WO2022223820A1 - Giessvorrichtung, giessverfahren und gussbauteil - Google Patents

Giessvorrichtung, giessverfahren und gussbauteil Download PDF

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WO2022223820A1
WO2022223820A1 PCT/EP2022/060769 EP2022060769W WO2022223820A1 WO 2022223820 A1 WO2022223820 A1 WO 2022223820A1 EP 2022060769 W EP2022060769 W EP 2022060769W WO 2022223820 A1 WO2022223820 A1 WO 2022223820A1
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melt
mold cavity
outlet
material melt
feed
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PCT/EP2022/060769
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Wolfram Volk
Stefan Braunreuther
Thomas Gress
Simon Schmid
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/08—Features with respect to supply of molten metal, e.g. ingates, circular gates, skim gates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/08—Features with respect to supply of molten metal, e.g. ingates, circular gates, skim gates
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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
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/16—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making compound objects cast of two or more different metals, e.g. for making rolls for rolling mills

Definitions

  • Shape in particular by means of injector casting, and a cast component produced by means of the G demah process.
  • the subject of the application can advantageously be used in vehicle construction, aerospace engineering, special machine construction and energy technology.
  • injector casting The casting process known as injector casting and suitable casting devices are known from the prior art.
  • injector casting a molten material is fed into a mold cavity by gravity through a movable feed device, with the feed device being pulled out of the mold cavity during casting.
  • the molten material is thus introduced into the mold cavity in layers from bottom to top (increasing mold filling).
  • the outlet of the During casting the guide device (injector) typically remains below the surface level of the melt introduced into the mold cavity.
  • Desirable properties of such processes include the manufacturability of complex, durable and resilient components, flexibility in the choice of materials, optimized introduction of the melt into the mold cavity in terms of flow behavior, temperature distribution and/or feed capacity, the resource efficiency of the process and the avoidance of component rejects.
  • an object of the present application is therefore to provide a casting device and a casting method and a cast component that can be produced therewith, which have at least some of the properties and improvements mentioned.
  • the proposed casting device is set up for producing a cast component in a mold in which a mold cavity is formed.
  • the casting device comprises: a first melt feeder, set up to receive a first material melt, a second melt feeder, set up to receive a second material melt, and a feeder device, set up for the simultaneous and/or time-independent charging of the mold cavity with the first material melt from the first melt feed and the second material melt from the second melt feed by gravity.
  • the form can be a permanent form or a lost form.
  • a melt reservoir, a feed line or a combination of such elements can be referred to here as a melt feed.
  • any direction perpendicular thereto as the horizontal direction is hereinafter referred to as the vertical direction, any direction perpendicular thereto as the horizontal direction.
  • the mold cavity can thus be used at least temporarily, but also completely simultaneously with the first and second works
  • the mold cavity can also be impinged with only one of the material melts or with a different selection or composition of material melts.
  • the feed device comprises at least one first outlet, which can be inserted into the mold cavity and is movable relative to the mold cavity, for charging the mold cavity with the first material melt and/or the second material melt.
  • Such melt properties can be a material or a material composition of the respective material melt, but also a melt temperature or some other physical or chemical property of the respective material melt.
  • the MMIC thus avoids the disadvantages of monolithic casting processes in which the material used and/or the selected process parameters may represent a compromise.
  • Transition gradient can be freely varied from very gradual to (almost) step-like transitions.
  • the transition gradient can be linear or have another (non-linear) profile.
  • Such components can have locally variable properties adapted to their intended use and can be distinguished, for example, by good resilience and/or a good service life.
  • the process parameters of the casting can also be advantageously varied spatially or temporally by means of the different melt properties.
  • a spatially heterogeneous temperature profile and/or a temporal temperature variation within the material introduced into the mold cavity and/or in the mold itself can be achieved by means of different melt temperatures with a variable mixing ratio.
  • particularly favorable local feeding properties can be provided.
  • the position and temperature of thermal hotspots within the melt or melt mixture introduced into the mold cavity can be influenced in a targeted manner, which improves local feeding, reduces material loss in the feeders and reduces component rejects caused by cavities.
  • the casting device thus enables numerous process optimizations in terms of automation, suitability for series production and process efficiency, including the expenditure of time, energy and materials.
  • the at least one first outlet can be or can be connected to the first melt feed for loading the mold cavity with the first material melt through a first feed line.
  • the delivery device can comprise at least one second outlet which can be guided into the mold cavity and can be moved relative to the mold cavity.
  • the second outlet can be or can be connected to the second melt supply for loading the mold cavity with the second material melt through a second supply line.
  • the first feed line and the second feed line can be separated from one another in such a way that the first material melt and the second material melt are not mixed with one another within the feed device.
  • the first and second material melt can be guided in completely separate lines, in particular between the respective melt feed and the respective outlet, ie the feed device can comprise two fluidically separated injectors.
  • transition gradients can be generated on the one hand in the horizontal direction (determined by a horizontal distance between the outlets) and on the other hand in the vertical direction (determined by the relative flow rates or flow velocities of the material melts through the respective outlets).
  • the at least one second outlet is preferably movable relative to the mold cavity.
  • the at least one first outlet and the at least one second outlet may also be moveable relative to each other. This provides additional degrees of freedom with regard to the process and component properties.
  • the feed device can be set up to produce a material mixture, comprising respective portions of the first and second material melt, and to apply the material mixture to the mold cavity through the at least one first outlet.
  • the material melts are mixed inside the feed device, which thus forms a common injector for both material melts.
  • a common supply line section for both material melts with a sufficient length can be provided.
  • the feeding device may comprise a Y-shaped feeding section for producing the mixed material.
  • the casting device can be fed in addition to the at least one first melt
  • the at least one second melt feed include one or more further melt feeds, each set up to receive egg ner further material melt.
  • the feeding device can then melt material simultaneously and/or independently of one another in terms of time and/or for loading the mold cavity with the one or more additional materials
  • BO combinations of both variants are used.
  • two or more fluidically separated injector units can be provided, where one or more of the injector units can be designed as a common injector for two or more miscible material melts.
  • the casting device may comprise a positioning device, for example a robotic device with three translational degrees of freedom, by means of of which the at least one first outlet and/or the at least one second outlet can be moved in all three spatial directions relative to the mold cavity. This maximizes the spatial degrees of freedom of the casting process and the component design.
  • a positioning device for example a robotic device with three translational degrees of freedom, by means of of which the at least one first outlet and/or the at least one second outlet can be moved in all three spatial directions relative to the mold cavity. This maximizes the spatial degrees of freedom of the casting process and the component design.
  • the casting device can comprise a control device, by means of which a first flow of the first material melt towards the mold cavity and/or a second flow of the second material melt towards the mold cavity can be controlled.
  • the first and second flow can be independently controllable
  • a controllable mixing of the first and second material melts to form the material mixture within the feed device and/or a controllable ratio of the material melts entering the mold cavity through the first and second outlet can be set.
  • the control device can
  • control of the first or second flow include, for example, a plug device and / or a vacuum device.
  • the proposed casting method for producing a cast component in a mold includes the following steps:
  • BO at least one first outlet and/or, if at least one second outlet is provided, the at least one second outlet,
  • the proposed casting device unfolds its above-mentioned advantages and properties in the proposed casting process.
  • the casting process can be further developed according to optional features of the casting device or its functions and applications. Conversely, the casting device can be set up to carry out optional process steps of the casting process.
  • the first material melt and/or the second material melt can in particular be a metal melt (including an alloy), but other material melts can also be used in the method.
  • the first material melt and the second material melt can have different material compositions and/or different temperatures and/or differ in other properties.
  • the casting process is particularly suitable for processing alloys that are prone to cavities, such as wrought alloys (e.g. aluminum wrought alloys from the 7xxx series such as EN AW-7075), which are otherwise difficult to process in injector casting and related processes.
