EP2776189A1 - Vorrichtung, anlage und verfahren zum druckgiessen von metallischem material im thixotropen zustand - Google Patents

Vorrichtung, anlage und verfahren zum druckgiessen von metallischem material im thixotropen zustand

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EP2776189A1
EP2776189A1 EP12805558.9A EP12805558A EP2776189A1 EP 2776189 A1 EP2776189 A1 EP 2776189A1 EP 12805558 A EP12805558 A EP 12805558A EP 2776189 A1 EP2776189 A1 EP 2776189A1
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EP
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piston
unit
cylinder
screw
valve
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EP12805558.9A
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EP2776189B1 (de
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Bernd Bültermann
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Mold-Thix-Consulting Bueltermann GmbH
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    • C22C1/12—Making non-ferrous alloys by processing in a semi-solid state, e.g. holding the alloy in the solid-liquid phase

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for die casting metallic material comprising a screw unit for placing the material in a thixotropic state and a cylinder / piston unit for pressurizing the thixotropic material for die casting.
  • the invention further relates to a system for die casting of metallic material in the thixotropic state, comprising such a device, as well as a method for die casting of metallic material in the thixotropic state using such a device.
  • Metal injection molding machines are known, for example, from EP 0 080 787.
  • metallic material is heated in the screw space of a combined cylinder / screw-piston unit and subjected to shear stress by rotation of the screw piston to put it in the thixotropic state.
  • the rotation of the worm piston conveys the material simultaneously from the Schne ⁇ ckenraum in lying in front of the reciprocating screw injection chamber of the cylinder / piston unit screw, said reciprocating screw progressively recedes in the cylinder. If an amount of thixotropic material sufficient for pressure casting is in the injection space, the injection of the material into a casting mold is carried out by pressurizing the screw piston by means of a hydraulic system.
  • the tip of the screw piston is equipped with a non-return valve.
  • a non-return valve is subject to high loads due to the friction of the worm piston on the cylinder wall, the high process temperatures inside the cylinder and the pressurization. Due to its arrangement on the screw piston, an uncontrolled valve is usually used, which leads to exact ⁇ lottiseinbu health. Also, the required short injection times in conjunction with the large mass of the worm piston high demands on the hydraulics and their controls, due to the inertia in conjunction with the mass accelerations.
  • a metal injection molding machine which by separating the screw unit and Zylin ⁇ the / piston unit a much smaller piston mass he aims ⁇ .
  • the material is first placed in a screw unit (screw extruder) in the thixotropic state and thus fed to a separate cylinder / piston unit, which performs the injection process.
  • the screw unit thereby promotes the thixotropic material on ei ⁇ NEN hot runner into a horizontal feeder space behind the piston in the cylinder.
  • the piston initially moves back, the material passes through a check valve in the piston from the feed space into the injection space on the other side of the piston, and by the pressurization of the piston, it is injected into the die. Also in this method, the valve located in the piston is exposed to high loads; In addition, the piston moving during the injection process with a closed check valve causes undesired, uncontrollable suction in the screw extruder via the hot runner. From WO 2011/116838 a method is known in which a semi-solid metal strand is produced in an extruder and transferred in portions by means of pliers in the feed space ei ⁇ ner separate cylinder / piston unit.
  • US 2002/0053416 shows an alternative direct Be ⁇ destiny from the screw unit via the hot runner into the injection chamber of the cylinder / piston unit.
  • the high injection pressure of the cylinder / piston unit acts directly back into the worm unit via the hot runner.
  • the screw unit and its entire mechanics and hydraulics are exposed as ⁇ derholten high pressure surges, increasing besides the direct impact and wear.
  • WO 01/021343 describes a method for placing a liquid metal alloy in the thixotropic state in a twin-screw extruder and for subsequent injection molding by means of a cylinder / piston unit.
  • the twin-screw is intended to reduce by very high speed applying and curing the melt on the cooled wall of the extruder, and a controllable mechanical valve at the extruder to premature leakage of the melt in the cylinder / piston unit verhin ⁇ countries.
  • Such a valve with moving parts is highly stressed and prone to failure because of the constant temperature fluctuations and the mechanical loads.
  • the invention has the aim to provide an apparatus for pressure casting of metallic material in the thixotropic state which overcomes the aforementioned disadvantages of the prior Tech ⁇ technology.
  • a thermally controllable valve is arranged between the screw unit and cylinder / piston unit.
  • a thermally controllable valve is arranged between the screw ⁇ unit and the injection chamber of the cylinder / piston unit.
  • Such a valve which is located between the screw ⁇ unit and the injection chamber of the cylinder / piston unit, makes it possible to release a hand controlled the flow of material from the screw ⁇ unit when loading the piston / cylinder unit and on the other hand, a back flow of material from the cylinder / To prevent the piston unit from being pushed into the screw unit when pressure is applied to the die casting.
  • the material for the injection process can be precisely metered, and the screw unit is reliably prevented from the high pressure in the cylinder / piston unit cylinder at the moment of injection.
  • non-filled material Zylin ⁇ derraum with gas in particular inert gas
  • inert gas can be filled, which prevents oxidation of the material and reduces the force required for the hydraulic pressure casting. Since the valve is not arranged on the piston of the cylinder / piston unit, it is significantly less stressed and subject to only minor structural restrictions.
  • controllable valve is formed by a ⁇ dung channel Verbin, which is provided with controllable means for the forced cooling of the material therein to below its solidification temperature.
  • ⁇ befin to be no mechanical valve parts when loading the cylinder / piston unit by the screw unit in the material flow, which significantly reduces the load of the valve and increases its service life.
  • Even without such a valve be ⁇ moving parts can be constructed so that maintenance and wear attributable ago ⁇ kömm harsh valves.
  • the actual blocking function of the valve is easily fulfilled by the solidification of the material in the connecting channel.
  • the screw unit and the cylinder / piston unit form a gap between each other, which - apart from any thermal insulators - is bridged only by the valve.
  • This allows a thermal decoupling of the worm ⁇ unit and the cylinder / piston unit and thus allows independent of one another temperature control in the screw unit and the cylinder / piston unit.
  • the easier accessibility to ⁇ to the valve which is preferably releasably each other, fixed to its two ends to the screw unit on the one hand and on the cylinder / piston unit. The releasability of the attachment allows the replacement of the valve independent of the screw unit and cylinder / piston unit.
  • the valve is, as described, preferably a connec tion ⁇ duct with forced cooling, but could also be designed as a conventional valve with a mechanically closable connection channel between the screw unit and cylinder / piston unit.
  • the valve is formed in a tube piece, which engages with end flanges in connection openings of the screw unit on the one hand and the cylinder / piston unit on the other hand.
  • the pipe section is fixed with threaded ⁇ deringen in the connection openings which engage with external threads in threaded rings internal thread of the Ranöff ⁇ voltages and are divided in the axial direction.
  • a flange connection ensures a secure, pressure-tight fit of the valve in the screw unit on the one hand and the cycle Linder / piston unit on the other hand.
  • a release of the Sit ⁇ Zes by only one threaded ring on each flange is quickly possible. Due to the preferred division of the threaded rings in the axial direction, moreover, the valve can first be inserted into the respective connection opening and subsequently the respective threaded ring can be fitted and fixed comprehensively piece by piece.
  • the threaded ⁇ rings are no fixed components of the valve or the pipe section and thus independently of the valve and reusable bar.
  • the in-port ⁇ opening of the cylinder / piston unit mouth of the Ver ⁇ connection channel is closed by a piston carried by the locking slide is. If the mouth of the connecting channel is closed by the gate valve, so when cooling and solidification of the material in the device no connection between the solidified in the connecting channel of the valve and located in the cylinder / piston unit material, whereby the pipe section of the cylinder / piston Unit, eg for a replacement of the valve, without high force and without the risk of damaging the mouth of the connecting channel and / or the cylinder / piston unit can be lifted.
  • the gate valve can be carried along in a separate guide - inside or outside the cylinder - by the piston.
  • the locking slide protrudes in the stroke direction of the piston from the effective piston surface. In this way, the gate valve forms a unit with the piston carrying it and requires no additional components, seals or guides.
  • the sealing cone carries at its tip a plunger, which is insertable into the connecting channel.
  • a plunger not only increases the distance between solidifying material in the connecting channel and thixotropic material in the screw unit, but facilitates, similar to the locking slide on the side of the cylinder / piston unit of the connecting channel, the low-force removal of the valve from the Screw unit, for example, in the case of replacement.
  • the screw unit can optionally have a Ba onettver gleich for locking the screw in its sealing position.
  • the entire device can be performed with screw unit, valve and cylinder / piston unit in any mounting position. It is particularly advantageous if the ZY-relieving / piston unit and the auger assembly are approximately horizontally arranged approximately vertically is: Such an arrangement is be ⁇ Sonders save space and thereby facilitates the retrofitting of a conventional die-casting plant with die casting hydraulic and die-casting mold or an existing metal Injection molding plant with the device according to the present invention. Moreover, the screw unit, valve and cylinder / piston unit are easily accessible in this position, and the cleaning or emptying of the screw unit can be assisted by gravity by heating the inside of the screw unit above the melting point of the material so that it is in the valve when the valve is open Injection chamber (eg for re-injection) flows off. representation In addition, the screw unit can be fed so easily on its top under gravity.
  • At least one stirring element is arranged on the effective piston surface of the piston and the piston is additionally rotatably drivable.
  • the left in the injection chamber thixotropic material can be kept in motion, which also favors its homogeneous temperature and by choice of the rotational speed provides an additional possibility for embedding ⁇ him ung the properties of the thixotropic material.
  • the stirring elements may for example be designed as inclined to the axis of Col ⁇ bens pimples. Also, said gate valve can take over the function of such a stirring element.
  • the rotary drive of the piston is equipped with means for measuring the torque. From the measured torque can be closed in particular on the viscosity and thus on the state of the thixotropic material located in the injection space and so the process further automated and regulated and monitored with regard to procedural ⁇ safety.
  • the screw can be provided with an internal heating.
  • the inner heater comprises at least one heating coil which is ge ⁇ wrapped around axially slotted bi-metal pipe sections.
  • the heating coil is contracted in a cold stand to ⁇ and can be inserted easily for assembly and exchange with the worm, while it is expanded in the hot state and thereby pressed in close heat-conducting contact to the inner side of the screw.
  • the screw has at least ei ⁇ NEN internal temperature sensor, via which additional, accurate information about the processes inside the tendon can be recovered unit for controlling the device.
  • the screw unit can be designed with at least two ge ⁇ genious, gear-like intermeshing screws.
  • Such a disclosed embodiment increases the shear forces which act by screw rotation to the stuffed metalli ⁇ specific material. The thixotropic state of the material becomes more uniform.
