AT515970A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Gießen zumindest eines Bauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen zumindest eines Bauteils, wobei fließfähiges metallisches Material (1), insbesondere Magnesium oder eine Magnesiumlegierung im thixotropen Zustand, zur Bildung des zumindest einen Bauteils über zumindest eine Düse (2) unter Druck in eine Kavität einer mehrteiligen Form eingespritzt wird, wonach das Bauteil in der Form erstarren gelassen wird, wobei sich in der Düse (2) ein insbesondere fester Pfropfen (3) bildet, worauf die Form geöffnet und das zumindest eine Bauteil entnommen wird, wonach die Form geschlossen und das nächste Bauteil erstellt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Düse (2) bei geöffneter Form beheizt wird, um den in der Düse (2) gebildeten Pfropfen (3) vor dem Erstellen des nächsten Bauteils zumindest zu erweichen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens ausgelegte Vorrichtung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Gießen zumindest eines Bauteils

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen zumindest eines Bauteils, wobeifließfähiges Material, insbesondere Magnesium oder eine Magnesiumlegierung imthixotropen Zustand, zur Bildung des zumindest einen Bauteils über zumindest eine Düseunter Druck in eine Kavität einer mehrteiligen Form eingespritzt wird, wonach das Bauteilin der Form erstarren gelassen wird, wobei sich in der Düse ein insbesondere festerPfropfen bildet, worauf die Form geöffnet und das zumindest eine Bauteil entnommenwird, wonach die Form geschlossen und das nächste Bauteil erstellt wird.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Gießen zumindest einesmetallischen Bauteils mit einer Fördereinrichtung für Material im fließfähigen Zustand,insbesondere Magnesium oder eine Magnesiumlegierung im thixotropen Zustand, undzumindest einer Düse mit einer Heizeinrichtung sowie einer mehrteiligen Form, welchezumindest eine Kavität für das zu erstellende Bauteil aufweist, wobei das Material zurBildung des zumindest einen Bauteils über die Fördereinrichtung und die stromabwärtsnachgeordnete zumindest eine Düse in die zumindest eine Kavität der Form einspritzbarund die Form zur Entnahme des zumindest einen Bauteils nach Erstarrung desselbenöffenbar ist, um nach Erstellen des Bauteils und Schließen der Form einen neuenErstellungszyklus zu beginnen.

In der Automobilbranche sowie in der Luft- und Raumfahrt ist ein anhaltender Trend zuhoch belastbaren, gleichzeitig aber möglichst leichtgewichtigen Bauteilen gegeben.

Neben Verbundwerkstoffen wird hier besonders auch auf Magnesium undMagnesiumbasislegierungen gesetzt, da Magnesium und entsprechende Legierungenneben für viele Bereiche ausreichenden mechanischen Kennwerten den Vorteil einergeringen Dichte und damit ein geringes Gewicht von Bauteilen mit sich bringen.

Magnesium und Magnesiumbasislegierungen können insbesondere mittelsDruckgusstechnologie verarbeitet werden. Unter Umständen kann es dabei jedoch zuProblemen kommen, insbesondere wenn Abbrand, Oxidation und/oder Seigerungen vonLegierungszusätzen in einem Schmelztiegel auftreten. In solchen Fällen bewährt sich dassogenannte Thixospritzgießen bzw. Thixomolding, das in einem geschlossenenProzessablauf arbeitet.

Beim Thixomolding wird Magnesium bis auf eine Übergangstemperatur für denPhasenübergang von fest zu flüssig erhitzt und auf dieser Temperatur mit einemFördermittel zu einer stromabwärts nachgeordneten Düse transportiert. In diesemZustand liegen feine Kristallite umgeben von Schmelze vor. Für eine entsprechendeAusbildung des zu spritzenden Materials wird bei Magnesiumbasislegierungen zwischender Soliduslinie und der Liquiduslinie gearbeitet. Das Fördermittel ist in der Regel alsSchnecke ausgeführt, die sich im sogenannten Barrel befindet bzw. in diesem gehaltenist. Im Barrel wird das Material durch Vortrieb mit der Schnecke zur Düse transportiert,welche wiederum in einem Teil einer mehrteiligen Form integriert ist. Die mehrteilige Formist in der Regel zweiteilig ausgebildet, wobei jenes Teil, welches dem die Düseintegrierenden Teil gegenüberliegt, eine oder mehrere Kavitäten für das oder die zuerstellenden Bauteile aufweist. Das zweite Teil der Form ist dabei verschiebbar gelagert,sodass die Form zur Entnahme und Fertigung von Bauteilen wiederholt geöffnet undgeschlossen werden kann.