  • wrought alloys e.g. aluminum wrought alloys from the 7xxx series such as EN AW-7075
  • the method may include controlling the first flow of the first material melt toward the mold cavity and/or the second flow of the second material melt toward the mold cavity to create a spatially variable mixing ratio of the first material melt and the second material melt within the mold cavity.
  • the proposed cast component can be produced using the proposed casting process and has a first region with a first material property formed by solidification of the first material melt and a second region with a second material property formed by solidification of the second material melt.
  • a proportion of the second material can also be contained in the first area, and a proportion of the first material can be contained in the second area.
  • a transition area is formed between the first area and the second area with a continuous transition between the first material property and the second material property.
  • the cast component is therefore in particular a functionally graded component and includes at least one transition gradient in the above sense. Several such transition gradients can also be provided. As mentioned, such a cast component can in particular have locally variable properties that are adapted to the intended use and can be distinguished, for example, by good resilience and/or a good service life.
  • the cast component can be a cast component for vehicle construction, aerospace engineering, special machine construction or energy technology.
  • a vehicle part for example an engine part, in particular a cylinder block, can advantageously be produced.
  • a cylinder crankcase has respective areas with high and low thermal stress during operation.
  • MMIC for example, a cylinder crankcase can be produced in a graded design that has a particularly tough material in the crankshaft area and a material with high heat resistance in the upper crankcase area, which prevents cracks from forming on the combustion chamber webs and has a high resistance to friction wear caused by the piston can be guaranteed.
  • FIG. 2 shows a casting device according to a second example.
  • the casting device 1 shown in FIG. 1 is set up for producing a cast component 2 (in the process of being cast in the figure) in a mold 3 in which a mold cavity 4 is formed.
  • the casting device 1 comprises a first melt feed 5 which comprises a first reservoir 6 and a first feed line 7 which is fluidically connected to the first reservoir 6 .
  • the first melt feeder 5 is set up to receive a first material melt 8 (represented by square symbols).
  • the casting device 1 also includes a second melt feed 9 which includes a second reservoir 10 and a second feed line 11 which is fluidically connected to the second reservoir 10 .
  • the second melt feed 9 is designed to receive a second material melt 12 (represented by circular symbols).
  • the reservoirs 6, 10 are part of the casting device 1 and are firmly connected to the respective supply line 7, 11.
  • the material melts can be fed into the casting device 1 from external reservoirs or lines that are to be provided separately.
  • the casting device 1 further includes a feed device 13, designed for the simultaneous and/or time-independent loading of the mold cavity 4 with the first molten material 6 from the first Melt feed 5 and the second material melt 8 from the second melt feed 7 by gravity.
  • the feed device 13 comprises a first outlet 14, which can be inserted into the mold cavity 4 and is movable relative to the mold cavity 4, for charging the mold cavity 4 with the first material melt 8 and/or the second material melt 12.
  • the feed device 13 and the melt feeds 5, 9 preferably include a refractory material and are set up to receive molten metal.
  • the refractory material is poorly wettable by molten metal.
  • Shape 3 is a permanent shape in this example, but may alternatively be a lost shape.
  • the direction in which gravity acts and against which the mold is filled during casting with the proposed casting device is referred to here as the vertical direction 15, and every direction perpendicular thereto as the horizontal direction 16.
  • the first outlet 14 is fluidly connected to the first melt feed 5 for charging the mold cavity 4 with the first material melt 8 and/or with the second material melt 12 by a first feed line 17 .
  • the feed device 13 is set up to produce a material mixture 18 , comprising respective portions of the first and second material melt 8 , 12 , and to apply the material mixture 18 to the mold cavity 4 through the first outlet 14 .
  • the feed device 13 thus forms a common injector for both material melts 8, 12 forms.
  • the feed device 13 comprises a Y-shaped feed section for producing the material mixture 18.
  • the first feed line 17 is provided as a common feed line section for both material melts 8, 12 with a sufficient length. Additionally or alternatively, mixing elements can be arranged within a common feed line section.
  • the casting device 1 comprises a positioning device (not shown), for example a robotic device with three translational degrees of freedom, by means of which the entire feed device 13 including the melt feeds 5, 9 - and thus in particular the first outlet 14 - relative to the mold cavity 4 in all three spatial directions is movable.
  • the casting device comprises a first control device 20, by means of which a first flow of the first material melt 8 to the mold cavity 4 can be controlled, and a second control device 21, by means of which a second flow of the second material melt 12 to the mold cavity 4 can be controlled.
  • the control devices 20, 21 are formed as plug devices, but may alternatively be formed as or include vacuum devices or other types of control devices.
  • the first and second flows are independently controllable to achieve controllable mixing of the first and second material melts 8, 12 to form the material mixture 18 within the feed device 13, as well as an overall controllable flow of the material mixture 18 through the first outlet 14.
  • the casting device 1 is suitable for a casting process for producing the cast component 2 in the mold 3 and is shown in Figure 1 during use in the casting process.
  • the casting process includes the following steps:
  • Fig. 1 shows the casting device 1 after the first outlet 14 has been introduced into the mold cavity 4 by a feeder 23 of the mold 3, while the mold cavity 4 is being charged with the molten material 8.
  • the first outlet 14 is positioned just below by means of the positioning device the melt surface 22 out.
  • the first material melt 8 and the second material melt 12 are metal melts of different material compositions, with other material melts also being able to be used in the method (with corresponding design of the casting device 1).
  • the material melts can also have different temperatures and/or differ in other properties.
  • the casting method also includes controlling the first flow of the first material melt 8 towards the mold cavity and the second flow of the second material melt 12 towards the mold cavity in order to generate a spatially variable mixing ratio of the first material melt 8 and the second material melt 12 within the mold cavity 4.
  • the cast component 2 produced by means of the casting process thus has a first region 24 with a first material property formed by solidification of the first material melt 8 (here: high proportion of the first material melt 8) and a second region 25 with a second material property formed by the second material melt 12 rigidifying (here: high proportion of the second material melt 12).
  • a transition region 26 with a continuous transition (transition gradient) between the first material property and the second material property is formed between the first region 24 and the second region 25 .
  • transition gradients can also be provided.
  • the common injector formed by the feed device 13 of the casting device 1 for both material melts 8, 12 enables the production of the cast component 2 in particular to produce a transition gradient along the vertical direction 15 (as shown in Fig. 1), with good homogeneity in the horizontal direction 16 can be ensured.
  • the temperature of the material mixture 18 introduced into the mold cavity 4 can be increased in a final temporal section of the casting process compared to previous sections, in particular by providing the first and second material melts 8, 12 different temperatures and correspondingly varying the respective flows.
  • a thermal hotspot can be directed in a targeted manner into an upper region of the cast component 2 being produced and the feeding capability can be improved.
  • the casting device 1' shown in FIG. 2 differs from the casting device 1 shown in FIG. 1 in particular in that the feed device 13 comprises two fluidically separated injectors. Therefore, only the aspects that differ from the casting device 1 are described below.
  • the casting device 1' includes a second outlet 27, which is connected to the second melt feed 9 for charging the Mold cavity 4 is connected to the second material melt 12 by a second feed line 28 .
  • the second outlet 27 can also be inserted into the mold cavity 4 and can be moved relative to the mold cavity 4 .
  • the first outlet and 14 and the second outlet 27 are also movable relative to each other (by means of two independent - not shown here - positioning devices).
  • the first feed line 17 and the second feed line 28 are separated from one another in such a way that the first material melt 8 and the second material melt 12 are not mixed together within the feed device 13 .
  • the casting device is thus suitable for a further example of a casting method which is essentially the same as that described above.
  • the casting process here includes:
  • the first and second molten material 8, 12 are not mixed until after they have been introduced into the mold cavity 4.
  • the cast component 2' produced in this way thus also has a first region 24 with a first material property formed by solidification of the first material melt 8 (here: high proportion of the first material melt 8 ) and a second region 25 with a second material property formed by solidification of the second material melt 12 (here: high proportion of the second material melt 12).