  • the piston of the cylinder / piston unit is preferably equipped with at least one Col ⁇ benring. Piston rings also facilitate lubrication of the piston in its process in the cylinder without the risk of contamination of the thixotropic material in the injection space by lubricant.
  • At least one Tempe ⁇ ratursensor is arranged in the piston of the cylinder / piston unit.
  • a temperature sensor arranged in this way permits a continuous temperature detection, unlike a temperature sensor usually integrated into the cylinder wall according to the prior art:
  • a wall-integrated sensor only supplies temperature data on the thixotropic material in the injection space during injection until it is swept by the piston during the injection process ,
  • a wall-integrated sensor is exposed to high stresses due to friction during overcoating; all these Disadvantages does not have a directly arranged in the piston temperature sensor.
  • piston of the cylinder / piston unit may optionally at least ⁇ arranged a pressure sensor, which - comparable to the temperature sensor integrated in the piston - allows continuous detection of the pressure in the injection chamber.
  • the invention also provides a system for die casting of metallic material in the thixotropic state, comprising the described device, a pressure ⁇ ing hydraulic for pressurizing the piston of the cylinder / piston unit and fed from the cylinder / piston unit ge ⁇ Die casting mold for die casting of metallic material in the thixotropic state.
  • a pressure ⁇ ing hydraulic for pressurizing the piston of the cylinder / piston unit and fed from the cylinder / piston unit ge ⁇ Die casting mold for die casting of metallic material in the thixotropic state.
  • the invention provides a method of die casting metallic material in the thixotropic state, comprising the steps of:
  • the method of the dung OF INVENTION ⁇ stands for regaining the flowability of the material in preparation for reexecution of the process therein by the further step of heating the bonding channel.
  • the present method can be converted into a highly productive cyclic process with rapid timing.
  • the solidification of the material preferably takes place by forced cooling of the connection channel.
  • the solidification can also be done by switching off a heater of the connection channel.
  • the thixotropic material is stirred in the cylinder / piston unit before and / or during the injection process.
  • the thixotropic material contained in the injection space in the cylinder / piston unit can thus be kept in a uniform state and its properties can also be changed in a targeted manner.
  • Fig. 1 is a metal injection molding system with a fiction, modern ⁇ device in a side view
  • FIG. 2 shows the screw unit of the device of FIG. 1 in longitudinal section
  • Fig. 3 shows the valve and the cylinder / piston unit of the pre ⁇ direction of Fig. 1 in longitudinal section.
  • a metal injection molding system 1 a device 2 for die-casting of metallic materials in the thixotropic state into a pressure casting mold 3, a Druckgusshyd ⁇ raulik 4 for pressurizing the apparatus 2 and an e- lectronic control (not shown) for process control the entire system 1 on.
  • the plant 1 can also be constructed on the basis ei ⁇ ner conventional die-casting plant, which by installing the device 2 between (conventional) die-cast hydraulic 4 and (conventional) die-casting mold 3 specifically is retrofitted for metal injection molding, optionally also subsequently, in which case the device 2 forms a retrofit or adapter set.
  • the device 2 includes an approximately perpendicular screw unit 5, a valve 6 and an approximately horizontally- ⁇ associated cylinder / piston unit 7 from piston 7 'and the cylinder 7 ".
  • metallic material (not shown) in the thixotropic state offset and thus feeds the cylinder / piston unit 7 via the valve. 6 the die casting hydraulics 4 then acts on the piston 7 'of the cylinder / piston unit 7 to the thixotropic material from the Zy ⁇ relieving / piston unit 7 to inject into the die casting mold 3.
  • the device 2 is seated in an adjusting device 9 on a holding cup 10 and this on the bearing rails 8.
  • the adjusting device 9 is used to adapt the mounting position of the device 2 to the die-casting mold 3 and the die-cast hydraulic 4 in height and angle; Adjusting device 9 and / or holding cup 10 may be omitted if necessary.
  • the suspension rings 11 are used to manipulate the device 2 as a whole - for example, when replacing of the device 2 against any other pressure-casting device or as for Wartungszwe- Cke - or for lifting the screw unit 5 of the cylinder / piston unit 7, for example, to exchange the valve. 6
  • the die-cast hydraulic 4 actuates the piston 7 'of the cylinder / piston unit 7 via a piston rod 13, and thixotropic material is fed from the cylinder / piston unit 7 via a spray nozzle 14 to the die casting mold 3, as explained in more detail below .
  • the die-casting mold 3 is generally designed in at least two parts and is held by a clamping frame 15 with centering bolts 16. For removing a finished die-cast molding after its solidification in the die casting mold 3 clamping frame 15 and die 3 are opened in a manner known to those skilled in their division.
  • An optional stirring drive 17 drives via a gear 18, the piston rod 13 and thus the piston 7 'of the cylin ⁇ the / piston unit 7 for rotation about its axis.
  • at least one gear wheel of the transmission 18 may be provided with over-width teeth to compensate for the axial movements of the piston 7 'during die casting.
  • the transmission 18 may be another known in the art drive, such as a belt drive, but also a - possibly hydraulic - direct drive occur.
  • a - also optional - maintenance hydraulic 19 is used to independent of the hydraulic 4 process of the piston 7 'in a maintenance position 20 (Fig. 3), as explained in detail below, if this function is not perceived by the die-casting ⁇ hydraulic 4 itself.
  • Fig. 2 shows the screw unit 5 in detail.
  • the Schne ⁇ ckentician 5 added metallic material into a thixotropic pen state to prepare for the subsequent die-casting.
  • the screw unit 5 with metallic material Via funnel-shaped feed channels 21, which are distributed over the circumference of a screw cylinder 22 and optionally adapted in its axial position on the screw cylinder 22 to the screw pitch, the screw unit 5 with metallic material, for example in granular or chip form can be charged.
  • the feed channels 21 extend through the wall of the screw cylinder 22 inclined downwards, preferably at an angle between about 45 ° and about 60 °, which simplifies the uniform feed.
  • inert gas or other gaseous, liquid and / or solid material to be charged may be material han ⁇ spindles which the metal molding in process terms verbes ⁇ fibers, such as for Kornfein für flame retardancy, or to material that influenced the properties of the subsequent die-cast part, such as the alloy or by incorporating fibers.
  • Innert gas for fire retardation seeps in the face of its high mass the gravity following in the screw unit 5 and the Anla ⁇ Ge 1, where it displaces, for example located therein oxidizing oxygen.
  • a worm drive 23 drives a screw 24 rotatably mounted in an axially displaceable manner in the worm cylinder 22 and exerts on the material the shearing forces required to displace the material into the thixotropic state.
  • the segments S' "possibility to create targeted Steue ⁇ tion different temperature zones in the screw cylinder 22 S.
  • the device 2 can be designed so that the screw unit 5 via the valve 6, the cylinder / piston unit 7 similar to a conventional extruder continuously charged with thixotropic material.
  • the thixotropic material in the screw unit 5 in the lower region of the screw cylinder 22 preliminarily collected advertising to by the screw 24 moves in the screw cylinder 22 continuously upward and spends thixotropic material in the unte ⁇ ren region of the screw cylinder 22. This movement can be actively supported by a worm hydraulic 26. If, in this case, the intended amount of thixotropic material is prepared in the screw cylinder 22, then it is conveyed by the screw 24 acted upon by the screw hydraulics 26 via the valve 6 into the cylinder / piston unit 7.
  • the screw can have 24 at its end facing unte ⁇ reindeer, the valve 6 the end of a taper 27 for sealing against a conical annular shoulder 28 on the inner circumference of the screw cylinder 22.
  • the screw 24 in its sealing system (not shown) ⁇ moved to the conical annular shoulder 28 and locked in this sealing position by an optional Ba onettver gleich 29.
  • Ba onettver gleiches 29 may also be another known in the art locking type can be used.
  • a cylinder-shaped plunger 30 protruding from the tip of the sealing cone 27 can enter the mouth of a central connecting channel 31 of the valve 6 in the sealing position of the screw 24.
  • the plunger 30 simplifies the replacement of the valve 6 by spacing the optionally solidified material contained therein from the screw unit 5. Thus, a valve change in the cold state without risk of damaging the screw unit 5 and valve 6 is possible.
  • the plunger 30 can al ⁇ ternatively have adapted to the valve 6 other form or optionally omitted. Also, the conical annular shoulder 28 could be executed directly in the mouth of the central connection channel 31 of the valve 6.
  • the worm 24 can be equipped with a - for example also segmented - internal heating (not shown). If such an internal heating designed as electric heating, so it may be preferably constructed with heating coils which slotted bi-metal pipe pieces are wound around in the axial direction, which are positioned so ⁇ considered that they can be ver ⁇ inserted in the cold state in the worm 24 and in the hot state firmly against the inner wall of the screw 24.
  • the screw 24 has one or more distributed internal temperature sensors (not shown).
  • the signal transmission can be wireless eg via radio or via slip rings (not shown) take place on the screw 24.
  • the screw unit 5 can also be designed with at least two counter-rotating, gearwheel-like intermeshing screws 24.
  • Fig. 3 shows the valve 6 in detail.
  • the valve 6 is fixed with an upper flange 32 in a connection opening 33 of the screw unit 5 and with a lower flange 34 in a connection opening 35 of the cylinder / piston unit 7.
  • Valve 6 provides a connection for the integral in the Schneckenein- 5 prepared thixotropic material for charging the Zy ⁇ relieving / piston unit 7 and prevents backflow of Ma ⁇ terials from the cylinder / piston unit 7 in the Schneckenein ⁇ unit 5 during the injection.
  • the valve 6 serves to ⁇ particular to the high pressure that supply of the piston 7 'in the cylinder / piston unit 7 is formed in the Einspritzbewe- hold of the screw unit. 5
  • the valve 6 is performed as shown in FIG. 3 as a pipe section 36 with central controllable connection channel 31 for selectively connecting the interior of the screw cylinder 22 with serving as an injection chamber 37 interior of the cylinder 7 "of the cylinder / piston unit 7.
  • the valve 6 shown in Fig. 3 operates thermally and has a heating and / or coolable connection channel 31, which passes through the pipe section 36 and is optionally extended to Zylin ⁇ the / piston unit 7 out.
  • the connecting channel 31 is stepped or stepped expanded Darge ⁇ provides, but it may alternatively be conical (see Fig. 2), staircase-conical, bulbous-conical, bulbous or simply cylindrical; Also, various of these shapes may be strung together in the axial direction.
  • control Baren heater 39 for thermal loading of the connecting channel 31 and thus control of the valve 6, this is provided with a control Baren heater 39 and / or controllable forced cooling means 40 equipped.