Bei einem entsprechenden Thixomoldingverfahren wird bei geschlossener Form über dasBarrel und die Düse thixotropes Material mit hohem Druck eingespritzt, sodass dieKavitäten vollständig gefüllt werden. Hierbei wird in einem einzelnen Punkt angespritzt,von dem zu füllende Strecken zu den einzelnen Kavitäten führen. Sind die Kavitätengefüllt, können die Bauteile erstarren gelassen werden. Anschließend wird die Formgeöffnet und die Bauteile entnommen, die dann abgetrennt werden können. Ist nur eineKavität vorhanden bzw. nur ein (größerer) Bauteil zu erstellen, wird analog vorgegangen,wobei die Kavität dann an mehreren Stellen mit dem fließfähigen Material gefüllt wird. Während der Erstarrung der Bauteile in den Kavitäten verfestigt sich aufgrund einesWärmetransportes von der in diesem Stadium auf eine unter das Temperaturniveau derSchmelze temperierten Form sowie des in der Form erstarrenden Materials auch dasMaterial in der Düse, sodass sich in der Regel ein Pfropfen bildet. Diese Pfropfenbildungist nicht nur erwünscht, sondern auch notwendig, damit beim späteren Öffnen der Formund beim Nachdosieren von Magnesium nicht Magnesium frei im Bereich der Düse bzw.des Angusspunktes austritt, was selbstverständlich nicht gewünscht ist. Beim nächstenEinspritzen, wenn also neues Material in die Form und damit auch die Kavitäteneingespritzt wird, wird der Pfropfen durch entsprechend hohen Druck ausgeschossen.Hierfür ist in der Form im Bereich des Anschusspunktes in vielen Anwendungen eine

Vertiefung vorgesehen, welche den Pfropfen aufnimmt und als Pfropfenfänger bezeichnetwird.

Wenngleich die Ausbildung eines Pfropfens im Laufe eines Zyklus wie erwähntwünschenswert ist, so gehen damit doch auch Probleme einher. Insbesondere führt derPfropfen dazu, dass bei Beginn des Anschießens aufgrund des erzeugten Gegendruckesim Barrel enorme Kräfte wirken. Es wird vermutet, dass die durch den Pfropfenverursachten Druckspritzen im Barrel die Lebensdauer desselben signifikant begrenzen.

Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangsgenannten Art und eine hierfür geeignet ausgelegte Vorrichtung anzugeben, wobei eineBauteilfertigung unter schonenderen Bedingungen für die Vorrichtung erfolgen kann.

Die verfahrensmäßige Aufgabe wird gelöst, wenn bei einem Verfahren der eingangsgenannten Art die Düse bei geöffneter Form beheizt wird, um den in der Düse gebildetenPfropfen vor dem Erstellen des nächsten Bauteils zumindest zu erweichen.

Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass der Pfropfenwie im Stand der Technik zwar gebildet wird und damit während einer Öffnung der Formfür die gewünschte Dichtheit sorgt, allerdings bereits in diesem Zustand ohne Verlust derDichtwirkung aktiv erwärmt wird, sodass bei der Erstellung des nächsten Bauteils einGegendruck durch den Pfropfen wesentlich geringer ist als bislang.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass nach Öffnen der Form eine Heizleistung an derDüse so eingestellt wird, dass der Pfropfen ohne Eintritt von Material in die Kavitäterweicht. Nach Schließen der Form kann dann die Heizleistung an der Düse gesteigertwerden. In diesem Zustand kann insbesondere der Pfropfen voll aufgeschmolzen werden,weil allfälliges Material ohnedies nur in die geschlossene Form und damit die Kavitäteneintreten kann. Zweckmäßig kann es des Weiteren sein, dass eine Heizleistung an derDüse verringert wird, wenn das Bauteil erstarren gelassen wird, sodass eine Temperaturfür eine Pfropfenbildung in der Düse unterschritten wird. Insgesamt lässt es sich somitdurch eine kontrollierte Temperaturführung an bzw. in der Düse eine optimale Situation inBezug auf eine Pfropfenbildung einerseits und eine Propfenauflösung andererseitserreichen, ohne dass irgendwelche Einschränkungen in Bezug auf eine Qualität oder eine