  • a transition region 26 with a continuous union transition (transition gradient) between the first material property and the second material property is formed between the first region 24 and the second region 25 .
  • the transition gradient is arranged in the horizontal direction 16 (determined by a horizontal spacing of the outlets 14, 27).
  • a transition gradient in the vertical direction 15, determined by the relative flow rates or flow speeds of the material melts 8, 12 through the respective outlets 14, 27, can be generated.
  • Several horizontal and/or vertical transition gradients can also be provided.
  • the casting device 1 or the casting device 1′ can comprise one or more further melt feeds, each designed to receive a further melt of material (examples of embodiment not shown).
  • fluidically separate injectors, common injectors or combinations of both variants can be used.
  • two or more fluidically separate injector units can be provided, with one or more of the injector units being designed as a common injector for two or more miscible material melts.

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Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Gießvorrichtung (1, 1') und ein Gießverfahren zum Herstellen eine Gussbauteils (2, 2') in einer Form (3), in der ein Formhohlraum (4) ausgebildet ist, sowie ein mittels des Gießverfahrens hergestelltes Gussbauteil (2, 2'). Die Gießvorrichtung (1, 1') umfasst: eine erste Schmelzenzuführung (5), eingerichtet zum Aufnehmen einer ersten Werkstoffschmelze (8), eine zweite Schmelzenzuführung (9), eingerichtet zum Aufnehmen einer zweiten Werkstoffschmelze (12), und eine Zuführungsvorrichtung (13), eingerichtet zum gleichzeitigen und/oder zeitlich unabhängigen Beaufschlagen des Formhohlraums (4) mit der ersten Werkstoffschmelze (8) aus der ersten Schmelzenzuführung (5) und der zweiten Werkstoffschmelze (12) aus der zweiten Schmelzenzuführung (9) mittels Schwerkraft. Es ist vorgesehen, dass die Zuführungsvorrichtung (13) mindestens einen in den Formhohlraum (4) einführbaren und relativ zu dem Formhohlraum (4) bewegbaren ersten Auslass (14) zum Beaufschlagen des Formhohlraums (4) mit der ersten Werkstoffschmelze (8) und/oder der zweiten Werkstoffschmelze (12) umfasst.

Description

Gießvorrichtung. Gießverfahren und Gussbauteil
Die Anmeldung liegt auf dem Gebiet der Gießereitechnik und betrifft eine Gieß- Vorrichtung und ein Gießverfahren zum Herstellen eines Gussbauteils in einer
Form, insbesondere mittels Injektor-Casting, sowie ein mittels des Gießverfah rens hergestelltes Gussbauteil. Der Gegenstand der Anmeldung ist vorteilhaft etwa im Fahrzeugbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, dem Sondermaschinen bau und der Energietechnik einsetzbar.
Aus dem Stand derTechnik sind etwa das als Injektor-Casting bezeichnete Gieß verfahren und dafür geeignete Gießvorrichtungen bekannt. Beim Injektor-Cas ting wird eine Werkstoffschmelze durch eine bewegliche Zuführungsvorrich tung mittels Schwerkraft in einen Formhohlraum eingebracht, wobei die Zufüh- rungsvorrichtung während des Gießens aus dem Formhohlraum herausgezo gen wird. Die Werkstoffschmelze wird somit von unten nach oben schichtend in den Formhohlraum eingebracht (steigende Formfüllung). Der Auslass derZu- führungsvorrichtung (Injektor) bleibt während des Gießens typischerweise un terhalb des Oberflächenspiegels der in den Formhohlraum eingebrachten Schmelze.
Bei bekannten Injektor-Casting-Verfahren treten bestimmte Einschränkungen im Hinblick auf werkstoffliche und prozesstechnische Freiheitsgrade auf. Wün schenswerte Eigenschaften solcher Verfahren umfassen die Herstellbarkeit komplexer, langlebiger und belastbarer Bauteile, die Flexibilität bei der Werk stoffauswahl, ein optimiertes Einbringen der Schmelze in den Formhohlraum hinsichtlich Strömungsverhalten, Temperaturverteilung und/oder Speisungs vermögen, die Ressourceneffizienz des Verfahrens sowie die Vermeidung von Bauteilausschuss.
Vor dem Hintergrund des Stands der Technik besteht eine Aufgabe der vorlie genden Anmeldung daher darin, eine Gießvorrichtung und ein Gießverfahren sowie ein damit herstellbares Gussbauteil bereitzustellen, die wenigstens ei nige der genannten Eigenschaften und Verbesserungen aufweisen.
Zur Lösung der Aufgabe werden eine Gießvorrichtung nach Anspruch 1, ein Gießverfahren nach Anspruch 7 sowie ein Gussbauteil nach Anspruch 9 vorge schlagen. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen ergeben sich in Verbindung mit den Merkmalen der Unteransprüche.
Die vorgeschlagene Gießvorrichtung ist eingerichtet zum Herstellen eines Guss bauteils in einer Form, in der ein Formhohlraum ausgebildet ist. Die Gießvor richtung umfasst: eine erste Schmelzenzuführung, eingerichtet zum Aufnehmen einer ers ten Werkstoffschmelze, eine zweite Schmelzenzuführung, eingerichtet zum Aufnehmen einer zweiten Werkstoffschmelze, und eine Zuführungsvorrichtung, eingerichtet zum gleichzeitigen und/oder zeitlich unabhängigen Beaufschlagen des Formhohlraums mit der ersten Werk stoffschmelze aus der ersten Schmelzenzuführung und der zweiten Werkstoff schmelze aus der zweiten Schmelzenzuführung mittels Schwerkraft. Die Form kann eine Dauerform oder eine verlorene Form sein. Als Schmelzen zuführung kann hier etwa ein Schmelzenreservoir, eine Zuleitung oder eine Kombination solcher Elemente bezeichnet werden. Die Richtung, in der die Schwerkraft wirkt und entgegen derer beim Gießen mit der vorgeschlagenen
5 Gießvorrichtung die Form befüllt wird, wird im Folgenden als vertikale Richtung bezeichnet, jede dazu senkrechte Richtung als horizontale Richtung.
Mittels der Gießvorrichtung kann somit der Formhohlraum zumindest zeit weise, aber auch vollständig gleichzeitig mit der ersten und der zweiten Werk
10 stoffschmelze aus den jeweiligen Schmelzenzuführungen beaufschlagt oder ge füllt werden. Vor oder nach der gleichzeitigen Beaufschlagung mit beiden oder noch weiteren Werkstoffschmelzen kann der Formhohlraum auch mit nur einer der Werkstoffschmelzen oder mit einer anderen Auswahl oder Zusammenset zung von Werkstoffschmelzen beaufschlagt werden.
15
Es ist vorgesehen, dass die Zuführungsvorrichtung mindestens einen in den Formhohlraum einführbaren und relativ zu dem Formhohlraum bewegbaren ersten Auslass zum Beaufschlagen des Formhohlraums mit der ersten Werk stoffschmelze und/oder der zweiten Werkstoffschmelze umfasst.
20
Mittels der vorgeschlagenen Gießvorrichtung ist auf einfache Weise das Her stellen eines Gussbauteils unter Verwendung zweier oder mehrerer Werkstoff schmelzen, die sich in mindestens einer Schmelzeneigenschaft unterscheiden, möglich (entsprechende Verfahren werden im Folgenden auch als Multi-Mate-
25 rial-Injektor-Casting bzw. MMIC bezeichnet). Solche Schmelzeneigenschaften können etwa ein Material bzw. eine Materialzusammensetzung der jeweiligen Werkstoffschmelze, aber auch eine Schmelzentemperatur oder eine sonstige physikalische oder chemische Eigenschaft der jeweiligen Werkstoffschmelze sein.