  • the heater 39 can building under communication passage 31 material in the thixotropic state are held, and optionally located therein solidified material can be made flowable again to the valve 6 "freizuschal ⁇ th".
  • the connecting channel 31 By allowing the connecting channel 31 to cool, the material inside it can, conversely, be solidified and then forms a solid plug in the connecting channel 31, which prevents the passage of material through the connecting channel 31 and thus "locks" the valve 6.
  • the solidification of the material in the connecting channel 31 can be done by switching off the heater 39 and / or by switching on the forced coolant 40.
  • the forced cooling means 40 may comprise, for example, gaseous coolant in cooling channels 40 in the pipe section 36.
  • the heater 39 can preferably be designed as inductive pulse heating and the forced cooling means 40 as C0 2 gas cooling.
  • the forced cooling means 40 as C0 2 gas cooling.
  • the heater 39 and / or the forced cooling means 40 may, as shown in Fig. 3, be arranged in or on the wall of the pipe section 36 or in one or more the wall of the pipe section 36 and the connecting channel 31 approximately transversely interspersed insert cartridge (s).
  • a gap 41 is formed, which is bridged in thermal terms only by the valve 6 and thus ensures a substantial thermal decoupling of screw unit 5 and Zylin ⁇ the / piston unit 7.
  • thermal isolators 42 for example of ceramic, vorgese ⁇ hen.
  • connection openings 33, 35 engage threaded rings 43 with external threads in internal thread of the connection openings 33, 35 a.
  • the threaded rings 43 are preferably divided in their axial direction, whereby they can be handled independently of the valve 6 and even after its insertion into the connection openings 33, 35 wrapped around the pipe section 36 and into the internal thread of the respective connection opening 33, 35 can be rotated.
  • the threaded rings 43 can optionally have corresponding recesses on their exposed engagement surfaces 44. Buffers (not shown) in the dividing slots of the threaded rings 43 prevent them from slipping and wedging by filling a sawing gap that results from the production of the threaded rings from a one-piece ring and subsequent sawing.
  • conventional flange fasteners e.g. by means of screwing through bores in the flanges (not shown), for fixing the valve 6 in the connection openings 33, 35 are used.
  • the mouth 45 of the connecting channel 31 opens directly or as shown via an auxiliary channel 48 in the wall of the Zy ⁇ Linders 7 "of the cylinder / piston unit 7 between the piston 7 'and spray nozzle 14 in the injection chamber 37 of the cylinder 7".
  • a gate valve 46 which protrudes from the effective piston surface 47 of the piston 7 'closes the mouth 45 of the valve 6 upon movement of the piston 7' in the maintenance position 20 by entering the auxiliary channel 48 and lies in front of the mouth 45.
  • the cross section of the locking slide 46 may be, for example, round, oval, polygonal or one or lenticular but also asymmetrical and, for example, have concave segments.
  • the locking slide 46 can alternatively be carried along by a linkage from the piston 7 'and also be guided outside the cylinder 7 "or in a separate guide (not shown) approximately in the wall of the cylinder 7".
  • the piston movement in the maintenance position 20 performs the maintenance hydraulic 19 mostly for maintenance purposes, example ⁇ example for the replacement of the valve 6;
  • the piston 7 ' generally does not move until the mouth 45 is closed by the blocking slide 46.
  • the auxiliary channel 48 is parallel to the stroke direction 49 of the piston 7 'and has a cross section adapted to the cross section of the locking slide 46.
  • the auxiliary channel 48 can also have a different cross-section with respect to the blocking slide 46 as long as the blocking slide 46 is able to seal the mouth 45 of the valve 6 with respect to the injection space 37.
  • the auxiliary channel 48 is open on both sides to the injection chamber 37.
  • the piston 7 When loading the cylinder / piston unit 7 with thixotropic material from the screw unit 5 via the valve 6 into the injection chamber 37, the piston 7 'either backs out of the screw unit 5 by the pressure, or it is actively withdrawn by the die-cast hydraulic system 4 He also can assist the Schnecken unit 5 by its suction effect during loading. The thixotropic material is thus collected in a ⁇ injection space 37 for the ensuing injection.
  • the cylinder / piston unit has a cylinder heater 51.
  • the cylinder heater 51 like the screw heater 25, is optionally segmented and controllable by zone. Also for cleaning and emptying of the screw unit 5, of the valve 6 or of the cylinder / piston unit 7, the screw heater 25, the heater 39 or the cylinder heater 51 can liquefy the respective material contained therein.
  • stirring elements 52 On the effective piston surface 47 of the piston 7 ', in addition to the locking slide 46, one or more stirring elements 52 be arranged.
  • the stirring elements 52 are for example inclined to the axis of the piston nubs, but may also be schaufei- or annular or another for stirring the located in the injection chamber 37 thixotropic material have suitable shape, or be formed by the gate valve 46 itself.
  • FIG. 3 Further information about the state of the thixotropic material located in the injection space 37 can be provided by temperature and pressure sensors in the injection space 37.
  • at least one temperature sensor 53 and / or at least one pressure sensor 54 are located in the piston 7 '.
  • the signals 55 of the sensors 53, 54 are e.g. transmitted via the piston rod 13 and optionally as described above via slip rings or radio to an external signal evaluation unit (not shown).
  • the valve 6 is closed by switching off the heater 39 and / or switching on the forced coolant 40, which prepares the device 2 for injecting the material into the die casting mold 3 .
  • the die-cast hydraulic system 4 pressurizes the piston 7 'via the piston rod 13, whereby the thixotropic material is injected from the injection chamber 37 through the spray nozzle 14 into the die-casting mold 3, where it solidifies and can later be removed as a molded part.
  • the piston 7 ' can be provided with one or more piston rings with respect to the inner wall of the cylinder 7 "for better sealing of the injection space 37.
  • the piston rings can be designed as compression rings, for example in a manner known per se. leads, whose contact pressure on the inner wall of the cylinder 7 "is accomplished mainly by the pressure of the thixotropic material in the injection chamber 37, for example via suitable shape ⁇ tion of the compression rings or by additional pressure channels in the piston 7 'between the injection chamber 37 and compression rings a lubrication of the inner wall of the cylinder 7 "possible;
  • lubricants could be supplied, for example, through lubricant bores in the wall of the cylinder 7 "or via a space in the cylinder 7" which lies on the side of the piston 7 'facing away from the die-casting mold 3.
  • the spray nozzle 14, which opens into the die casting mold 3, preferably has a nozzle heater 56.
  • the spray nozzle 14 can be designed thanks to this as a so-called. Hot runner to prevent solidification of the material in its interior.
  • FIG. 3 also shows an optional insulating jacket 57 for thermal insulation around the spray nozzle 14. Such an insulating jacket 57 can also be used in a suitable size for thermal insulation of the screw unit 5, the valve 6 and / or the cylinder / piston unit 7 become.
  • the mouth 45 of the valve 6 could also on the die casting mold 3 side facing away from the piston 7 'in a feeder space (not shown) of the cylinder 7, for example, open.
  • the screw unit 5 fed via the valve 6 instead of the injection space 37. these a ⁇ dining room. track then the piston 7 'and makes use thixotropic pes material via a check valve from the feeder space in the injection chamber 37 through contact, the valve 6 can prevent the screw unit 5 against pressure and / or suction.

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Abstract

Vorrichtung (2) zum Druckgießen von metallischem Material, mit einer Schneckeneinheit (5) zum Versetzen des Materials in einen thixotropen Zustand und einer von dieser beschickten Zylinder/Kolben-Einheit (7) zum Druckbeaufschlagen des thixotropen Materials für den Druckguss, wobei zwischen Schneckeneinheit (5) und Zylinder/Kolben-Einheit (7) ein thermisch steuerbares Ventil (6) angeordnet ist.

Description

Vorrichtung, Anlage und Verfahren zum Druckgießen von metallischem Material im thixotropen Zustand
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Druckgießen von metallischem Material, mit einer Schneckeneinheit zum Versetzen des Materials in einen thixotropen Zustand und einer von dieser beschickten Zylinder/Kolben-Einheit zum Druckbeaufschlagen des thixotropen Materials für den Druckguss. Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zum Druckgießen von metallischem Material im thixotropen Zustand, umfassend eine solche Vorrichtung, sowie ein Verfahren zum Druckgießen von metallischem Material im thixotropen Zustand unter Verwendung einer solchen Vorrichtung.
Beim Druckgießen von metallischem Material im thixotropen („semi-soliden" bzw. „fest-flüssigen") Zustand, auch „Metall- Spritzgießen" genannt und z.B. unter der Marke Thixomolding® bekannt, können Druckgussteile mit gegenüber im herkömmlichen Druckgussverfahren geformten Teilen verbesserten Eigenschaften hergestellt werden. Dabei müssen die Materialien an die Übergangstemperatur zwischen der festen und der flüssigen Phase herangebracht werden, sodass verteilte kristallisierte Bestand¬ teile in zusammenhängende geschmolzene Bereiche eingebettet sind („thixotrope Phase") . Durch die zusätzliche Einwirkung von Scherkräften werden die kristallinen Strukturen der festen Bestandteile verkleinert, die Viskosität des Materials sinkt, was dessen Einspritzen in die Druckgussform erleichtert und ein präzises Druckgießen ermöglicht.
Metall-Spritzguss-Maschinen sind beispielsweise aus der EP 0 080 787 bekannt. Nach diesem bekannten Stand der Technik wird metallisches Material im Schneckenraum einer kombinierten Zylinder/Schneckenkolben-Einheit erwärmt und durch das Drehen des Schneckenkolbens einer Scherbeanspruchung ausgesetzt, um es in den thixotropen Zustand zu versetzen. Die Drehung des Schneckenkolbens fördert das Material gleichzeitig aus dem Schne¬ ckenraum in den vor dem Schneckenkolben liegenden Einspritzraum der Zylinder/Schneckenkolben-Einheit, wobei der Schneckenkolben im Zylinder fortschreitend zurückweicht. Befindet sich eine für den Druckguss ausreichende Menge an thixotropem Material im Einspritzraum, wird die Einspritzung des Materials in eine Gussform durch Druckbeaufschlagen des Schneckenkolbens mittels einer Hydraulik vorgenommen. Um ein Zurückfließen des thixotro- pen Materials durch den hohen Druck beim Einspritzen vom Einspritzraum in den Schneckenraum zu verhindern, ist die Spitze des Schneckenkolbens mit einem Rückschlagventil ausgestattet. Ein solches Ventil ist durch die Reibung des Schneckenkolbens an der Zylinderwand, die hohen Prozesstemperaturen im Inneren des Zylinders und die Druckbeaufschlagung hohen Belastungen ausgesetzt. Aufgrund seiner Anordnung am Schneckenkolben wird in der Regel ein ungesteuertes Ventil eingesetzt, was zu Genau¬ igkeitseinbußen führt. Auch stellen die geforderten kurzen Einspritzzeiten in Verbindung mit der großen Masse des Schneckenkolbens hohe Anforderungen an die Hydraulik und deren Steuerelemente, infolge der Massenträgheiten in Verbindung mit den Massenbeschleunigungen .