Zyklusdauer hinzunehmen wären. Vielmehr kann ein Heiz- und gegebenenfallsKühlprogramm gezielt und variabel auf die einzelnen Schritte eines Erstellungszyklusumfassend Einspritzen, Öffnen der Form und Bauteilentnahme, Formreinigung undTrennmittelauftrag sowie Schließen der Form für ein neuerliches Einspritzen abgestimmtwerden.

Das weitere Ziel wird erreicht, wenn bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Arteine Steuerung für die Heizeinrichtung vorgesehen ist, welche eine Temperatur an bzw. inder Düse in Abhängigkeit vom Status des Erstellungszyklus variabel steuert. Durch eineentsprechende vorrichtungsmäßige Auslegung lässt sich die Temperatur an bzw. in derDüse so steuern, dass entsprechend den vorstehenden Ausführungen während einesErstellungszyklus stets optimale Bedingungen für eine Pfropfenbildung vor Öffnen derForm und eine Pfropfenerweichung und/oder Pfropfenauflösung vor dem nächstenEinspritzen von Material ergeben.

Grundsätzlich können beliebige Heizelemente eingesetzt werden, die sich entsprechendsteuern lassen. Allerdings ist es bevorzugt, dass die Heizeinrichtung eineWiderstandsheizung ist, da sich eine induktive Beheizung der zumindest einen Düse, dieletztlich integraler Bestandteil eines Teils einer Form ist, einschließlich der erforderlichenRegelung schwierig umsetzen lässt. Mit einer Widerstandsheizung hingegen ist dies aufrelativ einfache Weise möglich. Die Heizeinrichtung kann dabei mehrere voneinandergetrennt steuerbare Widerstandsheizelemente umfassen.

Die Düse ist bevorzugt aus einem Stahl gebildet, insbesondere einem Warmarbeitsstahl.Dadurch lässt sich die Temperatur in der Düse, auf die es wesentlich ankommt,besonders exakt steuern. Hierfür kann die Heizeinrichtung an der zumindest einen Düseangelötet sein, um eine effiziente Wärmeübertragung sicherzustellen.

Besonders bewährt hat es sich auch, wiederum für eine gute Wärmeübertragung unddamit rasche Temperatureinstellung an bzw. in der Düse, wenn die Heizeinrichtung inaußenseitigen Vertiefungen der zumindest einen Düse angeordnet ist. Dabei kann dieHeizeinrichtung spiralförmig um die zumindest eine Düse verlaufen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus dem nachfolgenddargestellten Ausführungsbeispiel. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezuggenommen wird, zeigen:

Fig. 1 eine Thixomoldingvorrichtung;

Fig. 2 Abläufe während eines Erstellungszyklus;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Vorgänge in einer Düse während einesErstellungszyklus gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Düse.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 5 dargestellt, die für ein Thixomolding von Bauteilen ausMagnesium oder eine Magnesiumlegierung ausgelegt ist. Die Vorrichtung 5 umfasst einenBehälter 6, in dem das zu verarbeitende Material 1 in Granulatform vorrätig gehalten ist.Überein Förderelement wie einen Saugförderer wird Material 1 aus dem Behälter 6 ineinen Einfüllstutzen 7 gefördert. Über den Einfüllstutzen 7 gelangt das Material 1 in einBarrel 8, das mit einer Schnecke mit entsprechendem Antrieb versehen ist. Das Barrel 8wird durch eine Heizung auf einer geeigneten Temperatur gehalten, sodass das Material1 einen thixotropen Zustand annimmt bzw. in diesem Zustand zu einer stromabwärtsnachgeordneten Düse 2 transportiert wird. Die Düse 2 ist in einem ersten Teil 9 einerForm integriert. Ein zweiter Teil 10 der Form liegt dem ersten Teil 9 der Form gegenüberund ist horizontal verschiebbar, sodass die Form geöffnet werden kann, beispielsweiseum mittels eines Roboterarmes 11 erstellte Bauteile zu entnehmen.

