der Schöpfschale verbundenem Stiel auf, wobei der Stiel ausgehend von der Schöpfschale längserstreckt ist. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Gießkelle eine einen Sensor zum Messen zumindest eines physikalischen Parameters aufweisende Messeinheit.
Somit ist die erfindungsgemäße Gießkelle eingerichtet während des Gießprozesses zumindest einen physikalischen Parameter zu detektieren. Bei dem Parameter kann es sich ebenso um einen Parameter des flüssigen Materials in der Schöpfschale, wie auch um einen einen Umgebungsparameter messenden Sensor handeln. Je nachdem, um welchen Wert es sich handelt, können durch Vergleichen des Parameters mir Qualitätsparametern des Gussteils Rückschlüsse auf die Zusammenhänge zwischen Qualität und Messwert gezogen werden. Dies ist die Voraussetzung, um einen einheitlichen Abgießprozess zu definieren und letztlich auch zu überwachen.
Somit besteht der Vorteil der erfindungsgemäßen Gießkelle vor allem darin, die Wiederholgenauigkeit der Gieß-/Formfüllungsprozesse über das gesamte Serienlos deutlich zu erhöhen. Dabei kann eine gleichbleibende Qualität über alle Stückzahlen hinweg gewährleistet werden. Der Ausschuss, der aus diskutierenden Aktivbedingungen resultiert, kann mithin deutlich reduziert werden. Damit einher geht auch die Möglichkeit der chargenspezifischen, dokumentierbaren Temperatur-Prozessparameterüberwachung manueller Gieß Vorgänge. Dieser kann insbesondere zum Zeitpunkt der Formfüllung deutlich verbessert werden. Dies führt zu einer Qualitätssicherung und kann somit zum entscheidenden Wettbewerbsvorteil bei der Auftragsgewinnung werden. Aufgrund der Überwachungsmöglichkeiten eignet sich die erfindungsgemäße Gießkelle zudem besonders gut als Schulungswerkzeug und insbesondere als Werkzeug für die Prototypenfertigung. Bei der Prototypenfertigung kann der Bediener noch nicht zwingend auf das hohe Maß an Intuition und Erfahrung zurückgreifen, sodass eine Überwachung der Prozessparameter das Auffinden des besten Prozesses deutlich erleichtert.
Vorliegend handelt es sich bei der Gießkelle bevorzugt um eine manuelle Gießkelle, wobei die erfindungsgemäße Ausgestaltung auch bei halbautomatischen und automatischen Gieß- und Schöpfkellen Anwendung findet.
Der Stiel ist bevorzugt, wie bei einer herkömmlichen Gießkelle, ausgehend von der Schöpfschale als Griff längserstreckt. In anderen, insbesondere halbautomatischen und automatischen Ausgestaltungen ist jedoch teilweise vorgesehen, dass der Stiel als Halterung der Schöpfschale, beispielsweise in gabelförmiger Ausgestaltung oder aber als Standfuß ausgestaltet ist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist eine Verbindung zwischen Schöpfschale und Stiel beweglich und/oder lösbar ausgestaltet. Dabei hat eine bewegliche Verbindung insbesondere den Vorteil, dass der Abgießvorgang durch Schwenken oder Kippen der Schöpfschale, beispielsweise durch Lösen einer Arretierung erfolgen kann, während die Position des Stiels unverändert ist. Dies kann insbesondere bei halbautomatischen oder automatischen Ausführungen vorteilhaft sein. Zudem führt der dadurch mögliche modulare Aufbau dazu, dass bei Verschließ nur einzelne Teile, insbesondere die höher beanspruchte Schöpfschale ausgetauscht werden müssen und somit die höher technisierten Module wieder- oder weiterverwendet werden.