Aus der DE 190 79 118 ist eine Metall-Spritzguss-Maschine bekannt, die durch Trennung von Schneckeneinheit und Zylin¬ der/Kolben-Einheit eine wesentlich kleinere Kolbenmasse er¬ zielt. In einer solchen Maschine wird das Material zunächst in einer Schneckeneinheit (Schneckenextruder) in den thixotropen Zustand versetzt und damit eine separate Zylinder/Kolben- Einheit beschickt, welche den Einspritzvorgang durchführt. Die Schneckeneinheit fördert dabei das thixotrope Material über ei¬ nen Heißkanal in einen hinter dem Kolben liegenden Einspeiseraum im Zylinder. Zum Einspritzen fährt der Kolben zunächst zurück, das Material gelangt durch ein Rückschlagventil im Kolben vom Einspeiseraum in den Einspritzraum auf der anderen Seite des Kolbens, und durch das Druckbeaufschlagen des Kolbens wird es in die Druckgussform gespritzt. Auch in diesem Verfahren ist das im Kolben befindliche Ventil hohen Belastungen ausgesetzt; darüber hinaus bewirkt der beim Einspritzvorgang mit geschlossenem Rückschlagventil bewegte Kolben über den Heißkanal einen unerwünschten, unkontrollierbaren Sog im Schneckenextruder. Aus der WO 2011/116838 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem in einem Extruder ein teilfester Metallstrang hergestellt und portionsweise mittels einer Zange in den Einspeiseraum ei¬ ner separaten Zylinder/Kolben-Einheit überführt werden.
Die US 2002/0053416 zeigt als Alternative eine direkte Be¬ schickung aus der Schneckeneinheit über den Heißkanal in den Einspritzraum der Zylinder/Kolben-Einheit. In einer solchen Konfiguration wirkt der hohe Einspritzdruck der Zylinder/Kolben-Einheit über den Heißkanal unmittelbar in die Schne- ckeneinheit zurück. Dadurch kommt es zu einem Rückfluss von thixotropem Material in kaum steuerbarem Ausmaß in die Schneckeneinheit und folglich zu einer nicht definierten Material¬ einspritzmenge in die Druckgussform mit negativen Auswirkungen auf die Qualität des Druckgussteils. Gleichzeitig sind die Schneckeneinheit und ihre gesamte Mechanik und Hydraulik wie¬ derholten hohen Druckstößen ausgesetzt, was neben der direkten Belastung auch die Abnutzung erhöht.
Die WO 01/021343 beschreibt ein Verfahren zum Versetzen einer flüssigen Metalllegierung in den thixotropen Zustand in einem Doppelschnecken-Extruder und zum nachfolgenden Spritzgießen mittels einer Zylinder/Kolben-Einheit. Die Doppelschnecke soll durch sehr hohe Drehzahl ein Anlegen und Aushärten der Schmelze an der gekühlten Wand des Extruders eindämmen, und ein steuerbares mechanisches Ventil am Extruder soll vorzeitiges Ausfließen der Schmelze in die Zylinder/Kolben-Einheit verhin¬ dern. Ein solches Ventil mit beweglichen Teilen ist wegen der dauernden Temperaturschwankungen und der mechanischen Belastungen hoch beansprucht und ausfallsgefährdet.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Vorrichtung zum Druckgießen von metallischem Material im thixotropen Zustand zu schaffen, welche die genannten Nachteile des Standes der Tech¬ nik überwindet.
Dieses Ziel wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung mit einer Vorrichtung der einleitend genannten Art erreicht, die sich dadurch auszeichnet, dass zwischen Schneckeneinheit und Zylinder/Kolben-Einheit ein thermisch steuerbares Ventil angeordnet ist. Ein solches Ventil, welches zwischen Schnecken¬ einheit und Einspritzraum der Zylinder/Kolben-Einheit liegt, ermöglicht es, einerseits den Materialfluss von der Schnecken¬ einheit beim Beschicken der Zylinder/Kolben-Einheit gesteuert freizugeben und andererseits einen Rückfluss von Material aus der Zylinder/Kolben-Einheit in die Schneckeneinheit beim Druck¬ beaufschlagen für den Druckguss zu verhindern. So ist das Material für den Einspritzvorgang präzise dosierbar, und die Schneckeneinheit wird vor dem hohen Druck im Zylinder der Zylin- der/Kolben-Einheit im Augenblick des Einspritzens zuverlässig bewahrt. Außerdem kann der nicht von Material erfüllte Zylin¬ derraum mit Gas, insbesondere mit Inertgas, gefüllt werden, was ein Oxidieren des Materials verhindert und den Kraftaufwand für die Druckgusshydraulik reduziert. Da das Ventil nicht am Kolben der Zylinder/Kolben-Einheit angeordnet ist, ist es deutlich we¬ niger beansprucht und nur geringen baulichen Einschränkungen unterworfen .
Bevorzugt ist das steuerbare Ventil durch einen Verbin¬ dungskanal gebildet, welcher mit steuerbaren Mitteln zur Zwangskühlung des darin befindlichen Materials bis unter dessen Erstarrungstemperatur ausgestattet ist. Auf diese Weise befin¬ den sich keine mechanischen Ventilteile beim Beschicken der Zylinder/Kolben-Einheit durch die Schneckeneinheit im Material- fluss, was die Belastung des Ventils wesentlich reduziert und seine Lebensdauer erhöht. Auch ist ein solches Ventil ohne be¬ wegliche Teile aufbaubar, sodass Wartung und Verschleiß her¬ kömmlicher Ventile entfallen. Die eigentliche Sperrfunktion des Ventils wird ganz einfach durch das Erstarrenlassen des Materials im Verbindungskanal erfüllt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Verbindungskanal in
Richtung zur Zylinder/Kolben-Einheit erweitert ist. Eine solche Erweiterung kann konisch oder treppenförmig ausgeführt sein. Dadurch bildet das im Verbindungskanal erstarrte Material dort einen formschlüssigen Pfropfen, welcher die hohen Einspritzdrü- cke der Zylinder/Kolben-Einheit sicher von der Schneckeneinheit abhält . Um den Verbindungskanal nach erfolgtem Einspritzvorgang wieder für neues Material durchgängig zu machen, wird dieser besonders bevorzugt auch mit steuerbaren Mitteln zum Erwärmen des darin befindlichen Materials ausgestattet. Nach dem Erwär- men des Verbindungskanals bis zur Fließfähigkeit des Materials darin kann die Zylinder/Kolben-Einheit für einen weiteren Druckguss von der Schneckeneinheit mit thixotropem Material be¬ schickt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfin- dung bilden die Schneckeneinheit und die Zylinder/Kolben- Einheit zwischeneinander einen Spalt, der - abgesehen von allfälligen thermischen Isolatoren - nur vom Ventil überbrückt ist. Dies ermöglicht eine thermische Entkopplung von Schnecken¬ einheit und Zylinder/Kolben-Einheit und erlaubt damit eine von- einander unabhängige Temperaturregelung in der Schneckeneinheit und der Zylinder/Kolben-Einheit. Darüber hinaus wird die Zu¬ gänglichkeit zum Ventil erleichtert, das bevorzugt an seinen beiden Enden jeweils lösbar an der Schneckeneinheit einerseits und an der Zylinder/Kolben-Einheit anderseits befestigt ist. Die Lösbarkeit der Befestigung ermöglicht den Austausch des Ventils unabhängig von Schneckeneinheit und Zylinder/Kolben- Einheit .
Das Ventil ist, wie beschrieben, bevorzugt ein Verbin¬ dungskanal mit Zwangskühlmitteln, könnte jedoch auch als her- kömmliches Ventil mit einem mechanisch verschließbaren Verbindungskanal zwischen Schneckeneinheit und Zylinder/Kolben- Einheit ausgeführt sein. Besonders bevorzugt ist das Ventil in einem Rohrstück ausgebildet, das mit endseitigen Flanschen in Anschlussöffnungen der Schneckeneinheit einerseits und der Zy- linder/Kolben-Einheit anderseits eingreift.
Besonders günstig ist dabei, wenn das Rohrstück mit Gewin¬ deringen in den Anschlussöffnungen festgelegt ist, welche Gewinderinge mit Außengewinden in Innengewinde der Anschlussöff¬ nungen eingreifen und in Axialrichtung geteilt sind. Eine sol- che Flanschverbindung gewährleistet einen sicheren, druckfesten Sitz des Ventils in der Schneckeneinheit einerseits und der Zy- linder/Kolben-Einheit anderseits. Zudem ist ein Lösen des Sit¬ zes durch jeweils nur einen Gewindering an jedem Flansch rasch möglich. Durch die bevorzugte Teilung der Gewinderinge in Axialrichtung kann überdies zunächst das Ventil in die jeweilige Anschlussöffnung eingesetzt und hinterher der jeweilige Gewindering - Stück für Stück - das Rohrstück umfassend aufgesetzt und festgelegt werden. Durch diese Bauweise sind die Gewinde¬ ringe keine festen Bestandteile des Ventils bzw. des Rohrstücks und somit unabhängig vom Ventil handhabbar und wiederverwend- bar.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die in der Anschluss¬ öffnung der Zylinder/Kolben-Einheit liegende Mündung des Ver¬ bindungskanals durch einen vom Kolben mitgeführten Sperrschieber verschließbar ist. Wird die Mündung des Verbindungskanals durch den Sperrschieber verschlossen, so bleibt beim Erkalten und Erstarren des Materials in der Vorrichtung keine Verbindung zwischen dem im Verbindungskanal des Ventils erstarrten und dem in der Zylinder/Kolben-Einheit befindlichen Material, wodurch das Rohrstück von der Zylinder/Kolben-Einheit, z.B. für einen Tausch des Ventils, ohne hohen Kraftaufwand und ohne die Gefahr einer Beschädigung der Mündung des Verbindungskanals und/oder der Zylinder/Kolben-Einheit abgehoben werden kann.
Der Sperrschieber kann in einer separaten Führung - innerhalb oder außerhalb des Zylinders - vom Kolben mitge- führt werden. Bevorzugt ragt der Sperrschieber in Hubrichtung des Kolbens von dessen wirksamer Kolbenfläche vor. Auf diese Weise bildet der Sperrschieber eine Einheit mit dem ihn mitführenden Kolben und bedarf keiner zusätzlichen Bauteile, Dichtungen oder Führungen.