Bei der Erstellung eines Bauteils wird gemäß dem Schema nach Fig. 2 vorgegangen. Beigeschlossener Form wird über das Barrel 8 in die nachgeordnete Düse 2 das Material ineine oder mehrere Kavitäten eingespritzt, die im zweiten Teil 10 der Form vorliegen. Sinddie Kavitäten vollständig gefüllt, wird das Bauteil gekühlt. Danach wird die Form geöffnet,das Bauteil entnommen und die Form innerhalb weniger Sekunden gereinigt sowie miteinem Trennmittel beaufschlagt, sodass sich ein oder mehrere im nächsten Zykluserstellte Bauteile leicht entnehmen lassen. Anschließend wird die Form geschlossen,womit der Zyklus beendet ist. Der nächste Zyklus beginnt wiederum mit dem Einspritzenvon Material. Ein Zyklus, wie in Fig. 2 dargestellt, ist bei Thixomoldingverfahren üblich.

Erfindungsgemäß wird die Düse 2 der Vorrichtung 5 einem Temperaturprogrammunterworfen, das ohne Verlängerung der Zykluszeit zu niedrigeren Druckspitzen im Barrel8 führt und damit dessen Standzeit signifikant erhöht. Die variable Temperaturführung anbzw. in der Düse 2 ist in Fig. 3 für einen Erstellungszyklus dargestellt. Beim Einspritzen indie geschlossene Form wird die Düse 2 mit maximaler Heizleistung beaufschlagt, damitdas Material 1 frei durch die Düse 2 fließen kann. Dies entspricht dem Zustand A. Sobalddie eine oder mehrere Kavitäten gefüllt sind und das Bauteil gekühlt wird, kann in einemersten Abschnitt der Düse 2, welcher einem Angusspunkt näher liegt, die Heizleistungverringert werden, wie dies durch eine geänderte Schraffur in der Heizeinrichtung 4dargestellt ist. Dies entspricht dem Zustand B. Es kommt in der Düse 2 dann zur Bildungeines Pfropfens 3 in jenem Bereich, der am Beginn der Düse 2 liegt. Für diePfropfenbildung ist eine Kühlung gegebenenfalls zweckmäßig, muss aber nicht unbedingtrealisiert sein. Da die Form zur Erstarrung des oder der Bauteile gekühlt wird undMagnesium eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann sich der Pfropfen 3 grundsätzlichauch bei weiterer, allerdings allenfalls abgesenkter Beheizung der Düse 2 bilden. Beigeöffneter Form und Entnahme des Bauteils bricht der Pfropfen 3 im Bereich der Düse 2ab, bleibt jedoch im Wesentlichen erhalten. Dies entspricht dem Zustand C. Die Form istjetzt zwar noch offen, aber die Heizeinrichtung 4 kann bereits mit höherer Leistungoperieren, um den Pfropfen 3 aufzuweichen. Dies entspricht dem Zustand D. Sobald dieForm wieder geschlossen ist, kann mit der Heizeinrichtung 4 mit voller Leistung gefahrenwerden, sodass der Pfropfen 3 idealerweise ganz aufschmilzt. Dies entspricht demZustand E. Dadurch ergibt sich, dass beim nächsten Zyklus bzw. Einspritzen die Düse 2vollkommen frei ist, sodass Druckspitzen im Barrel 8 eliminiert oder zumindest verringertwerden. Die gezielte Erweichung und anschließende Aufschmelzung des Pfropfens 3kann innerhalb der üblichen Zeit für einen Erstellungszyklus von weniger als 40 Sekundendurchgeführt werden.