BO
Durch die unabhängige Wählbarkeit der Werkstoffschmelzen und das mittels der Gießvorrichtung ermöglichte lokal unterschiedliche und/oder in unter schiedlicher Vermischung erfolgende Einfüllen der Werkstoffschmelzen kön nen beim MMIC prozesstechnische und werkstoffkundliche Parameter über ei
35 nen großen Bereich variiert bzw. optimiert werden. Das MMIC vermeidet damit Nachteile monolithischer Gießverfahren, bei denen der eingesetzte Werkstoff und/oder die gewählten Prozessparameter u. U. einen Kompromiss darstellen.
Mittels MMIC sind komplexe Bauteile, insbesondere Bauteile mit lokal unter schiedlichen Materialien oder Materialeigenschaften (funktional gradierte Ma terialien), herstellbar, wobei Übergänge zwischen Bereichen unterschiedlicher Materialien oder Materialeigenschaften als kontinuierlicher Gradient (im Fol genden auch Übergangsgradient) mit einstellbarer Breite erzeugbar sind. Die Breite kann dabei frei von sehr graduellen bis hin zu (nahezu) stufenartigen Übergängen variiert werden. Der Übergangsgradient kann linear ausgeführt sein oder ein anderes (nichtlineares) Profil aufweisen. Solche Bauteile können an ihren vorgesehenen Verwendungszweck angepasste lokal variable Eigen schaften aufweisen und sich beispielweise durch gute Belastbarkeit und/oder gute Lebensdauer auszeichnen.
Auch können Prozessparameter des Gießens mittels der unterschiedlichen Schmelzeneigenschaften räumlich oder zeitlich vorteilhaft variiert werden. Ins besondere kann mittels unterschiedlicher Schmelzentemperaturen bei variab lem Mischverhältnis ein räumlich heterogenes Temperaturprofil und/oder eine zeitliche Temperaturvariation innerhalb des in den Formhohlraum eingebrach- ten Materials und/oder in der Form selbst erzielt werden. Dadurch können ins besondere günstige lokale Speisungseigenschaften bereitgestellt werden. Etwa kann die Position und Temperatur thermischer Hotspots innerhalb der in den Formhohlraum eingebrachten Schmelze bzw. des Schmelzengemischs gezielt beeinflusst werden, wodurch die lokale Speisung verbessert, Werkstoffverlust in den Speisern verringert und lunkerbedingter Bauteilausschuss reduziert wer den kann.
Die Gießvorrichtung ermöglicht also zahlreiche Verfahrensoptimierungen hin sichtlich Automatisierung, Serientauglichkeit und Prozesseffizienz, einschließ lich Zeit-, Energie- und Materialaufwand.
Der mindestens eine erste Auslass kann mit der ersten Schmelzenzuführung zum Beaufschlagen des Formhohlraums mit der ersten Werkstoffschmelze durch eine erste Zuführungsleitung verbindbar oder verbunden sein. Die Zuführungsvorrichtung kann mindestens einen in den Formhohlraum ein führbaren und relativ zu dem Formhohlraum bewegbaren zweiten Auslass um fassen. Der zweite Auslass kann mit der zweiten Schmelzenzuführung zum Be aufschlagen des Formhohlraums mit der zweiten Werkstoffschmelze durch eine zweite Zuführungsleitung verbindbar oder verbunden sein.
Die erste Zuführungsleitung und die zweite Zuführungsleitung können derart voneinander getrennt sein, dass die erste Werkstoffschmelze und die zweite Werkstoffschmelze innerhalb der Zuführungsvorrichtung nicht miteinander vermischt werden.
Dazu können die erste und zweite Werkstoffschmelze insbesondere zwischen der jeweiligen Schmelzenzuführung und dem jeweiligen Auslass in vollständig getrennten Leitungen geführt werden, die Zuführungsvorrichtung also zwei flu- idisch separierte Injektoren umfassen.
Eine Vermischung der ersten und zweiten Werkstoffschmelze erfolgt dann erst nach dem Einbringen in den Formhohlraum. Dadurch können Übergangsgradi enten zum einen in horizontaler Richtung (bestimmt durch einen horizontalen Abstand der Auslässe) und zum anderen in vertikaler Richtung (bestimmt durch relative Flussraten bzw. Flussgeschwindigkeiten der Werkstoffschmelzen durch die jeweiligen Auslässe) erzeugt werden.
Wie der mindestens eine erste Auslass ist auch der mindestens eine zweite Aus lass vorzugsweise relativ zu dem Formhohlraum bewegbar. Der mindestens eine erste Auslass und der mindestens eine zweite Auslass können ferner rela tiv zueinander bewegbar sein. Damit werden zusätzliche Freiheitsgrade hin sichtlich der Prozess- und Bauteileigenschaften bereitgestellt.
Die Zuführungsvorrichtung kann zum Erzeugen eines Werkstoffgemischs, um fassend jeweilige Anteile der ersten und zweiten Werkstoffschmelze, und zum Beaufschlagen des Formhohlraums mit dem Werkstoffgemisch durch den min destens einen ersten Auslass eingerichtet sein. In diesem Fall ist also ein Ver mischen der Werkstoffschmelzen innerhalb der Zuführungsvorrichtung vorge sehen, die somit einen gemeinsamen Injektor für beide Werkstoffschmelzen bildet. Um eine gute Durchmischung der Werkstoffschmelzen sicherzustellen, kann ein gemeinsamer Zuleitungsabschnitt für beide Werkstoffschmelzen mit aus reichender Länge vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ können Mischele
5 mente innerhalb eines gemeinsamen Zuleitungsabschnitts angeordnet sein.
Die Zuführungsvorrichtung kann einen Y-förmigen Zuführungsabschnitt zum Er zeugen des Werkstoffgemischs umfassen.
10 In diesem Y-förmigen Abschnitt können verschiedene Werkstoffschmelzen zu sammen geführt werden. Es können auch in einem Zuführungsabschnitt mehr als zwei Zuführungsleitungen gleichzeitig oder nacheinander ineinander mün den.
15 Mittels eines gemeinsamen Injektors sind insbesondere vertikale Übergangs gradienten erzielbar, wobei eine gute Homogenität in horizontaler Richtung si chergestellt werden kann.
Die Gießvorrichtung kann neben der mindestens einen ersten Schmelzenzufüh
20 rung und der mindestens einen zweiten Schmelzenzuführung eine oder meh rere weitere Schmelzenzuführungen, jeweils eingerichtet zum Aufnehmen ei ner weiteren Werkstoffschmelze, umfassen. Die Zuführungsvorrichtung kann dann zum Beaufschlagen des Formhohlraums mit der oder den weiteren Werk stoffschmelzen gleichzeitig und/oder zeitlich unabhängig voneinander und/o
25 der von der ersten und zweiten Schmelze eingerichtet sein. Somit besteht be sondersgroße Flexibilität hinsichtlich des Aufbaus und der Komplexität herstell barer Gussbauteile.
Hierbei können fluidisch separierte Injektoren, gemeinsame Injektoren oder
BO Kombinationen aus beiden Varianten zum Einsatz kommen. Beispielweise kön nen zwei oder mehrfluidisch separierte Injektoreinheiten vorgesehen sein, wo bei eine oder mehrere der Injektoreinheiten als gemeinsamer Injektor für zwei oder mehr vermischbare Werkstoffschmelzen ausgeführt sein können.
35 Die Gießvorrichtung kann eine Positioniervorrichtung, beispielsweise eine ro- botische Vorrichtung mit drei Translationsfreiheitsgraden, umfassen, mittels derer der mindestens eine erste Auslass und/oder der mindestens eine zweite Auslass relativ zum Formhohlraum in allen drei Raumrichtungen bewegbar ist. Damit werden die räumlichen Freiheitsgrade des Gießvorgangs und des Bau teildesigns maximiert.