Die Schöpfschale ist bevorzugt als regelmäßiger Hohlkörper mit einer offenen Seite ausgestaltet. Der regelmäßige Hohlkörper hat dabei beispielsweise die Grundform einer Halbkugel oder eines Zylinders, wobei Ecken zumindest an einer inneren Oberfläche des Hohlkörpers bevorzugt abgerundet sind, um Anhaftungen und Verunreinigungen zu vermeiden. Zur Erleichterung eines gezielten und örtlich begrenzten Abgießvorgangs weist die Schöpfschale bevorzugt einen Gießabschnitt, beispielsweise in Form einer Rille oder einer Tülle auf. Der Gießabschnitt ist bevorzugt als Ausformung einer Wandung der Schöpfschale im Bereich der Öffnung, also der offenen Seite des Hohlkörpers realisiert.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Sensor auszuwählen ist aus der Gruppe aus Temperatursensor, (Luft-)Drucksensor, (Luft-) Feuchtigkeitssensor, Neigungssensor, Lagesensor und/oder einem taktilen Sensor. Die Messung einer Temperatur der Schmelze in der Schale, insbesondere in regelmäßigen Abständen über den gesamten Prozess hinweg, ermöglicht die Detektion eines der wichtigsten Parameter, da durch die Temperatur der Schmelze wichtige Rückschlüsse auf den Zustand der Schmelze getroffen werden können. Bevorzugt wird die Temperatur der Schmelze, insbesondere im Zeitpunkt des Abgießvorgangs mehrerer Prozesse detektiert und in Hinblick auf die Qualität der im jeweiligen Prozess gefertigten Gussteile ausgewertet. So kann der ideale Abgießzeitpunkt bezogen auf die Temperatur der Schmelze bestimmt und letztlich geregelt werden.
Hierzu ist daher in bevorzugter der Erfindung vorgesehen, dass zumindest ein Temperatursensor mit Messkontakt zu einer dem Schöpfraum der Schöpfschale zugewandten Oberfläche der Schöpfschale, also einer Oberfläche, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch mit dem flüssigen Metall in Kontakt steht, an der Gießkelle angeordnet ist. Zur gleichmäßigen Bestimmung der Temperatur für die gesamte in der Schöpfschale befindliche Schmelze weist die Oberfläche bevorzugt mehrere, insbesondere gleichmäßig verteilte Temperatursensoren auf.
Alternativ oder zusätzlich durchdringt, beispielsweise in Form eines Dorns zumindest ein Sensor die Oberfläche und hat somit bei bestimmungsgemäßem Gebrauch Kontakt zur Schmelze.
Mit Vorteil weist die erfindungsgemäße Gießkelle daher, insbesondere zusätzlich zum Temperatursensor einen Sensor auf, der eine Kellenbewegung und mithin den Abgießzeitpunkt detektiert. Ein solcher Sensor ist beispielsweise ein Neigungs-, ein Lage- oder ein taktiler Sensor.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Mess- oder Bestätigungsmittel, beispielsweise am Stiel der Gießkelle vorgesehen sein, welches ein Signal, beispielsweise in Form des Drückens eines Tasters oder Knopfes detektiert, welches bei manueller Arbeitsweise mit der Gießkelle durch den Bediener betätigt wird.
Mit anderen Worten ist bevorzugt, dass der Stiel einen Griff oder Halteabschnitt aufweist, an dem eine zur Messeinheit zuordenbare Bestätigungseinheit zum Bestätigen eines Gießvorgangs angeordnet ist.
