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Die
Erfindung betrifft ein Vakuumdruckgussverfahren nach dem Oberbegriff
des ersten Anspruches.
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Druckgießen unter
Vakuum wird bereits seit geraumer Zeit bei der Herstellung von Formteilen
aus Metallen und Metalllegierungen angewandt, insbesondere bei Legierungen
der Metalle Al, Mg, Zn und Cu. Durch das Druckgießen unter
Vakuum wird eine höhere
Materialgüte
der Teile erreicht, weil weniger Luft und Gase im Material eingeschlossen
werden. Für
Formteile aus z. B. Aluminium, die später noch eine Wärmebehandlung
unterzogen oder geschweißt werden
sollten, kann kaum auf Vakuum verzichtet werden.
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Darüber hinaus
ist das Druckgießen
unter Vakuum nicht nur beim Einsatz von flüssigen Metalllegierungen möglich, sondern
kann auch bei abgeleiteten Sonderverfahren eingesetzt werden. Als
Beispiele können
hier genannt werden: Verfahren wobei teilflüssiges oder teigiges Material
als Gussmasse verwendet wird (üblicherweise
als Thixo- oder Rheo-casting bezeichnet), Verfahren wobei die Gussmasse
aus einer Materialkombination (Komposit) von flüssigen oder teilflüssigen Metallen
und nicht Metallische Einschlüsse
besteht (MMC) und Verfahren wobei ein Vorkörper mit flüssigem Material infiltriert
wird.
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Aus
der Schrift EP-OS 0 0451 310 ist das in der Industrie unter dem
Namen „Vacural" (eingetragene Marke
der Maschinenfabrik Müller-Weingarten AG)
bezeichnete Verfahren bekannt. Dieses und ähnliche spätere Verfahren arbeiten mit
einer fest abgeschlossenen Gießkammer,
die mit einem Warmhalteofen über
ein Ansaugrohr in Verbindung steht. Durch ein in der Form und Gießkammer
erzeugtes und genau kontrolliertes Vakuum wir Metall in der Gießkammer
angesaugt und dosiert.
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Das
Vakuumsystem für
einen solchen Druckgießprozess
besteht dabei im wesentlichen aus einem mittels Vakuumpumpe auf
Unterdruck gebrachten Pufferbehälter.
Manchmal ist eine Vakuumpumpe direkt angeschlossen, manchmal wird
ein Zentralvakuumsystem angewendet. Weiterhin beinhalten solche
Vakuumsysteme noch zwischengeschaltete Ventile und Filter sowie
Druckmessgeräte.
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In
der Schrift DE-OS 196 45 104 wird eine Technik beschrieben, die
es zulässt,
tiefere Vakuumwerte im Formhohlraum der Gießform zu erreichen, indem man
nacheinander den Formhohlraum mit zwei unterschiedlichen Vakuumpufferbehältern verbindet,
ohne dass die Behälter
selbst je miteinander verbunden werden dürfen. Diese Methode lässt weiterhin
zu, die Prozessstabilität
zu erhöhen
und den Prozess über
die Enddrücke
der Behälter
zu überwachen.
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In
der einfachsten Form des Vakuumdruckgießens wird das Vakuum über ein
an der Form befestigtes Entlüftungsventil
erzeugt. Erst nachdem der Gießkolben
während
der „ersten
Gießphase" die Einfüllöffnung überschritten
hat und so die Verbindung zur Außenatmosphäre unterbrochen wurde, kann
die Form auf Unterdruck gebracht werden. Die nach dem Überschreiten
verbleibende Prozesszeit ist im allgemeinen nicht ausreichend, um
einen Druckausgleich zwischen Formhohlraum und Pufferbehälter herzustellen
oder den Formhohlraum über
Vakuumpumpen effizient zu evakuieren. Weiter verschlechtert wird
das erreichte Vakuum durch die engen Querschnitte des Entlüftungsventils
und der Verbindungskanäle,
die in der Gießform
vom Formhohlraum zum Entlüftungsventil
hinlaufen. Auch Verengungen im Formhohlraum selbst können sich
diesbezüglich
negativ auswirken.
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Weiterhin
führen
Undichtigkeiten, insbesondere zwischen Gießkolben und Gießkammer,
zu schlechteren und schwankenden Vakuumwerten. Die Undichtigkeiten
variieren darüber
hinaus stark mit der Abnutzung des Kolbens und der Gießkammer und
hängen
von der Temperatur ab.
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Bei
dem Verfahren nach EP-OS 0 051 310 wurden diese Nachteile teilweise
dadurch behoben, dass bereits während
der Metallfüllung
das Vakuum appliziert wird und so mehr Zeit für das Erreichen eines tieferen
Vakuums zur Verfügung
steht. Allerdings wird auch die Dosiergenauigkeit stark durch die
Vakuumwerte, die Temperatur und Viskosität der Schmelze und die Beschaffenheit
der Metalldurchströmungsöffnungen
beeinflusst. Auch durch aufwändige
Steuerungen können
die entstehenden Schwierigkeiten bei der Dosierung nicht ganz überwunden
werden.