5
Die Gießvorrichtung kann eine Steuervorrichtung umfassen, mittels derer ein erster Fluss der ersten Werkstoffschmelze zum Formhohlraum hin und/oder ein zweiter Fluss der zweiten Werkstoffschmelze zum Formhohlraum hin steu erbar ist. Der erste und zweite Fluss können unabhängig voneinander steuerbar
10 sein. Je nach Aufbau der Gießvorrichtung kann somit eine steuerbare Vermi schung der ersten und zweiten Werkstoffschmelze zum Bilden des Werkstoff- gemischs innerhalb der Zuführungsvorrichtung und/oder ein steuerbares Ver hältnis der durch den ersten und zweiten Auslass in den Formhohlraum eintre tenden Werkstoffschmelzen einstellbar sein. Die Steuervorrichtung kann zum
15 Steuern des ersten bzw. zweiten Flusses beispielsweise eine Stopfenvorrich tung und/oder eine Unterdruckvorrichtung umfassen.
Das vorgeschlagene Gießverfahren zum Herstellen eines Gussbauteils in einer Form umfasst die folgenden Schritte:
20 Bereitstellen einer Gießvorrichtung der vorgeschlagenen Art, Bereitstellen einer Form, in der ein Formhohlraum ausgebildet ist, Bereitstellen einer ersten Werkstoffschmelze in der ersten Schmelzen zuführung und einer zweiten Werkstoffschmelze in der zweiten Schmelzenzu führung,
25 Einbringen des mindestens einen ersten Auslasses und/oder, sofern mindestens ein zweiter Auslass vorgesehen ist, des mindestens einen zweiten Auslasses in den Formhohlraum,
Beaufschlagen des Formhohlraums mit der ersten Werkstoffschmelze und mit der zweiten Werkstoffschmelze mittels Schwerkraft durch den mindes
BO tens einen ersten Auslass und/oder, sofern mindestens ein zweiter Auslass vor gesehen ist, den mindestens einen zweiten Auslass,
Bewegen des mindestens einen ersten Auslasses und/oder, sofern min destens ein zweiter Auslass vorgesehen ist, des mindestens einen zweiten Aus lasses innerhalb des Formhohlraums während des Beaufschlagens, so dass der
35 jeweilige Auslass während des Beaufschlagens in einer definierten Lagebezie hung zu einer Oberfläche der in den Formhohlraum eingebrachten ersten bzw. zweiten Werkstoffschmelze geführt wird.
Die vorgeschlagene Gießvorrichtung entfaltet in dem vorgeschlagenen Gieß verfahren ihre oben erwähnten Vorteile und Eigenschaften. Das Gießverfahren kann entsprechend optionaler Merkmale der Gießvorrichtung bzw. deren Funk tionen und Anwendungen weitergebildet werden. Umgekehrt kann die Gieß vorrichtung zum Ausführen optionaler Verfahrensschritte des Gießverfahrens eingerichtet sein.
Die erste Werkstoffschmelze und/oder die zweite Werkstoffschmelze kann ins besondere eine Metallschmelze (einschließlich einer Legierung) sein, aber auch andere Werkstoffschmelzen sind in dem Verfahren verwendbar.
Die erste Werkstoffschmelze und die zweite Werkstoffschmelze können unter schiedliche Materialzusammensetzungen und/oder unterschiedliche Tempera turen aufweisen und/oder sich in sonstigen Eigenschaften unterscheiden.
Das Gießverfahren eignet sich beispielsweise besonders gut für die Verarbei tung von lunkeranfälligen Legierungen, beispielsweise Knetlegierungen (etwa Aluminium Knetlegierungen der 7xxx-Serie wie z. B. EN AW-7075), die sonst nur schwer im Injektor-Casting und verwandten Verfahren verarbeitbar sind.
Es kann etwa vorgesehen sein, eine Temperatur des in den Formhohlraum ein- gebrachten oder dort erzeugten Werkstoffgemischs in einem abschließenden zeitlichen Abschnitt des Gießvorgangs gegenüber vorhergehenden Abschnitten zu erhöhen. Dadurch kann ein thermischer Hotspot gezielt in einen oberen Be reich des entstehenden Gussbauteils gelenkt und das Speisungsvermögen ver bessert (also die Lunkeranfälligkeit verringert) werden.
Das Verfahren kann ein Steuern des ersten Flusses der ersten Werkstoff schmelze zum Formhohlraum hin und/oder des zweiten Flusses der zweiten Werkstoffschmelze zum Formhohlraum hin zum Erzeugen eines räumlich ver änderlichen Mischungsverhältnisses der ersten Werkstoffschmelze und er zweiten Werkstoffschmelze innerhalb des Formhohlraums umfassen. Das vorgeschlagene Gussbauteil ist mittels des vorgeschlagenen Gießverfah rens herstellbar und weist einen ersten Bereich mit einer durch Erstarren der der ersten Werkstoffschmelze ausgebildeten ersten Werkstoffeigenschaft und einen zweiten Bereich mit einer durch Erstarren der zweiten Werkstoff schmelze ausgebildeten zweiten Werkstoffeigenschaft auf. Im Fall unterschied licher Werkstoffe (Materialien) bedeutet dies insbesondere, dass ein Anteil des der ersten Werkstoffschmelze entsprechenden ersten Werkstoffs im ersten Be reich höher ist als im zweiten Bereich, während ein Anteil des der zweiten Werkstoffschmelze entsprechenden zweiten Werkstoffs im zweiten Bereich höher ist als im ersten Bereich. Auch im ersten Bereich kann jedoch ein Anteil des zweiten Werkstoffs, im zweiten Bereich ein Anteil des ersten Werkstoffs enthalten sein.
Zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ist ein Übergangsbe reich mit einem kontinuierlichen Übergang zwischen der ersten Werkstoffei genschaft und der zweiten Werkstoffeigenschaft ausgebildet.
Das Gussbauteil ist also insbesondere ein funktional gradiertes Bauteil und um fasst mindestens einen Übergangsgradienten im obigen Sinne. Es können auch mehrere solcher Übergangsgradienten vorgesehen sein. Wie erwähnt kann ein solches Gussbauteil insbesondere an den vorgesehenen Verwendungszweck angepasste lokal variable Eigenschaften aufweisen und sich beispielweise durch gute Belastbarkeit und/oder gute Lebensdauer auszeichnen.
Das Gussbauteil kann etwa ein Gussbauteil für den Fahrzeugbau, die Luft- und Raumfahrttechnik, den Sondermaschinenbau oder die Energietechnik sein. Vorteilhaft ist etwa ein Fahrzeugteil, beispielsweise ein Motorteil, insbeson dere ein Zylinderkurbelgehäuse, erzeugbar. Ein Zylinderkurbelgehäuse weist je weilige Bereiche mit im Betrieb großer und geringer thermischer Belastung auf. Mittels MMIC kann etwa ein Zylinderkurbelgehäuse in gradierter Bauweise er zeugt werden, dass im Bereich der Kurbelwelle einen besonders zähen Werk stoff und im oberen Kurbelgehäusebereich einen Werkstoffe mit hoher Warm festigkeit aufweist, womit einer Rissentstehung an Brennraumstegen vorge beugt und eine hohe Beständigkeit gegenüber durch die Reibung des Kolbens verursachtem Verschleiß gewährleistet werden kann. Ausführungsbeispiele des Anmeldungsgegenstandes werden nachfolgend an hand von Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine Gießvorrichtung gemäß einem ersten Beispiel,
Fig. 2 eine Gießvorrichtung gemäß einem zweiten Beispiel.
Wiederkehrende und ähnliche Merkmale verschiedener Ausführungsformen sind in den Abbildungen mit identischen alphanumerischen Bezugszeichen ver sehen.
Die in Fig. 1 gezeigte Gießvorrichtung 1 ist eingerichtet zum Herstellen eines (in der Abbildung im Guss befindlichen) Gussbauteils 2 in einer Form 3, in der ein Formhohlraum 4 ausgebildet ist.