Es hat sich gezeigt, dass der ideale Abgießzeitpunkt nicht einzig durch die Temperatur der Schmelze bestimmt wird, sondern vielmehr durch weitere Faktoren, insbesondere Umgebungsfaktoren, beeinflusst wird. Daher ist es von Vorteil, wenn die Kelle, insbesondere auf einer von der Schmelze abgewandten Oberfläche der Schöpfschale und/oder des Stiels einen Luftdrucksensor und/oder einen Luftfeuchtigkeitssensor aufweist.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messeinheit eine Auswerteeinheit (umfassend eine Rechen- und/oder (Micro- )Controllereinheit), eine Anzeigeeinheit und/oder eine Speichereinheit aufweist, welche mit dem mindestens einen Sensor signalleitend verbunden ist oder sind und kontinuierlich oder in regelmäßigen zeitlichen Intervallen von dem mindestens einen Sensor gemessene Werte in der Speichereinheit gespeichert und/oder mittels der Ausgabeeinheit ausgegeben werden. Dies ermöglicht die Verarbeitung der Messwerte innerhalb der Gießkelle. Folglich ist es nicht erforderlich, während des gesamten Prozesses eine Verbindung zu einer externen Steuer- oder Speichereinheit vorzusehen. Zudem ermöglicht eine Ausgabeeinheit die zeitgenaue Überwachung des Prozesses durch den Bediener. Letztlich kann damit, je nach Ausgestaltung der Auswerte- und Ausgabeeinheit eine Warnung bei einem Über- und/ oder Unterschreiten eines vorbestimmten kritischen Werts, insbesondere einer vorbestimmten Temperatur, sowie eine Steuer- oder Regelung, insbesondere des Abgießvorgangs erfolgen. Die erfindungsgemäße Gießkelle ermöglicht eine Qualitätsüberwachung des Prozesses sowie die nachträgliche Nachvollziehbarkeit entstandener Produktmängel in Einheit mit einem Nachziehen des Prozesses. Zudem ist eine Archivierung der Messdaten möglich.
Bevorzugt sind Auswerte-, Speicher- und/oder Anzeigeeinheit am Stiel angeordnet, insbesondere abgewandt von der Schöpfschale angeordnet, da dies eine schädliche Einwirkung der hohen Schmelztemperaturen durch Wärmestrahlung verhindert oder zumindest reduziert.
Alternativ oder zusätzlich werden die elektrischen Komponenten bevorzugt thermisch abgeschirmt um schädliche Einflüsse zu verhindern oder zumindest zu reduzieren.
Die Ausgabeeinheit ist bevorzugt eingerichtet, ein visuelles, haptisches und/oder akustisches Signal auszugeben. Hierfür sind beispielsweise ein Display, ein Vibrations- und/oder ein Tongeber vorgesehen.
Mit besonderem Vorteil ist eine Position der Auswerte-, Speicher- und/ oder der Ausgabeeinheit frei verschiebbar ausgestaltet. Dies ermöglicht eine auf den jeweiligen Bediener abgestimmte ergonomische Positionierung.
Mit Vorteil ist die Messeinheit mit einer externen Speichereinheit und/oder einer externen Ladeeinheit verbunden. Dies ermöglicht eine Sammlung und komplexere Auswertung der Daten mehrerer Prozesse. Die Verbindung ist bevorzugt lösbar und beispielsweise in Form einer NFC- (near field communication)-Schnittstelle und/oder einer Steckverbindung wie USB- Anschlüssen realisiert oder realisierbar. Für die Ladeeinheit kann alternativ oder zusätzlich eine Induktionseinheit vorgesehen sein.
Insbesondere bei Kombination der zuvor genannten Ausführungsformen und Merkmale eignet sich die erfindungsgemäße Gießkelle besonders gut, um in eine bestehende betriebliche, insbesondere digitale Infrastruktur integriert zu werden, wobei die erfindungsgemäße Gießkelle ebenso in Form einer Insellösung autark einsetzbar ist. In weiter bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gießkelle ist vorgesehen, dass die Schöpfschale, insbesondere auf einer dem Innenraum der Schöpfschale abgewandten Oberfläche, also Oberfläche auf einer bei bestimmungsgemäßem Gebrauch dem flüssigen Metall abgewandten Seite eine vollflächig angeordnete Isolierung aufweist. Dies stellt in erster Linie eine homogene Temperaturverteilung innerhalb der Schmelze sowie eine verlangsamte und gleichmäßige Abkühlung derselben sicher. Zudem wird eine Wärmestrahlung in die Umgebung und mithin auf den Bediener und weitere Teile der Messeinheit reduziert.