Besonders günstig ist es, wenn die Schnecke der Schnecken¬ einheit axialverschieblich ist und an ihrem dem Ventil zugewandten Ende über einen Dichtkegel zum Abdichten gegen eine konische Ringschulter am Innenumfang der Schneckeneinheit verfügt. Durch vorübergehendes In-Anlage-Bringen des Dichtkegels an der Ringschulter kann eine zusätzliche Abdichtung beim Ein- spritzvorgang erzielt werden, welche beispielsweise das thi- xotrope Material im Inneren der Schnecke vom Verbindungskanal bei dessen Abkühlen und dem darin erstarrenden Material fernhält. Dies vereinfacht eine neuerliche Durchführung des Verfah¬ rens nach einem Einspritzvorgang und verhindert einen Material- rückfluss vom Ventil in die Schneckeneinheit. Auch schützt ein solches Abdichten im Versagensfall des Ventils die Schnecken¬ einheit vor Schäden infolge des Einspritzvorgangs.
Besonders bevorzugt trägt der Dichtkegel an seiner Spitze einen Stößel, welcher in den Verbindungskanal einführbar ist. Ein solcher Stößel erhöht nicht nur den Abstand zwischen erstarrendem Material im Verbindungskanal und thixotropem Material in der Schneckeneinheit, sondern erleichtert, in ähnlicher Weise wie der Sperrschieber auf der Seite der Zylinder/Kolben- Einheit des Verbindungskanals, das kraftarme Abziehen des Ven- tils von der Schneckeneinheit beispielsweise im Falle dessen Austauschs .
Um die Schnecke ohne weiteren Energieaufwand in der ab¬ dichtenden Stellung ihres Dichtkegels an der konischen Ringschulter zu halten, kann die Schneckeneinheit optional über ei- nen Ba onettverschluss zur Arretierung der Schnecke in ihrer Dichtstellung verfügen.
Die gesamte Vorrichtung kann mit Schneckeneinheit, Ventil und Zylinder/Kolben-Einheit in jeweils beliebiger Einbaulage ausgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zy- linder/Kolben-Einheit etwa waagrecht und die Schneckeneinheit etwa senkrecht angeordnet sind: Eine solche Anordnung ist be¬ sonders platzsparend und erleichtert dadurch die Nachrüstung einer herkömmlichen Druckguss-Anlage mit Druckgusshydraulik und Druckgussform oder einer bestehenden Metall-Spritzguss-Anlage mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Überdies sind Schneckeneinheit, Ventil und Zylinder/Kolben-Einheit in dieser Lage gut zugänglich und das Reinigen bzw. Entleeren der Schneckeneinheit kann schwerkraftunterstützt erfolgen, indem das Innere der Schneckeneinheit über den Schmelzpunkt des Mate- rials erwärmt wird, sodass dieses bei geöffnetem Ventil in den Einspritzraum (z.B. zum nochmaligen Einspritzen) abfließt. Dar- über hinaus kann die Schneckeneinheit so an ihrer Oberseite ganz einfach unter Schwerkraftwirkung beschickt werden.
Bevorzugt ist an der wirksamen Kolbenfläche des Kolbens zumindest ein Rührelement angeordnet und der Kolben zusätzlich drehantreibbar . Auf diese Weise kann das im Einspritzraum befindliche thixotrope Material in Bewegung gehalten werden, was auch seine homogene Temperierung begünstigt und durch die Wahl der Drehgeschwindigkeit eine zusätzliche Möglichkeit zur Beein¬ flussung der Eigenschaften des thixotropen Materials schafft. Die Rührelemente können beispielsweise als zur Achse des Kol¬ bens geneigten Noppen ausgeführt sein. Auch kann der genannte Sperrschieber die Funktion eines solchen Rührelements übernehmen .
Besonders günstig ist es, wenn der Drehantrieb des Kolbens mit Mitteln zum Messen des Drehmoments ausgestattet ist. Aus dem gemessenen Drehmoment kann insbesondere auf die Viskosität und damit auf den Zustand des im Einspritzraum befindlichen thixotropen Materials geschlossen und so das Verfahren weiter automatisiert und geregelt und auch hinsichtlich der Verfah¬ renssicherheit überwacht werden.
Optional kann die Schnecke mit einer Innenheizung versehen sein. Auf diese Weise ist eine rasche, präzise Erhitzung des metallischen Materials bei dessen Versetzen in den thixotropen Zustand innerhalb der Schneckeneinheit möglich, wodurch sich auch die notwendige Baulänge der gesamten Schneckeneinheit ver¬ kürzt. Hiefür eignet sich jede in der Technik bekannte Art von Heizung. Bevorzugt umfasst die Innenheizung zumindest eine Heizwendel, welche um axial geschlitzte Bimetall-Rohrstücke ge¬ wickelt ist. Dadurch kontrahiert die Heizwendel im kalten Zu¬ stand und kann für Montage und Austausch leicht in die Schnecke eingeführt werden, wogegen sie im heißen Zustand expandiert und dadurch in engem wärmeleitenden Kontakt an die Innenseite der Schnecke angepresst wird.
Zweckmäßigerweise verfügt die Schnecke über zumindest ei¬ nen innenliegenden Temperatursensor, über welchen zusätzliche, präzise Informationen über die Abläufe im Inneren der Sehne- ckeneinheit zur Steuerung der Vorrichtung gewonnen werden können .
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der Erfindung sind zumindest zwei über den Umfang der Schnecke verteilte Aufgabekanäle zum Beschicken der Schneckeneinheit mit metalli¬ schem Material vorgesehen. So ist sichergestellt, dass die Schnecke umlaufend gleichmäßig befüllt wird. Dies vermeidet ei¬ ne „Brückenbildung" innerhalb des Schneckenzylinders, bei wel¬ cher die Schnecke in verschiedenen Zonen entlang ihres Umfangs auf unterschiedliche Reibungsfaktoren durch ungleichmäßige Be¬ füllung trifft, was die Gleichmäßigkeit des thixotropen Materi¬ als beeinträchtigen würde.
Optional kann die Schneckeneinheit mit zumindest zwei ge¬ genläufigen, zahnradartig ineinandergreifenden Schnecken ausgeführt sein. Eine solche Aus führungs form erhöht die Scherkräfte, welche durch die Schneckendrehung auf das eingefüllte metalli¬ sche Material wirken. Der thixotrope Zustand des Materials wird so gleichmäßiger.
Um den Einspritzraum besser abzudichten, ist der Kolben der Zylinder-/Kolben-Einheit bevorzugt mit zumindest einem Kol¬ benring ausgestattet. Kolbenringe vereinfachen auch eine Schmierung des Kolbens bei seinem Verfahren im Zylinder ohne die Gefahr einer Verunreinigung des thixotropen Materials im Einspritzraum durch Schmiermittel.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist im Kolben der Zylinder/Kolben-Einheit zumindest ein Tempe¬ ratursensor angeordnet. Ein derart angeordneter Temperatursensor gestattet eine kontinuierliche Temperaturerfassung, anders als dies ein gemäß dem Stand der Technik üblicherweise in die Zylinderwand integrierter Temperatursensor könnte: Ein wandintegrierter Sensor liefert beim Einspritzen Temperaturdaten über das thixotrope Material im Einspritzraum nur solange, bis er beim Einspritzvorgang vom Kolben überstrichen wird. Beim Ü- berstreichen ist ein wandintegrierter Sensor darüber hinaus großen Beanspruchungen durch Reibung ausgesetzt; all diese Nachteile weist ein direkt im Kolben angeordneter Temperatursensor nicht auf.
Im Kolben der Zylinder/Kolben-Einheit kann optional zumin¬ dest ein Drucksensor angeordnet sein, welcher - vergleichbar dem im Kolben integrierten Temperatursensor - eine kontinuierliche Erfassung des Drucks im Einspritzraum erlaubt.
Besonders günstig ist es, wenn Schneckeneinheit und/oder Zylinder-/Kolben-Einheit mit Mitteln zur Zwangskühlung ausges¬ tattet sind. So kann die Vorrichtung und das darin befindliche Material z.B. bei Wartungsstillständen oder zum Modultausch rasch abgekühlt werden, was Stillstandszeiten verkürzt.
In einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung auch eine Anlage zum Druckgießen von metallischem Material im thixotropen Zustand, umfassend die beschriebene Vorrichtung, eine Druck¬ gusshydraulik zum Druckbeaufschlagen des Kolbens der Zylinder/Kolben-Einheit und eine von der Zylinder/Kolben-Einheit ge¬ speiste Druckgussform zum Druckgießen von metallischem Material im thixotropen Zustand. Eine derartige Anlage vereint die oben beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In einem dritten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Druckgießen von metallischem Material im thixotropen Zustand, umfassend die Schritte:
Versetzen eines metallischen Materials in den thixotropen Zustand in einer Schneckeneinheit;
Verbringen des thixotropen Materials von der Schneckeneinheit über einen Verbindungskanal in eine Zylinder/Kolben- Einheit;
Erstarrenlassen des im Verbindungskanal befindlichen Materials; und
Einspritzen des thixotropen Materials aus der Zylinder/Kolben-Einheit in eine Druckgussform, während der Verbin¬ dungskanal durch das darin erstarrte Material blockiert ist.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die vorangegangenen Ausführungen zur Vorrichtung verwiesen. Eine bevorzugte Aus führungs form des Verfahrens der Erfin¬ dung zeichnet sich durch den weiteren Schritt des Erwärmens des Verbindungskanals bis zur Wiedererlangung der Fließfähigkeit des darin befindlichen Materials zur Vorbereitung einer neuerlichen Durchführung des Verfahrens aus. So kann das vorliegende Verfahren in einen hochproduktiven zyklischen Prozess mit rascher Taktung überführt werden.
Zur weiteren Beschleunigung der Taktzeiten des Verfahrens erfolgt das Erstarrenlassen des Materials bevorzugt durch Zwangskühlen des Verbindungskanals. Alternativ oder zusätzlich kann das Erstarrenlassen auch durch Ausschalten einer Heizung des Verbindungskanals erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das thixotrope Material in der Zylinder/Kolben-Einheit vor und/oder während des Ein- spritzvorgangs gerührt wird. Wie dargestellt, kann so das im Einspritzraum enthaltene thixotropen Material in der Zylinder/Kolben-Einheit in einem gleichmäßigen Zustand gehalten und dessen Eigenschaften auch gezielt verändert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den beige¬ schlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine Metall-Spritzguss-Anlage mit einer erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung in einer Seitenansicht;
Fig. 2 die Schneckeneinheit der Vorrichtung von Fig. 1 im Längsschnitt; und
Fig. 3 das Ventil und die Zylinder/Kolben-Einheit der Vor¬ richtung von Fig. 1 im Längsschnitt.