Die Gießvorrichtung 1 umfasst eine erste Schmelzenzuführung 5, die ein erstes Reservoir 6 und eine mit dem ersten Reservoir 6 fluidisch verbundene erste Zu leitung 7 umfasst. Die erste Schmelzenzuführung 5 ist eingerichtet zum Aufneh men einer ersten Werkstoffschmelze 8 (dargestellt durch quadratische Sym bole).
Die Gießvorrichtung 1 umfasst ferner eine zweite Schmelzenzuführung 9, die ein zweites Reservoir 10 und eine mit dem zweiten Reservoir 10 fluidisch ver bundene zweite Zuleitung 11 umfasst. Die zweite Schmelzenzuführung 9 ist ein gerichtet zum Aufnehmen einer zweiten Werkstoffschmelze 12 (dargestellt durch kreisförmige Symbole).
Im gezeigten Beispiel sind die Reservoire 6, 10 Teil der Gießvorrichtung 1 und mit der jeweiligen Zuleitung 7, 11 fest verbunden. Es kann jedoch alternativ beispielsweise vorgesehen sein, dass die Werkstoffschmelzen aus externen, se parat bereitzustellenden Reservoiren oder Leitungen in die Gießvorrichtung 1 eingespeist werden.
Die Gießvorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Zuführungsvorrichtung 13, ein gerichtet zum gleichzeitigen und/oder zeitlich unabhängigen Beaufschlagen des Formhohlraums 4 mit der ersten Werkstoffschmelze 6 aus der ersten Schmelzenzuführung 5 und der zweiten Werkstoffschmelze 8 aus der zweiten Schmelzenzuführung 7 mittels Schwerkraft.
Die Zuführungsvorrichtung 13 umfasst einen in den Formhohlraum 4 einführ baren und relativ zu dem Formhohlraum 4 bewegbaren ersten Auslass 14 zum Beaufschlagen des Formhohlraums 4 mit der ersten Werkstoffschmelze 8 und/oder der zweiten Werkstoffschmelze 12. Die Zuführungsvorrichtung 13 und die Schmelzenzuführungen 5, 9 umfassen vorzugsweise ein feuerfestes Material und sind zum Aufnehmen von Metallschmelzen eingerichtet. Typi scherweise ist das feuerfeste Material durch Metallschmelzen nur schlecht be netzbar.
Die Form 3 ist in diesem Beispiel eine Dauerform, kann jedoch alternativ eine verlorene Form sein. Die Richtung, in der die Schwerkraft wirkt und entgegen derer beim Gießen mit der vorgeschlagenen Gießvorrichtung die Form befüllt wird, wird hier als vertikale Richtung 15 bezeichnet, jede dazu senkrechte Rich tung als horizontale Richtung 16.
Der erste Auslass 14 ist mit der ersten Schmelzenzuführung 5 zum Beaufschla gen des Formhohlraums 4 mit der ersten Werkstoffschmelze 8 und/oder mit der zweiten Werkstoffschmelze 12 durch eine erste Zuführungsleitung 17 flui- disch verbunden.
Die Zuführungsvorrichtung 13 ist zum Erzeugen eines Werkstoffgemischs 18, umfassend jeweilige Anteile der ersten und zweiten Werkstoffschmelze 8, 12, und zum Beaufschlagen des Formhohlraums 4 mit dem Werkstoffgemisch 18 durch den ersten Auslass 14 eingerichtet. Die Zuführungsvorrichtung 13 bildet somit einen gemeinsamen Injektor für beide Werkstoffschmelzen 8, 12 bildet.
Die Zuführungsvorrichtung 13 umfasst einen Y-förmigen Zuführungsabschnitt zum Erzeugen des Werkstoffgemischs 18. Um eine gute Durchmischung der Werkstoffschmelzen 8, 12 sicherzustellen, ist die erste Zuführungsleitung 17 als gemeinsamer Zuleitungsabschnitt für beide Werkstoffschmelzen 8, 12 mit aus reichender Länge vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ können Mischele mente innerhalb eines gemeinsamen Zuleitungsabschnitts angeordnet sein. Die Gießvorrichtung 1 umfasst eine Positioniervorrichtung (nicht abgebildet), beispielsweise eine robotische Vorrichtung mit drei Translationsfreiheitsgra den, mittels derer die gesamte Zuführungsvorrichtung 13 samt der Schmelzen zuführungen 5, 9 - und somit insbesondere der erste Auslass 14 - relativ zum Formhohlraum 4 in allen drei Raumrichtungen bewegbar ist.
Die Gießvorrichtung umfasst eine erste Steuervorrichtung 20, mittels derer ein erster Fluss der ersten Werkstoffschmelze 8 zum Formhohlraum 4 hin steuer bar ist, sowie eine zweite Steuervorrichtung 21, mittels derer ein zweiter Fluss der zweiten Werkstoffschmelze 12 zum Formhohlraum 4 hin steuerbar ist. Die Steuervorrichtungen 20, 21 sind als Stopfenvorrichtungen gebildet, können je doch alternativ als Unterdruckvorrichtungen oder andere Arten von Steuervor richtungen gebildet sein oder diese umfassen.
Der erste und zweite Fluss sind unabhängig voneinander steuerbar, um eine steuerbare Vermischung der ersten und zweiten Werkstoffschmelze 8, 12 zum Bilden des Werkstoffgemischs 18 innerhalb der Zuführungsvorrichtung 13 so wie einen insgesamt steuerbaren Fluss des Werkstoffgemischs 18 durch den ersten Auslass 14 zu erzielen.
Die Gießvorrichtung 1 eignet sich für ein Gießverfahren zum Herstellen des Gussbauteils 2 in der Form 3 und ist in Fig. 1 während der Verwendung in dem Gießverfahren gezeigt.
Das Gießverfahren umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen der Gießvorrichtung 1,
Bereitstellen der Form 3 mit dem darin ausgebildeten Formhohlraum 4, Bereitstellen der ersten Werkstoffschmelze 8 in der ersten Schmelzen zuführung 5 und der zweiten Werkstoffschmelze 12 in der zweiten Schmelzen zuführung 9,
Einbringen des ersten Auslasses 14 in den Formhohlraum 4, Beaufschlagen des Formhohlraums 4 mit der ersten Werkstoffschmelze 8 und mit der zweiten Werkstoffschmelze 12 in Form des innerhalb der Zufüh rungsvorrichtung 13 gebildeten Werkstoffgemischs 18 mittels Schwerkraft durch den ersten Auslass 14, Bewegen des ersten Auslasses 14 innerhalb des Formhohlraums 4 wäh rend des Beaufschlagens, so dass der erste Auslass 14 während des Beaufschla- gens in einer definierten Lagebeziehung zu einer Schmelzenoberfläche 22 des in den Formhohlraum 4 eingebrachten Werkstoffgemischs 18 geführt wird.
Fig. 1 zeigt die Gießvorrichtung 1, nachdem der erste Auslass 14 durch einen Speiser 23 der Form 3 in den Formhohlraum 4 eingebracht worden ist, während des Beaufschlagens des Formhohlraums 4 mit der Werkstoffschmelze 8. Der erste Auslass 14 wird dabei mittels der Positioniervorrichtung knapp unterhalb der Schmelzenoberfläche 22 geführt.
Die erste Werkstoffschmelze 8 und die zweite Werkstoffschmelze 12 sind Me tallschmelzen unterschiedlicher Materialzusammensetzung, wobei auch an dere Werkstoffschmelzen in dem Verfahren verwendbar sind (bei entsprechen der Auslegung der Gießvorrichtung 1). Die Werkstoffschmelzen können zudem unterschiedliche Temperaturen aufweisen und/oder sich in sonstigen Eigen schaften unterscheiden.