Mit Vorteil umfasst die Isolierung ein keramisches Material, insbesondere eine technische Keramik. Bevorzugt sind Materialien welche Oxid- oder Silikatkeramiken, insbesondere Calciumsilikat aufweisen oder aus einer solchen bestehen, beispielsweise die als MonaLite ® erhältliche technische Keramik. Alternativ oder zusätzlich weist die Isolierung Keramikfasern auf. Geeignete Schichtdicken für die Isolierung liegen im Bereich von 5 bis 40mm, bevorzugt 10 bis 30 mm, weiter bevorzugt 1 5 bis 25mm.
Das Material der Schöpfschale stellt hohe Anforderungen an eine thermische Stabilität, zeigt einen hohen Schmelzpunkt und ist nicht verformbar. Geeignete Materialien umfassen einen Eisenguss, Stahl und oder spezielle Kunststoffe. Vorliegend hat sich ein Hybrid aus Gusseisen und Kunststoff als besonders geeignet erwiesen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Fertigen eines Gussteils, insbesondere eines Metallgussteils unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Gießkelle. Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf, welche bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Zum einen umfasst das Verfahren ein Schöpfen des zu gießenden Materials, also ein Füllen der Schöpfschale mit flüssigem Metall oder Kunststoff durch Tauchen der Schöpfschale in eine Schmelze. Diese befindet sich bevorzugt in einem Warmhaltegefäß. Dabei wird die Temperatur der Schmelze in der Schöpfschale, insbesondere wiederholt, aber zumindest zum Zeitpunkt des Abgusses detektiert.
Die gemessene Temperatur wird in einer internen oder externen Speichereinheit gespeichert und/oder ausgegeben. Bevorzugt erfolgt die Ausgabe sekundengenau.
Mit Vorteil wird der Abgießvorgang durch Betätigung einer Bestätigungseinheit oder durch einen Lage- und/oder Neigungssensor detektiert.
Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Ausgabe eines akustischen, haptischen und/oder visuellen Signals bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur (Solltemperatur) der in der Schöpfschale befindlichen Metallschmelze und/oder beim Über- oder Unterschreiten einer solchen.
Dabei wird die Solltemperatur unter anderem in Abhängigkeit von durch weitere Sensoren bestimmte Umgebungsbedingungen wie Luftdruck und Luftfeuchtigkeit ermittelt und mithin die vorbestimmte Temperatur bei Variation der Umgebungsbedingungen neu bestimmt.
Die beschriebenen Ausführungsformen sind, sofern im Einzelfall nicht anders beschrieben mit Vorteil miteinander kombinierbar. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer exemplarischen Figur genauer beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Gießkelle in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gieß-oder Schöpfkelle 10 in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Gießkelle 10 ist in der gezeigten Ausführung als längserstreckte, manuell verwendbare Gießkelle 10 ausgestaltet. An einem Ende weist die Gießkelle 10 eine Schöpfschale 3 auf. Ausgehend von dieser Schöpfschale 3 erstreckt sich ein Stiel 6.