Gemäß Fig. 1 weist eine Metall-Spritzguss-Anlage 1 eine Vorrichtung 2 zum Druckgießen von metallischen Materialien im thixotropen Zustand in eine Druckgussform 3, eine Druckgusshyd¬ raulik 4 zum Druckbeaufschlagen der Vorrichtung 2 und eine e- lektronische Steuerung (nicht dargestellt) zur Prozesssteuerung der gesamten Anlage 1 auf. Die Anlage 1 kann auch auf Basis ei¬ ner herkömmlichen Druckguss-Anlage aufgebaut werden, welche durch Einbau der Vorrichtung 2 zwischen (herkömmlicher) Druckgusshydraulik 4 und (herkömmlicher) Druckgussform 3 speziell für das Metall-Spritzgießen umgerüstet wird, gegebenenfalls auch nachträglich, in welchem Fall die Vorrichtung 2 einen Nachrüst- bzw. Adaptersatz bildet.
Die Vorrichtung 2 umfasst eine etwa senkrecht stehende Schneckeneinheit 5, ein Ventil 6 und eine etwa waagrecht ange¬ ordnete Zylinder/Kolben-Einheit 7 aus Kolben 7' und Zylinder 7". In der Schneckeneinheit 5 wird metallisches Material (nicht gezeigt) in den thixotropen Zustand versetzt und damit über das Ventil 6 die Zylinder/Kolben-Einheit 7 beschickt. Die Druck- gusshydraulik 4 beaufschlagt anschließend den Kolben 7' der Zylinder/Kolben-Einheit 7, um das thixotrope Material aus der Zy¬ linder/Kolben-Einheit 7 in die Druckgussform 3 einzuspritzen.
Alle Teile der Druckguss-Anlage 1 sind auf Lagerschienen 8 gelagert. Die Vorrichtung 2 sitzt in einer Justiereinrichtung 9 auf einer Haltetasse 10 und diese auf den Lagerschienen 8. Die Justiereinrichtung 9 dient zum Anpassen der Anbaulage der Vorrichtung 2 an die Druckgussform 3 und die Druckgusshydraulik 4 in Höhe und Winkel; Justiereinrichtung 9 und/oder Haltetasse 10 können gegebenenfalls entfallen.
Sowohl die Schneckeneinheit 5 als auch die Zylin¬ der/Kolben-Einheit 7 verfügen über Trageösen 11. Die Trageösen 11 dienen zur Manipulation der Vorrichtung 2 im Ganzen - beispielsweise beim Tausch der Vorrichtung 2 gegen eine beliebige andere Druckguss-Vorrichtung oder etwa für Wartungszwe- cke - oder zum Abheben der Schneckeneinheit 5 von der Zylinder/Kolben-Einheit 7, beispielsweise zum Tausch des Ventils 6.
Beim Einspritzvorgang betätigt die Druckgusshydraulik 4 über eine Kolbenstange 13 den Kolben 7' der Zylinder/Kolben- Einheit 7 und thixotropes Material wird von der Zylin- der/Kolben-Einheit 7 über eine Spritzdüse 14 zur Druckgussform 3 geführt, wie weiter unten noch genauer erläutert. Die Druckgussform 3 ist wie in der Technik bekannt in der Regel zumindest zweiteilig ausgeführt und wird von einem Spannrahmen 15 mit Zentrierbolzen 16 gehalten. Zur Entnahme eines fertigen Druckguss-Formteils nach dessen Erstarren in der Druckgussform 3 werden Spannrahmen 15 und Druckgussform 3 in dem Fachmann bekannter Weise an ihrer Teilung geöffnet.
Ein optionaler Rührantrieb 17 treibt über ein Getriebe 18 die Kolbenstange 13 und damit den Kolben 7' der Zylin¬ der/Kolben-Einheit 7 zur Drehung um seine Achse an. Dabei kann zumindest ein Zahnrad des Getriebes 18 mit überbreiten Zähnen zum Ausgleich der Axialbewegungen des Kolbens 7 ' beim Druckgießen versehen sein. An die Stelle des Getriebes 18 kann ein anderer im Stand der Technik bekannter Trieb, beispielsweise ein Riementrieb, aber auch ein - gegebenenfalls hydraulischer - Direkttrieb treten.
Eine - ebenfalls optionale - Wartungshydraulik 19 dient zum von der Hydraulik 4 unabhängigen Verfahren des Kolbens 7' in eine Wartungsstellung 20 (Fig. 3), wie weiter unten eingehend erläutert, falls diese Funktion nicht durch die Druckguss¬ hydraulik 4 selbst wahrgenommen wird.
Fig. 2 zeigt die Schneckeneinheit 5 im Detail. Die Schne¬ ckeneinheit 5 versetzt metallisches Material in einen thixotro- pen Zustand zur Vorbereitung für das spätere Druckgießen. Über trichterförmige Aufgabekanäle 21, welche über den Umfang eines Schneckenzylinders 22 verteilt und optional in ihrer axialen Lage am Schneckenzylinder 22 an die Schneckensteigung angepasst sind, ist die Schneckeneinheit 5 mit metallischem Material z.B. in Granulat- oder Spanform beschickbar. Die Aufgabekanäle 21 verlaufen durch die Wandung des Schneckenzylinders 22 abwärts geneigt, bevorzugt in einem Winkel zwischen etwa 45° und etwa 60°, was die gleichmäßige Beschickung vereinfacht.
Außer mit metallischem Material kann die Schneckeneinheit 5 - und damit die gesamte Anlage 1 - bei Bedarf auch mit Inertgas oder anderem gasförmigen, flüssigen und/oder festen Material beschickt werden. Dabei kann es sich um Material han¬ deln, das das Metall-Spritzgießen in Verfahrenshinsicht verbes¬ sern, etwa zur Kornfeinerung oder Brandhemmung, oder um Material, das die Eigenschaften des späteren Druckgussteils beein- flusst, wie zur Legierung oder durch Einbringen von Fasern. I- nertgas zur Brandhemmung sickert angesichts seiner hohen Masse der Schwerkraft folgend in die Schneckeneinheit 5 und die Anla¬ ge 1 ein, wobei es beispielsweise darin befindlichen brandfördernden Sauerstoff verdrängt.
Ein Schneckenantrieb 23 treibt eine im Schneckenzylinder 22 axial verschieblich drehgelagerte Schnecke 24, welche die zum Versetzen des Materials in den thixotropen Zustand erforderlichen Scherkräfte auf das Material ausübt. Über eine steu¬ erbare, den Schneckenzylinder 22 umfassende und bevorzugt in Richtung der Achse des Schneckenzylinders 22 in zumindest zwei Segmente S', S" unterteilte Schneckenheizung 25 an sich bekannter Bauweise wird das Material in der Schneckeneinheit 5 er¬ wärmt. Die Segmente S', S" können dabei durch gezielte Steue¬ rung verschiedene Temperaturzonen im Schneckenzylinder 22 erzeugen .
Durch die Wirkung der Scherkräfte und der Erwärmung des metallischen Materials in der Schneckeneinheit 5 wird dieses in einen thixotropen Zustand versetzt. Gleichzeitig wird es durch die Bewegung der Schnecke 24 in Richtung des Ventils 6 gefördert. Die Vorrichtung 2 kann dabei so ausgelegt sein, dass die Schneckeneinheit 5 über das Ventil 6 die Zylinder/Kolben- Einheit 7 ähnlich einem herkömmlichen Extruder kontinuierlich mit thixotropem Material beschickt. Alternativ kann gemäß Fig. 2 das thixotrope Material in der Schneckeneinheit 5 im unteren Bereich des Schneckenzylinders 22 vorbereitend gesammelt wer- den, indem sich die Schnecke 24 im Schneckenzylinder 22 kontinuierlich aufwärts bewegt und thixotropes Material in den unte¬ ren Bereich des Schneckenzylinders 22 verbringt. Diese Bewegung kann durch eine Schneckenhydraulik 26 aktiv unterstützt werden. Ist in diesem Fall die vorgesehene Menge an thixotropem Materi- al im Schneckenzylinder 22 vorbereitet, so wird dieses von der von der Schneckenhydraulik 26 beaufschlagten Schnecke 24 über das Ventil 6 in die Zylinder/Kolben-Einheit 7 befördert.
Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die Schnecke 24 an ihrem unte¬ ren, dem Ventil 6 zugewandten Ende über einen Dichtkegel 27 zum Abdichten gegen eine konische Ringschulter 28 am Innenumfang des Schneckenzylinders 22 verfügen. Mit Hilfe der Schneckenhyd- raulik 26 kann die Schnecke 24 in ihre Dichtanlage (nicht dar¬ gestellt) an der konischen Ringschulter 28 verfahren und in dieser Dichtstellung durch einen optionalen Ba onettverschluss 29 verriegelt werden. Dadurch ist ein Abdichten der Schnecken- einheit 5 gegenüber dem Ventil 6 ohne weiteren Energieaufwand erzielbar. Anstelle des Ba onettverschlusses 29 kann auch eine andere im Stand der Technik bekannte Verriegelungsart verwendet werden .
Ein von der Spitze des Dichtkegels 27 vorragender zylin- derförmiger Stößel 30 kann in der Dichtstellung der Schnecke 24 in die Mündung eines zentralen Verbindungskanals 31 des Ventils 6 eintreten. Der Stößel 30 vereinfacht den Tausch des Ventils 6 durch Beabstanden des darin befindlichen gegebenenfalls erstarrten Materials von der Schneckeneinheit 5. So ist ein Ven- tilwechsel im kalten Zustand ohne Beschädigungsgefahr für Schneckeneinheit 5 und Ventil 6 möglich. Der Stößel 30 kann al¬ ternativ eine an das Ventil 6 angepasste andere Form aufweisen oder optional entfallen. Auch könnte die konische Ringschulter 28 direkt in der Mündung des zentralen Verbindungskanals 31 des Ventils 6 ausgeführt sein.
Alternativ oder ergänzend zur Schneckenheizung 25 am Schneckenzylinder 22 kann die Schnecke 24 mit einer - beispielsweise ebenfalls segmentierten - Innenheizung (nicht dargestellt) ausgestattet sein. Ist eine solche Innenheizung als elektrische Heizung ausgeführt, so kann sie bevorzugt mit Heizwendeln aufgebaut sein, welche um in Axialrichtung geschlitzte Bimetall-Rohrstücke gewickelt sind, welche so ausge¬ legt sind, dass sie im kalten Zustand in der Schnecke 24 ver¬ schoben werden können und im heißen Zustand fest an der Innen- wand der Schnecke 24 anliegen.