Das Gießverfahren umfasst ferner ein Steuern des ersten Flusses der ersten Werkstoffschmelze 8 zum Formhohlraum hin und des zweiten Flusses der zwei ten Werkstoffschmelze 12 zum Formhohlraum hin zum Erzeugen eines räum lich veränderlichen Mischungsverhältnisses der ersten Werkstoffschmelze 8 und der zweiten Werkstoffschmelze 12 innerhalb des Formhohlraums 4.
Das mittels des Gießverfahrens hergestellte Gussbauteil 2 (in Fig. 1 in teilweise hergestellter und noch nicht vollständig erstarrter Form gezeigt) weist somit einen ersten Bereich 24 mit einer durch Erstarren der der ersten Werkstoff schmelze 8 ausgebildeten ersten Werkstoffeigenschaft (hier: hoher Anteil der ersten Werkstoffschmelze 8) und einen zweiten Bereich 25 mit einer durch Er starren der zweiten Werkstoffschmelze 12 ausgebildeten zweiten Werkstoffei genschaft (hier: hoher Anteil der zweiten Werkstoffschmelze 12) auf. Zwischen dem ersten Bereich 24 und dem zweiten Bereich 25 ist ein Übergangsbereich 26 mit einem kontinuierlichen Übergang (Übergangsgradient) zwischen der ers ten Werkstoffeigenschaft und der zweiten Werkstoffeigenschaft ausgebildet. Es können auch mehrere solcher Übergangsgradienten vorgesehen sein. Der durch die Zuführungsvorrichtung 13 der Gießvorrichtung 1 gebildete ge meinsame Injektor für beide Werkstoffschmelzen 8, 12 ermöglicht beim Her stellen des Gussbauteils 2 insbesondere das Erzeugen eines Übergangsgradien ten entlang der vertikalen Richtung 15 (wie in Fig. 1 gezeigt), wobei eine gute Homogenität in der horizontalen Richtung 16 sichergestellt werden kann.
Als zusätzlicher oder alternativer Schritt des Gießverfahrens kann vorgesehen sein, eine Temperatur des in den Formhohlraum 4 eingebrachten Werkstoffge- mischs 18 in einem abschließenden zeitlichen Abschnitt des Gießvorgangs ge genüber vorhergehenden Abschnitten zu erhöhen, insbesondere durch Bereit stellen der ersten und zweiten Werkstoffschmelze 8, 12 bei unterschiedlichen Temperaturen und entsprechendes Variieren der jeweiligen Flüsse. Dadurch kann ein thermischer Hotspot gezielt in einen oberen Bereich des entstehenden Gussbauteils 2 gelenkt und das Speisungsvermögen verbessert werden.
Die in Fig. 2 gezeigte Gießvorrichtung 1' unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Gießvorrichtung 1 insbesondere darin, dass die Zuführungsvorrich tung 13 zwei fluidisch separierte Injektoren umfasst. Im Folgenden werden da her nur die von der Gießvorrichtung 1 abweichenden Aspekte beschrieben.
Neben dem ersten Auslass 14, der mit der ersten Schmelzenzuführung 5 zum Beaufschlagen des Formhohlraums 4 mit der ersten Werkstoffschmelze 8 durch die erste Zuführungsleitung 17 verbunden ist, umfasst die Gießvorrichtung 1' einen zweiten Auslass 27, der mit der zweiten Schmelzenzuführung 9 zum Be aufschlagen des Formhohlraums 4 mit der zweiten Werkstoffschmelze 12 durch eine zweite Zuführungsleitung 28 verbunden ist.
Wie der erste Auslass 14 ist auch der zweite Auslass 27 in den Formhohlraum 4 einführbar und relativ zu dem Formhohlraum 4 bewegbar. Der erste Auslass und 14 und der zweite Auslass 27 sind ferner relativ zueinander bewegbar (mit tels zweier unabhängiger - hier nicht gezeigter - Positioniervorrichtungen).
Die erste Zuführungsleitung 17 und die zweite Zuführungsleitung 28 sind derart voneinander getrennt, dass die erste Werkstoffschmelze 8 und die zweite Werkstoffschmelze 12 innerhalb der Zuführungsvorrichtung 13 nicht miteinan der vermischt werden. Die Gießvorrichtung eignet sich damit für ein weiteres Beispiel eines Gieß verfahren, das dem oben beschriebenen im Wesentlichen gleicht.
Das Gießverfahren umfasst hier abweichend von dem vorherigen Beispiel:
Einbringen des ersten Auslasses 14 und des zweiten Auslasses 27 in den Formhohlraum,
Beaufschlagen des Formhohlraums 4 mit der ersten Werkstoffschmelze 8 durch den einen ersten Auslass 14 und mit der zweiten Werkstoffschmelze 12 durch den zweiten Auslass 27 mittels Schwerkraft,
Bewegen des ersten Auslasses 14 und zweiten Auslasses 27 innerhalb des Formhohlraums 4 während des Beaufschlagens, so dass der jeweilige Aus lass 14, 27 während des Beaufschlagens in einer definierten Lagebeziehung zu der Schmelzenoberfläche 22 der in den Formhohlraum 4 eingebrachten ersten und zweiten Werkstoffschmelze 8, 12 geführt wird.
Eine Vermischung der ersten und zweiten Werkstoffschmelze 8, 12 erfolgt bei diesem Beispiel erst nach dem Einbringen in den Formhohlraum 4.
Auch in diesem Beispiel kann durch Steuern des ersten Flusses der ersten Werk stoffschmelze 8 zum Formhohlraum 4 hin und des zweiten Flusses der zweiten Werkstoffschmelze 12 zum Formhohlraum 4 mittels der Steuervorrichtunge 20, 21 ein räumlich veränderliches Mischungsverhältnisses der ersten Werkstoff schmelze 8 und der zweiten Werkstoffschmelze 12 innerhalb des Formhohl raums 4 erzeugt werden.
Auch das so hergestellte Gussbauteil 2' (in Fig. 2 in teilweise hergestellter und noch nicht vollständig erstarrter Form gezeigt) weist somit einen ersten Bereich 24 mit einer durch Erstarren der der ersten Werkstoffschmelze 8 ausgebildeten ersten Werkstoffeigenschaft (hier: hoher Anteil der ersten Werkstoffschmelze 8) und einen zweiten Bereich 25 mit einer durch Erstarren der zweiten Werk stoffschmelze 12 ausgebildeten zweiten Werkstoffeigenschaft (hier: hoher An teil der zweiten Werkstoffschmelze 12) auf. Zwischen dem ersten Bereich 24 und dem zweiten Bereich 25 ist ein Übergangsbereich 26 mit einem kontinuier lichen Übergang (Übergangsgradient) zwischen der ersten Werkstoffeigen schaft und der zweiten Werkstoffeigenschaft ausgebildet. In diesem Beispiel ist der Übergangsgradient in horizontaler Richtung 16 (be stimmt durch einen horizontalen Abstand der Auslässe 14, 27) angeordnet. Zu sätzlich kann ein Übergangsgradient in vertikaler Richtung 15, bestimmt durch relative Flussraten bzw. Flussgeschwindigkeiten der Werkstoffschmelzen 8, 12 durch die jeweiligen Auslässe 14, 27, erzeugt werden. Es können auch mehrere horizontale und/oder vertikale Übergangsgradienten vorgesehen sein.
Die Gießvorrichtung 1 oder die Gießvorrichtung 1' kann neben den genannten Bestandteilen eine oder mehrere weitere Schmelzenzuführungen, jeweils ein gerichtet zum Aufnehmen einer weiteren Werkstoffschmelze, umfassen (nicht gezeigte Ausführungsbeispiele). Hierbei können fluidisch separierte Injektoren, gemeinsame Injektoren oder Kombinationen aus beiden Varianten zum Einsatz kommen. Beispielweise können zwei oder mehr fluidisch separierte Injekto reinheiten vorgesehen sein, wobei eine oder mehrere der Injektoreinheiten als gemeinsamer Injektor für zwei oder mehr vermischbare Werkstoffschmelzen ausgeführt sein können.