Die Schöpfschale 3 weist in der gezeigten Ausführungsform eine halbkugelförmige äußere Form auf, welche an einer Kante einen rinnenförmigen Ausguss aufweist. An einer dem Innenraum der Halbschale zugewandten Oberfläche, also im konkreten Fall auf der konkaven Seite der Schöpfschale 3, ist eine Mehrzahl an Temperatursensoren 1 angeordnet. Diese Temperatursensoren sind bevorzugt gleichmäßig verteilt. Je nach verwendeten Sensortyp sind diese derart in die Oberfläche integriert, dass sie bei bestimmungsgemäßem Gebrauch direkten, oder nur mittelbaren Kontakt mit der Schmelze haben. Mit anderen Worten wird die Temperatur der Schmelze entweder durch direkten Kontakt der Schmelze mit dem Temperatursensoren 1 oder Übermessung der Temperatur des Oberflächenmaterials auf der konkaven Seite der Schöpfschale 3 gemessen. Die Schöpfschale 3 weist zudem auf einer der Schmelze abgewandten Seite, also auf der konvexen Außenseite bevorzugt eine Isolierung 2 auf. Die Isolierung 2 umfasst ein keramisches Material, beispielsweise ein keramisches Oxid oder ein keramisches Silikat, wie Calciumsilikat, welches auch bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise metallische Schmelzen aufweisen aufgrund ihres sehr niedrigen Wärmeleitwertes eine hohe thermische Isolierung ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich weist die Isolierung 2 keramische Fasern und/oder thermisch isolierende Kunststoffe auf. Als besonders effizient für die Anwendung im Leichtmetallguss hat sich eine Mischung aus Calciumsilikat und einem thermisch isolierenden Kunststoff erwiesen.
Je nach verwendetem Material ist die Isolierung 2 als Beschichtung bevorzugt vollflächig auf der Schöpfschale 3 mit einer Schichtdicke im Bereich von 5 bis 40 mm, insbesondere 10-30 mm aufgetragen.
Die Schöpferschale 3 ist mit dem Stiel 6 bevorzugt über eine lösbare und oder dreh-, bzw. schwenkbare Verbindung 9 verbunden. Für die Benutzung im manuellen Betrieb, wie es in der gezeigten Ausführungsform der Fall ist, ist die Verbindung lösbar, aber fest ausgeführt. Bei der automatischen oder halbautomatischen Fertigung hingegen können auch dreh- oder schwenkbaren Verbindungen sinnvoll sein, insbesondere, wenn der Abgießprozess automatisiert stattfindet. Die Verbindung weist in beweglicher Ausführung bevorzugt eine Arretierung auf. Der Stiel 6 und/oder die Verbindung 9 sind bevorzugt aus einem Material gefertigt oder zumindest mit einem Material beschichtet, welches eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Die Gießkelle 10 weist eine Meßeinheit 4 auf, zu der auch die bereits beschriebenen Temperatursensoren 1 zählen. Die Meßeinheit 4 weist bevorzugt neben den Temperatursensoren weitere Sensoren, wie beispielsweise taktile Sensoren, Neigungssensoren zur Detektion einer Kellenbewegung sowie Sensoren zur Messung von Umgebungsparametern, die beispielsweise Luftdrucksensoren und/oder Feuchtigkeitssensoren auf. Diese sind beispielsweise am Griff, also am in Bezug auf die Schöpfschale 3 anderen Ende des Stiels 6 angeordnet. Zur Speicherung und/oder Verarbeitung der gemessenen Werte kann die Gießkelle 10 eine interne Auswerte- und Speichereinheit 4 aufweisen, die dann bevorzugt im Stiel 6 angeordnet ist. Alternativ können die gemessenen Parameter direkt an eine externe Auswerte-und Speichereinheit übergeben werden. Eine derartige Übergabe erfordert eine signalleitende Verbindung, wie sie beispielsweise in Form einer elektrischen Steckverbindung oder aber einer kabellosen Verbindung 7, insbesondere auf Basis der NFC erfolgt. Gleiches gilt für eine elektrische Beladung der technologischen Einheiten der Meßeinheit 4 und im Besonderen auch für eine Speichereinheit 8. Bei der Speichereinheit 8 handelt es sich bevorzugt um eine externe Speichereinheit 8, da dies die Erfassung und insbesondere visuelle Aufbereitung der Sicherung der Daten ermöglicht. Dies ist insbesondere bei halbautomatischen und automatischen Gießkellen vorteilhaft, da sie somit an den Arbeitsplätzen zeitgenau ausgegeben werden können.