Optional verfügt die Schnecke 24 über einen oder mehrere verteilte innenliegende Temperatursensoren (nicht dargestellt) . Da sich die Schnecke dreht, sind die Signalübertragung der Temperatursensoren sowie die Energieversorgung der Sensoren und der Innenheizung an die Drehbewegung anzupassen. Die Signalübertragung kann drahtlos z.B. über Funk oder über Schleifringe (nicht dargestellt) an der Schnecke 24 erfolgen. Die gleichen Möglichkeiten bestehen für die Energieversorgung, wobei der vergleichsweise geringe Energiebedarf der Temperatursensoren drahtlos oder über „energy harvesting" aus der Umgebung gedeckt werden kann, während für die Innenheizung Schleifringe bevorzugt sind.
Alternativ zur Darstellung in Fig. 2 kann die Schneckeneinheit 5 auch mit zumindest zwei gegenläufigen, zahnradartig ineinandergreifenden Schnecken 24 ausgeführt sein.
Fig. 3 zeigt das Ventil 6 im Detail. Das Ventil 6 ist mit einem oberen Flansch 32 in einer Anschlussöffnung 33 der Schneckeneinheit 5 und mit einem unteren Flansch 34 in einer Anschlussöffnung 35 der Zylinder/Kolben-Einheit 7 festgelegt. Das Ventil 6 schafft eine Verbindung für das in der Schneckenein- heit 5 vorbereitete thixotrope Material zum Beschicken der Zy¬ linder/Kolben-Einheit 7 und verhindert ein Rückfließen des Ma¬ terials aus der Zylinder/Kolben-Einheit 7 in die Schneckenein¬ heit 5 während des Einspritzens. Das Ventil 6 dient dabei ins¬ besondere dazu, den hohen Druck, welcher bei der Einspritzbewe- gung des Kolbens 7' in der Zylinder/Kolbeneinheit 7 entsteht, von der Schneckeneinheit 5 abzuhalten. Das Ventil 6 ist gemäß Fig. 3 als Rohrstück 36 mit zentralem steuerbarem Verbindungskanal 31 zum wahlweisen Verbinden des Inneren des Schneckenzylinders 22 mit dem als Einspritzraum 37 dienenden Inneren des Zylinders 7" der Zylinder/Kolben-Einheit 7 ausgeführt.
Das in Fig. 3 dargestellte Ventil 6 arbeitet thermisch und verfügt dazu über einen heiz- und/oder kühlbaren Verbindungskanal 31, der das Rohrstück 36 durchsetzt und optional zur Zylin¬ der/Kolben-Einheit 7 hin erweitert ist. In Fig. 3 ist der Ver- bindungskanal 31 treppen- bzw. stufenförmig erweitert darge¬ stellt, er kann alternativ aber auch konisch (siehe Fig. 2), treppenförmig-konisch, bauchig-konisch, bauchig oder einfach zylinderförmig sein; auch können verschiedene dieser Formen in Axialrichtung aneinandergereiht sein.
Zur thermischen Beaufschlagung des Verbindungskanals 31 und damit Steuerung des Ventils 6 ist dieses mit einer Steuer- baren Heizung 39 und/oder steuerbaren Zwangskühlmitteln 40 ausgestattet. Mittels der Heizung 39 kann im Verbindungskanal 31 befindliches Material im thixotropen Zustand gehalten werden, sowie gegebenenfalls darin befindliches erstarrtes Material wieder fließfähig gemacht werden, um das Ventil 6 „freizuschal¬ ten". Ähnlich wie in Bezug auf die Schneckenheizung 25 beschrieben kann die Heizung 39 zur zonenweisen Temperatursteuerung in Segmente unterteilt werden.
Durch Abkühlenlassen des Verbindungskanals 31 kann umge- kehrt das darin befindliche Material zum Erstarren gebracht werden und bildet dann im Verbindungskanal 31 einen massiven Pfropfen, welcher den Materialdurchtritt durch den Verbindungs¬ kanal 31 unterbindet und somit das Ventil 6 „sperrt".
Das Erstarrenlassen des Materials im Verbindungskanal 31 kann durch Ausschalten der Heizung 39 und/oder durch Einschalten der Zwangskühlmittel 40 erfolgen. Die Zwangskühlmittel 40 können beispielsweise gasförmiges Kühlmittel in Kühlkanälen 40 im Rohrstück 36 umfassen.
Um im Falle eines zyklischen Metall-Spritzguss-Verfahrens besonders schnelle Taktzeiten realisieren zu können, können die Heizung 39 bevorzugt als induktive Impulsheizung und die Zwangskühlmittel 40 als C02-Gaskühlung ausgeführt sein. Alter¬ nativ sind auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Hei¬ zungen und/oder Kühlungen für das Ventil 6 verwendbar.
Die Heizung 39 und/oder die Zwangskühlmittel 40 können, wie in Fig. 3 dargestellt, in oder an der Wandung des Rohrstücks 36 oder in einer oder mehreren die Wandung des Rohrstücks 36 und den Verbindungskanal 31 etwa quer durchsetzenden Einschubpatrone (n) angeordnet sein.
Zwischen Schneckeneinheit 5 und Zylinder/Kolben-Einheit 7 ist ein Spalt 41 ausgebildet, der in thermischer Hinsicht nur von dem Ventil 6 überbrückt ist und damit eine weitgehende thermische Entkopplung von Schneckeneinheit 5 und Zylin¬ der/Kolben-Einheit 7 sicherstellt. Zur zusätzlichen Abstützung der Schneckeneinheit 5 auf der Zylinder/Kolben-Einheit 7 können thermische Isolatoren 42, beispielsweise aus Keramik, vorgese¬ hen werden.
Zum Festlegen des Ventils 6 mitsamt seinen Flanschen 32, 34 in den Anschlussöffnungen 33, 35 greifen Gewinderinge 43 mit Außengewinden in Innengewinde der Anschlussöffnungen 33, 35 ein. Die Gewinderinge 43 sind bevorzugt in ihrer Axialrichtung geteilt, wodurch sie unabhängig vom Ventil 6 handhabbar und auch nach dessen Einführen in die Anschlussöffnungen 33, 35 um das Rohrstück 36 herumgelegt und in das Innengewinde der jewei- ligen Anschlussöffnung 33, 35 gedreht werden können.
Für den Angriff eines An- bzw. Abzugswerkzeugs können die Gewinderinge 43 optional an ihren freiliegenden Angriffsflächen 44 entsprechende Ausnehmungen aufweisen. Puffer (nicht dargestellt) in den Teilungsschlitzen der Gewinderinge 43 verhindern deren Verrutschen und Verkeilen, indem sie enen Sägespalt ausfüllen, der bei der Herstellung der Gewinderinge aus einem einstückigen Ring und folgendem Zersägen entsteht. Alternativ können herkömmliche Flanschbefestigungen, z.B. mittels Ver- schraubung durch Bohrungen in den Flanschen (nicht darge- stellt) , zum Festlegen des Ventils 6 in den Anschlussöffnungen 33, 35 verwendet werden.
Die Mündung 45 des Verbindungskanals 31 mündet direkt oder wie dargestellt über einen Hilfskanal 48 in der Wandung des Zy¬ linders 7" der Zylinder/Kolben-Einheit 7 zwischen Kolben 7' und Spritzdüse 14 in den Einspritzraum 37 des Zylinders 7". Ein Sperrschieber 46, welcher aus der wirksamen Kolbenfläche 47 des Kolbens 7' herausragt, verschließt die Mündung 45 des Ventils 6 bei Bewegung des Kolbens 7' in die Wartungsstellung 20, indem er in den Hilfskanal 48 eintritt und sich vor die Mündung 45 legt. Der Querschnitt des Sperrschiebers 46 kann beispielsweise rund, oval, mehreckig oder ei- oder linsenförmig aber auch unsymmetrisch sein und z.B. konkave Segmente aufweisen. Der Sperrschieber 46 kann alternativ über ein Gestänge vom Kolben 7' mitgeführt werden und auch außerhalb des Zylinders 7" oder in einer (nicht dargestellten) separaten Führung etwa in der Wand des Zylinders 7" geführt sein. Die Kolbenbewegung in die Wartungsstellung 20 führt die Wartungshydraulik 19 meist zu Wartungszwecken durch, beispiels¬ weise für den Tausch des Ventils 6; beim betriebsmäßigen Ein- spritzvorgang verfährt der Kolben 7' im allgemeinen nicht bis zum Verschließen der Mündung 45 durch den Sperrschieber 46.
Der Hilfskanal 48 liegt parallel zur Hubrichtung 49 des Kolbens 7 ' und hat einen an den Querschnitt des Sperrschiebers 46 angepassten Querschnitt. Alternativ kann der Hilfskanal 48 auch einen gegenüber dem Sperrschieber 46 verschiedenen Quer- schnitt aufweisen, solange der Sperrschieber 46 die Mündung 45 des Ventils 6 gegenüber dem Einspritzraum 37 abzudichten vermag. Zum Abführen des im Hilfskanal 48 befindlichen Materials beim Einfahren des Sperrschiebers 46 ist der Hilfskanal 48 beidseitig zum Einspritzraum 37 hin offen.
Beim Beschicken der Zylinder/Kolben-Einheit 7 mit thi- xotropem Material aus der Schneckeneinheit 5 über das Ventil 6 in den Einspritzraum 37 weicht der Kolben 7' entweder durch den Druck aus der Schneckeneinheit 5 zurück, oder er wird durch die Druckgusshydraulik 4 aktiv zurückgezogen, wobei er die Schne- ckeneinheit 5 durch seine Sogwirkung beim Beschicken auch unterstützen kann. Das thixotrope Material wird damit im Ein¬ spritzraum 37 für das nun folgende Einspritzen gesammelt.
Um den thixotropen Zustand des Materials im Einspritzraum 37 bestmöglich zu gewährleisten, verfügt die Zylinder/Kolben- Einheit über eine Zylinderheizung 51. Die Zylinderheizung 51 ist ebenso wie die Schneckenheizung 25 optional segmentiert und nach Zonen steuerbar. Auch zum Reinigen und Entleeren der Schneckeneinheit 5, des Ventils 6 bzw. der Zylinder/Kolben- Einheit 7 können Schneckenheizung 25, Heizung 39 bzw. Zylinder- heizung 51 das jeweils darin befindliche Material verflüssigen. Zusätzlich können Schneckeneinheit 5 bzw. Zylinder/Kolben- Einheit 7 mit Zwangskühlmitteln - beispielsweise nach Art der Zwangskühlmittel 40 des Ventils 6 - zur raschen Abkühlung für Wartungs- und Modultauschzwecke ausgestattet sein.