In Fig. 4 ist schließlich ein Aufbau einer Düse 2 samt Heizeinrichtung 4 dargestellt, die fürdiese Zwecke besonders geeignet ist. Die Heizeinrichtung 4 ist als Widerstandsheizungausgebildet, wobei sich die Heizeinrichtung 4 spiralförmig um die Düse 2 erstreckt und inaußenseitigen Vertiefungen der Düse 2 angelötet ist. Die Düse 2 selbst besteht in derRegel aus einem Stahl, insbesondere einem Warmarbeitsstahl. Durch die innigeVerbindung der Heizeinrichtung 4 mit der Düse 2 lässt sich ein rascher Wärmeübergangerreichen, was die Einhaltung der Zeiten üblicher Einspritzvorgänge ermöglicht. Darüber hinaus kann die Heizeinrichtung 4 mit der Düse 2 relativ einfach in den ersten Teil 9 derForm integriert werden.

Claims (10)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Gießen zumindest eines Bauteils, wobei fließfähiges metallischesMaterial (1), insbesondere Magnesium oder eine Magnesiumlegierung im thixotropenZustand, zur Bildung des zumindest einen Bauteils über zumindest eine Düse (2) unterDruck in eine Kavität einer mehrteiligen Form eingespritzt wird, wonach das Bauteil in derForm erstarren gelassen wird, wobei sich in der Düse (2) ein insbesondere fester Pfropfen(3) bildet, worauf die Form geöffnet und das zumindest eine Bauteil entnommen wird,wonach die Form geschlossen und das nächste Bauteil erstellt wird, dadurchgekennzeichnet, dass die Düse (2) bei geöffneter Form beheizt wird, um den in der Düse(2) gebildeten Pfropfen (3) vor dem Erstellen des nächsten Bauteils zumindest zuerweichen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Öffnen der Formeine Heizleistung an der Düse (2) so eingestellt wird, dass der Pfropfen (3) ohne Eintrittvon Material (1) in die Kavität erweicht.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schließen derForm die Heizleistung an der Düse (2) gesteigert wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eineHeizleistung an der Düse (2) verringert wird, wenn das Bauteil erstarren gelassen wird,sodass eine Temperatur für eine Pfropfenbildung in der Düse (2) unterschritten wird.
5. 5. Vorrichtung (5) zum Gießen zumindest eines metallischen Bauteils, insbesonderezur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einerFördereinrichtung für Material (1) im fließfähigen Zustand, insbesondere Magnesium odereine Magnesiumlegierung im thixotropen Zustand, und zumindest einer Düse (2) mit einerHeizeinrichtung (4) sowie einer mehrteiligen Form, welche zumindest eine Kavität für daszu erstellende Bauteil aufweist, wobei das Material (1) zur Bildung des zumindest einenBauteils über die Fördereinrichtung und die stromabwärts nachgeordnete zumindest eineDüse (2) in die zumindest eine Kavität der Form einspritzbar und die Form zur Entnahmedes zumindest einen Bauteils nach Erstarrung desselben öffenbar ist, um nach Erstellendes Bauteils und Schließen der Form einen neuen Erstellungszyklus zu beginnen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung für die Heizeinrichtung (4) vorgesehen ist,welche eine Temperatur an bzw. in der Düse (2) in Abhängigkeit vom Status desErstellungszyklus variabel steuert.
6. 6. Vorrichtung (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieHeizeinrichtung (4) eine Widerstandsheizung ist.
7. 7. Vorrichtung (5) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse(2) aus einem Stahl, insbesondere einem Warmarbeitsstahl, gebildet ist.
8. 8. Vorrichtung (5) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieHeizeinrichtung (4) an der zumindest einen Düse (2) angelötet ist.
9. 9. Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dassdie Heizeinrichtung (4) in außenseitigen Vertiefungen der zumindest einen Düse (2)angeordnet ist.
10. 10. Vorrichtung (5) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieHeizeinrichtung (4) spiralförmig um die zumindest eine Düse (2) verläuft.