Zudem umfasst die Meßeinheit 4 bevorzugt eine Ausgabeeinheit, beispielsweise in Form eines Displays. Insbesondere im manuellen Betrieb der Gießkelle 10 ist die Ausgabeeinheit an der Gießkelle 10 direkt angeordnet oder aber in einem für den Bediener visuell leicht zugänglichen Bereich, wie beispielsweise einem auf Augenhöhe angeordneten Monitor oder aber in einer AR-Bril le . Bezugszeichenliste
10 Gieß- oder Schöpfkelle
1 Temperatursensoren
2 Isolierung, isolierende Beschichtung
3 Schöpfschale
4 Meßeinheit
4a Anzeige-/Auswerteeinheit
5 Bestätigungseinheit/taktile Sensor, Druckknopf
6 Stiel
7 signalleitende Verbindung, drahtlose Verbindung, NFC-
Verbindung
8 externe Steuereinheit
9 Verbindung zwischen Schöpferschale und Stil

Claims

Patentansprüche
1 . Gießkelle zum Schöpfen und Gießen flüssigen Metalls, aufweisend eine Schöpfschale und einen mit der Schöpfschale verbundenem Stiel, wobei die Gießkelle eine Messeinheit umfassend zumindest einen Sensor zum Messen zumindest eines physikalischen Parameters aufweist.
2. Gießkelle nach Anspruch 1 , wobei der mindestens eine Sensor auszuwählen ist aus der Gruppe aus Temperatursensor, (Luft- )Drucksensor, (Luft-)Feuchtigkeitssensor, Neigungssensor, Lagesensor und/oder einem taktilen Sensor.
3. Gießkelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Temperatursensor mit Messkontakt zu einer dem Schöpfraum der Schöpfschale zugewandten Oberfläche der Schöpfschale angeordnet ist.
4. Gießkelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinheit eine Auswerteeinheit, eine Anzeigeeinheit und/oder eine Speichereinheit aufweist, welche mit dem mindestens einen Sensor signalleitend verbunden ist oder sind und kontinuierlich oder in regelmäßigen zeitlichen Intervallen von dem mindestens einen Sensor gemessene Werte in der Speichereinheit gespeichert und/oder mittels der Ausgabeeinheit ausgegeben werden.
5. Gießkelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die Schöpfschale eine Mehrzahl, insbesondere gleichmäßig verteilter Temperatursensoren aufweist.
6. Gießkelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schöpfschale, insbesondere auf einer dem Innenraum der Schöpfschale zu- oder abgewandten Oberfläche eine vollflächig angeordnete Isolierung aufweist.
7. Gießkelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinheit mit einer externen Speichereinheit und/oder einer externen Ladeeinheit, insbesondere über eine NFC (near field communication), Induktion und/oder Steckverbindung wie USB- Anschlüsse verbunden oder verbindbar ist.
8. Gießkelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Stiel einen Griff oder Halteabschnitt aufweist, an dem eine zur Messeinheit zuordenbare Bestätigungseinheit zum Bestätigen eines Gießvorgangs angeordnet ist.
9. Verfahren zum Fertigen eines Gussteils unter Verwendung einer Gießkelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge: a) Füllen der Schöpfschale mit einer flüssigen Schmelze durch Tauchen der Schöpfschale in eine Schmelze, b) wiederholtes Detektieren der Temperatur der Schmelze in der Schöpfschale, c) Speichern der Temperatur in einer in Bezug auf die Gießkelle internen oder externen Speichereinheit.
1 0. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren weiterhin zumindest einen der Schritte 14 dj Detektieren eines Abgießvorgangs durch Betätigung einer Bestätigungseinheit oder durch einen Lage- und/oder Neigungssensor, d2) Ausgabe eines akustischen, haptischen und/oder visuellen Signals bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur der in der Schöpfschale befindlichen Schmelze.
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