An der wirksamen Kolbenfläche 47 des Kolbens 7' können zusätzlich zum Sperrschieber 46 ein oder mehrere Rührelemente 52 angeordnet sein. Die Rührelemente 52 sind z.B. zur Achse des Kolbens geneigte Noppen, können aber auch schaufei- oder ringförmig sein oder eine andere zum Rühren des im Einspritzraum 37 befindlichen thixotropen Materials geeignete Form aufweisen, oder auch durch den Sperrschieber 46 selbst gebildet sein.
Wird der Kolben 7' über die Kolbenstange 13 vom Rührantrieb 17 über das Getriebe 18 in Drehung versetzt, so treffen die Rührelemente 52 im Einspritzraum 37 je nach Zustand des darin befindlichen thixotropen Materials auf unterschiedlichen Widerstand. Durch Messung des Drehmoments an der Kolbenstange bzw. im Rührantrieb 17 oder durch eine separate Messzelle (nicht dargestellt) kann somit auf den Zustand des thixotropen Materials im Einspritzraum 37 geschlossen werden.
Weitere Informationen über den Zustand des im Einspritz- räum 37 befindlichen thixotropen Materials können Temperatur- und Drucksensoren im Einspritzraum 37 liefern. Gemäß Fig. 3 liegen zumindest ein Temperatursensor 53 und/oder zumindest ein Drucksensor 54 im Kolben 7'. Die Signale 55 der Sensoren 53, 54 werden z.B. durch die Kolbenstange 13 und gegebenenfalls wie oben beschrieben über Schleifringe oder Funk an eine außenliegende Signalauswerteeinheit (nicht dargestellt) übertragen.
Ist eine für den folgenden Druckgussvorgang ausreichende Menge an Material im thixotropen Zustand im Einspritzraum 37 vorhanden, wird das Ventil 6 durch Abschalten der Heizung 39 und/oder Einschalten der Zwangskühlmittel 40 geschlossen, was die Vorrichtung 2 für das Einspritzen des Materials in die Druckgussform 3 vorbereitet. Zum Einspritzen beaufschlagt die Druckgusshydraulik 4 den Kolben 7' über die Kolbenstange 13 mit Druck, wodurch das thixotrope Material aus dem Einspritzraum 37 durch die Spritzdüse 14 in die Druckgussform 3 eingespritzt wird, wo es erstarrt und später als Formteil entnommen werden kann .
Der Kolben 7' kann gegenüber der Innenwand des Zylinders 7" zur besseren Abdichtung des Einspritzraums 37 mit einem oder mehreren Kolbenringen versehen sein. Die Kolbenringe können z.B. in an sich bekannter Weise als Kompressionsringe ausge- führt sein, deren Anpressdruck an die Innenwand des Zylinders 7" hauptsächlich durch den Druck des thixotropen Materials im Einspritzraum 37 bewerkstelligt wird, z.B. über geeignete Form¬ gebung der Kompressionsringe oder durch zusätzliche Druckkanäle im Kolben 7' zwischen Einspritzraum 37 und Kompressionsringen. Optional ist auch eine Schmierung der Innenwand des Zylinders 7" möglich; dazu könnten Schmiermittel beispielsweise durch Schmiermittelbohrungen in der Wand des Zylinders 7" oder über enen Raum im Zylinder 7", welcher an der der Druckgussform 3 abgewandten Seite des Kolbens 7' liegt, zugeführt werden.
Die Spritzdüse 14, welche in die Druckgussform 3 mündet, verfügt bevorzugt über eine Düsenheizung 56. Die Spritzdüse 14 kann dank dieser als sog. Heißkanal ausgelegt sein, um ein Verfestigen des Materials in ihrem Inneren zu verhindern. Fig. 3 zeigt darüber hinaus einen optionalen Isoliermantel 57 zur thermischen Isolierung um die Spritzdüse 14. Ein solcher Isoliermantel 57 kann in geeigneter Größe auch zur thermischen I- solierung der Schneckeneinheit 5, des Ventils 6 und/oder der Zylinder/Kolben-Einheit 7 eingesetzt werden.
Nach dem Einspritzen des thixotropen Materials in die
Druckgussform 3 und dem Öffnen des Ventils 6 durch Erwärmen kann das Verfahren neuerlich durchgeführt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungs¬ formen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten und Modifika- tionen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen. So könnte z.B. die Mündung 45 des Ventils 6 auch an der der Druckgussform 3 abgewandten Seite des Kolbens 7' in einen Einspeiseraum (nicht dargestellt) des Zylinders 7" münden. In die¬ ser alternativen Aus führungs form beschickt die Schneckeneinheit 5 über das Ventil 6 anstelle des Einspritzraums 37 diesen Ein¬ speiseraum. Fährt dann der Kolben 7' zurück und lässt thixotro- pes Material über ein Rückschlagventil vom Einspeiseraum in den Einspritzraum 37 übertreten, kann das Ventil 6 die Schneckeneinheit 5 vor Druck- und/oder Sogwirkung bewahren.

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung (2) zum Druckgießen von metallischem Material, mit einer Schneckeneinheit (5) zum Versetzen des Mate- rials in einen thixotropen Zustand und einer von dieser beschickten Zylinder/Kolben-Einheit (7) zum Druckbeaufschlagen des thixotropen Materials für den Druckguss, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schneckeneinheit (5) und Zylin¬ der/Kolben-Einheit (7) ein thermisch steuerbares Ventil (6) an- geordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das steuerbare Ventil (6) durch einen Verbindungskanal (31) gebildet ist, welcher mit steuerbaren Mitteln (40) zur Zwangskühlung des darin befindlichen Materials bis unter dessen Erstarrungstemperatur ausgestattet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (31) in Richtung zur Zylinder/Kolben- Einheit (7) erweitert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Verbindungskanal (31) mit steuerbaren Mit¬ teln (39) zum Erwärmen des darin befindlichen Materials ausgestattet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckeneinheit (5) und die Zylin- der/Kolben-Einheit (7) zwischeneinander einen Spalt (41) bilden, der abgesehen von thermischen Isolatoren (42) nur von dem Ventil (6) überbrückt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (6) an seinen beiden Enden je- weils lösbar an der Schneckeneinheit (5) einerseits und der Zy¬ linder/Kolben-Einheit (7) andererseits befestigt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (6) in einem Rohrstück (36) ausgebildet ist, das mit endseitigen Flanschen (32, 34) in An- Schlussöffnungen (33, 35) der Schneckeneinheit (5) einerseits und der Zylinder/Kolben-Einheit (7) andererseits eingreift.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (36) mit Gewinderingen (43) in den Anschlussöffnungen (33, 35) festgelegt ist, welche Gewinderinge (43) mit Außengewinden in Innengewinde der Anschlussöffnungen (33, 35) eingreifen und in Axialrichtung geteilt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Anschlussöffnung (35) der Zylinder/Kolben-Einheit (7) liegende Mündung (45) des Verbin¬ dungskanals (31) durch einen vom Kolben (7') der Zylin- der/Kolben-Einheit (7) mitgeführten Sperrschieber (46) verschließbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrschieber (46) in Hubrichtung (49) des Kolbens (7') von dessen wirksamer Kolbenfläche (47) vorragt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (24) der Schneckenein¬ heit (5) axialverschieblich ist und an ihrer dem Ventil (6) zugewandten Seite über einen Dichtkegel (27) zum Abdichten gegen eine konische Ringschulter (28) am Innenumfang der Schnecken- einheit (5) verfügt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkegel (27) an seiner Spitze einen Stößel (30) trägt, welcher in den Verbindungskanal (31) einführbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckeneinheit (5) über einen Bajonettver- schluss (29) zur Arretierung der Schnecke (24) in ihrer Dichtstellung verfügt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da- durch gekennzeichnet, dass die Zylinder/Kolben-Einheit (7) etwa waagrecht und die Schneckeneinheit (5) etwa senkrecht angeord¬ net sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an der wirksamen Kolbenfläche (47) des Kolbens (7') zumindest ein Rührelement (52) angeordnet und der Kolben (7') zusätzlich drehantreibbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehantrieb (17) des Kolbens (7') mit Mitteln zum Mes¬ sen des Drehmoments ausgestattet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da- durch gekennzeichnet, dass die Schnecke (24) mit einer Innen¬ heizung versehen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenheizung zumindest eine Heizwendel umfasst, welche um axial geschlitzte Bimetall-Rohrstücke gewickelt ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei über den Umfang der Schnecke (24) verteilte Aufgabekanäle (21) zum Beschicken der Schneckeneinheit (5) mit metallischem Material vorgesehen sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, da- durch gekennzeichnet, dass die Schneckeneinheit (5) mit zumin¬ dest zwei gegenläufigen, zahnradartig ineinandergreifenden Schnecken (24) ausgeführt ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (7') der Zylinder/Kolben- Einheit (7) mit zumindest einem Kolbenring ausgestattet ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolben (7') der Zylinder/Kolben- Einheit (7) zumindest ein Temperatursensor (53) angeordnet ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, da- durch gekennzeichnet, dass im Kolben (7') der Zylinder/Kolben- Einheit (7) zumindest ein Drucksensor (54) angeordnet ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckeneinheit (5) und/oder die Zylinder/Kolben-Einheit (7) mit Mitteln zur Zwangskühlung ausgestattet sind.
25. Anlage zum Druckgießen von metallischem Material im thixotropen Zustand, umfassend die Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, eine Druckgusshydraulik (4) zum Druckbeaufschlagen des Kolbens (7') der Zylinder/Kolben-Einheit (7) und eine von der Zylinder/Kolben-Einheit (7) gespeiste Druck- gussform (3) zum Druckgießen von metallischem Material im thixotropen Zustand.
26. Verfahren zum Druckgießen von metallischem Material im thixotropen Zustand, umfassend die Schritte:
Versetzen eines metallischen Materials in den thixotropen
Zustand in einer Schneckeneinheit (5),
Verbringen des thixotropen Materials von der Schneckeneinheit (5) über einen Verbindungskanal (31) in eine Zylin¬ der/Kolben-Einheit (7),
Erstarrenlassen des im Verbindungskanal (31) befindlichen
Materials, und
Einspritzen des thixotropen Materials aus der Zylinder/Kolben-Einheit (7) in eine Druckgussform (3), während der Verbindungskanal (31) durch das darin erstarrte Material blo- ckiert ist.
27. Verfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Erwärmens des Verbindungskanals (31) bis zur Wiedererlangung der Fließfähigkeit des darin befindlichen Materials zur Vorbereitung einer neuerlichen Durchführung des Verfahrens.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Erstarrenlassen durch Zwangskühlen (40) des Verbindungskanals (31) erfolgt.
29. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Erstarrenlassen durch Ausschalten einer Heizung (39) des Verbindungskanals erfolgt.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das thixotrope Material in der Zylin¬ der/Kolben-Einheit (7) vor und/oder während des Einspritzvor- gangs gerührt wird.
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