Liste der Bezugszeichen
1, 1' Gießvorrichtung,
2, 2' Gussbauteil,
3 Form,
4 Formhohlraum,
5 erste Schmelzenzuführung,
6 erstes Reservoir,
7 erste Zuleitung,
8 erste Werkstoffschmelze,
9 zweite Schmelzenzuführung,
10 zweites Reservoir,
11 zweite Zuleitung,
12 zweite Werkstoffschmelze,
13 Zuführungsvorrichtung,
14 erster Auslass, 15 vertikale Richtung,
16 horizontale Richtung,
17 erste Zuführungsleitung,
18 Werkstoffgemisch,
19 Y-förmiger Zuführungsabschnitt,
20 erste Steuervorrichtung,
21 zweite Steuervorrichtung,
22 Schmelzenoberfläche,
23 Speiser,
24 erster Bereich,
25 zweiter Bereich,
26 Übergangsbereich,
27 zweiter Auslass,
28 zweite Zuführungsleitung.

Claims

Patentansprüche
1. Gießvorrichtung (1, 1') zum Herstellen eines Gussbauteils (2, 2') in einer
Form (3), in der ein Formhohlraum (4) ausgebildet ist, wobei die Gieß vorrichtung (1, 1') umfasst: eine erste Schmelzenzuführung (5), eingerichtet zum Aufnehmen einer ersten Werkstoffschmelze (8), eine zweite Schmelzenzuführung (9), eingerichtet zum Aufnehmen ei ner zweiten Werkstoffschmelze (12), und eine Zuführungsvorrichtung (13), eingerichtet zum wenigstens teilweise gleichzeitigen oderwenigstens teilweise zeitlich überlappenden Beaufschlagen des Formhohlraums (4) mit der ersten Werkstoffschmelze (8) aus der ersten Schmelzenzuführung (5) und der zweiten Werkstoffschmelze (12) aus der zwei ten Schmelzenzuführung (9) mittels Schwerkraft, wobei die Zuführungsvorrichtung (13) mindestens einen in den Form hohlraum (4) einführbaren und relativ zu dem Formhohlraum (4) bewegbaren ersten Auslass (14) zum Beaufschlagen des Formhohlraums (4) mit der ersten Werkstoffschmelze (8) und/oder der zweiten Werkstoffschmelze (12) umfasst.
2. Gießvorrichtung (1, 1') nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine erste Auslass (14) mit der ersten Schmelzen zuführung (5) zum Beaufschlagen des Formhohlraums (4) mit der ersten Werk stoffschmelze (8) durch eine erste Zuführungsleitung (17) verbindbar oder ver bunden ist, wobei die Zuführungsvorrichtung (13) mindestens einen in den Form hohlraum (4) einführbaren und relativ zu dem Formhohlraum (4) bewegbaren zweiten Auslass (27) umfasst, der mit der zweiten Schmelzenzuführung (9) zum Beaufschlagen des Formhohlraums (4) mit der zweiten Werkstoffschmelze (12) durch eine zweite Zuführungsleitung (28) verbindbar oder verbunden ist, und wobei die erste Zuführungsleitung (17) und die zweite Zuführungslei tung (28) derart voneinander getrennt sind, dass die erste Werkstoffschmelze (8) und die zweite Werkstoffschmelze (12) innerhalb der Zuführungsvorrich tung (13) nicht miteinander vermischt werden.
3. Gießvorrichtung (1, 1') nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine erste Auslass (14) und der mindestens eine zweite Auslass (27) relativ zueinan der und relativ zu dem Formhohlraum (4) bewegbar sind.
4. Gießvorrichtung (1, 1') nach Anspruch 1, wobei die Zuführungsvorrich tung (13) zum Erzeugen eines Werkstoffgemischs (18), umfassend jeweilige An teile der ersten und zweiten Werkstoffschmelze (8, 12), und zum Beaufschlagen des Formhohlraums (4) mit dem Werkstoffgemisch (18) durch den mindestens einen ersten Auslass (14) eingerichtet ist.
5. Gießvorrichtung (1, 1') nach Anspruch 4, wobei die Zuführungsvorrich tung (13) einen Y-förmigen Zuführungsabschnitt (19) zum Erzeugen des Werk stoffgemischs (18) umfasst.
6. Gießvorrichtung (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, fer ner umfassend eine Positioniervorrichtung, mittels derer der mindestens eine erste Auslass (14) und/oder der mindestens eine zweite Auslass (27) relativ zum Formhohlraum (4) in allen drei Raumrichtungen bewegbar ist, und/oder eine Steuervorrichtung (20, 21), mittels derer ein Fluss der ersten Werk stoffschmelze (8) zum Formhohlraum (4) hin und ein Fluss der zweiten Werk stoffschmelze (12) zum Formhohlraum (4) hin unabhängig voneinander steuer bar sind.
7. Gießverfahren zum Herstellen eines Gussbauteils (2, 2') in einer Form (3), umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Gießvorrichtung (1, 1') nach einem der vorhergehen den Ansprüche,
Bereitstellen einer Form (3), in der ein Formhohlraum (4) ausgebildet ist,
Bereitstellen einer ersten Werkstoffschmelze (8) in der ersten Schmel zenzuführung (5) und einer zweiten Werkstoffschmelze (12) in der zweiten Schmelzenzuführung (9),
Einbringen des mindestens einen ersten Auslasses (14) und/oder, sofern vorgesehen, des mindestens einen zweiten Auslasses (27) in den Formhohl raum (4),
Beaufschlagen des Formhohlraums (4) mit der ersten Werkstoff schmelze (8) und mit der zweiten Werkstoffschmelze (12) mittels Schwerkraft durch den mindestens einen ersten Auslass (14) und/oder, sofern vorgesehen, den mindestens einen zweiten Auslass (27),
Bewegen des mindestens einen ersten Auslasses (14) und/oder, sofern vorgesehen, des mindestens einen zweiten Auslasses (27) innerhalb des Form hohlraums (4) während des Beaufschlagens, so dass der jeweilige Auslass wäh rend des Beaufschlagens in einer definierten Lagebeziehung zu einer Oberflä che der in den Formhohlraum (4) eingebrachten ersten bzw. zweiten Werk stoffschmelze (12) geführt wird.
8. Gießverfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Werkstoffschmelze (8) und/oder die zweite Werkstoff schmelze (12) eine Metallschmelze ist und/oder wobei die erste Werkstoffschmelze (8) und die zweite Werkstoff schmelze (12) unterschiedliche Materialzusammensetzungen aufweisen und/oder wobei die erste Werkstoffschmelze (8) und die zweite Werkstoff schmelze (12) unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
9. Gussbauteil (2, 2'), hergestellt mittels eines Gießverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gussbauteil (2, 2') einen ersten Bereich (24) mit einer durch Erstarren der ersten Werkstoffschmelze (8) ausgebildeten ersten Werkstoffei- genschaft und einen zweiten Bereich (25) mit einer durch Erstarren der zweiten
Werkstoffschmelze (12) ausgebildeten zweiten Werkstoffeigenschaft aufweist, ersten Werkstoffschmelze (8)zweiten Werkstoffschmelze (12)wobei zwischen dem ersten Bereich (24) und dem zweiten Bereich (25) ein Übergangs bereich (26) mit einem kontinuierlichen Übergang zwischen der ersten Werk- Stoffeigenschaft und der zweiten Werkstoffeigenschaft ausgebildet ist.
10. Gussbauteil (2, 2') nach Anspruch 9, wobei das Gussbauteil (2, 2') ein Fahrzeugteil, beispielsweise ein Motorteil, insbesondere ein Zylinderkurbelge häuse, ist.
PCT/EP2022/060769 2021-04-23 2022-04-22 Giessvorrichtung, giessverfahren und gussbauteil WO2022223820A1 (de)

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