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Darüber hinaus
erfordert dieses Verfahren aufwändigere
und sorgfältiger
abgedichtete Formen und Kolben, da diese länger als beim üblichen
Vakuumdruckgießen
unter Vakuum stehen und Undichtigkeiten hierdurch an Bedeutung gewinnen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, die bekannten Vakuumdruckgießverfahren
zu verbessern, um die erwähnten
Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zum Druckgießen von Metallen, Metalllegierungen,
welche die Gussmasse (8) bilden, unter Beaufschlagung von
Vakuum, umfassend die Schritte:
- a Befüllen der
Gießkammer
(6) mit der Gussmasse (8)
- b Trennen des Gießkammerraumes
(5) von der Atmosphäre,
wobei
die Schritte a und b vertauscht werden können, und wobei das Verfahren
dadurch gekennzeichnet ist, dass die Trennung des Gießkammerraums
(5) von der Außenatmosphäre durch
eine von außen verschließbare Abdeckung
bewirkt wird. Die weiteren Ansprüche
stellen Ausgestaltungsformen dar.
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Das
verbesserte Verfahren nach Anspruch 1 erlaubt es, Undichtigkeiten
entlang des Kolbens in viel höherem
Maße zu
tolerieren. Auch Undichtigkeiten in der Form verlieren an Einfluss,
da die Zeitdauer der Vakuumanwendung verringert wird. Die erfindungsgemäß abschließbar ausgeführte Gießkammer ermöglicht es,
die Metalldosierung unabhängig
vom Vakuum mit hoher Genauigkeit durchzuführen. Durch die erfindungsgemäße Abdeckung
wird der in der Form erreichte Enddruck erniedrigt. Mit dem niedrigeren
Enddruck in der Form wird die im Gefüge des hergestellten Bauteils
eingeschlossene Gasmenge verringert. Die bisher notwendigen hohen
Metalldrücke
können
daher reduziert werden, da das verbleibende Restgas weniger stark
komprimiert werden muss, um eine gleiche Gefügegüte zu erreichen. Das Verfahren
ermöglicht
so eine Verbesserung der Bauteilgüte bei Druckguss von Metall
oder Metalllegierungen.
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Dieses
Verfahren kann in weiteren Ausführungsformen
verbessert werden, indem der Raum hinter dem Gießkolben evakuiert bleibt. Dieses
kann in einer Ausführungsform
dadurch erreicht werden, dass der Raum hinter dem Kolben eine Einheit
mit einer die Kammer abschließbaren
Haube bildet oder hiermit in Verbindung steht. Eine mit einer Haube
abschließbaren
Gießkammer
weist weiterhin den Vorteil auf, dass nachdem die Haube geschlossen
wurde, sofort mit der Vakuumerzeugung angefangen werden kann, während der
Kolben die Einfüllöffnung noch
nicht abgeschlossen hat. Hierdurch kann die Prozesszeit verkürzt werden,
indem der Kolben während
der ersten Gießphase
eine höhere
Geschwindigkeit aufweisen kann.
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Weiter
kann das Abdichten und Trennen des Gießkammerraums von der Atmosphäre durch
einen beweglichen Deckel, der die Einfüllöffnung abdeckt, geschehen.
Diese Ausführungsform
läßt ein schnelles
Abschließen
zu und ist besonders vorteilhaft, wenn Metall über eine Gießrinne durch
die Einfüllöffnung in
der Gießkammer
dosiert wird. Die Gießrinne oder
ein Verbindungsrohr zwischen Gießrinne und Gießkammer,
werden dann ebenfalls beweglich ausgeführt. Die Kombination Dosierofen
mit Gießrinne ist
aktuell eines der am meisten in Gießereien vorkommenden Dosiersysteme.
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In
einer Ausführungsform,
bei der ein Dosierpot auf der Einfüllöffnung aufgebaut ist, sind
Gießkammerraum
und Außenatmosphäre durch
ein (beheizten) abschließbaren
Dosierpot von einander getrennt. Hierbei dient der Dosierpot als
Vorratsbehälter für die zu
dosierende Gussmasse. Hierdurch wird der Dosiervorgang unabhängiger vom
restlichen Gießvorgang.
Die Gießkammer
kann so vor, während oder
nach dem Vakuumziehen oder Zuleiten von Schutz- oder Reaktionsgase
mit Metall befüllt
werden. Der Dosierpot selbst wird über eine abschließbare Öffnung befüllt (Deckel,
Rohr, Dosierkolben, ...) und kann ebenfalls unter Vakuum gebracht
oder mit Schutz- oder Reaktionsgase beaufschlagt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann vorteilhaft bei Metalllegierungen eingesetzt werden, die mehrheitlich
Aluminium enthalten, da gerade bei diesem Metall große Luftanteile
im Gefüge
die Weiterbearbeitung (bspw. Schweißen) erschweren, wenn nicht
sogar unmöglich
machen.
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Die
Erfindung soll anhand der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnungen
näher erläutert werden.
Die Beschreibung erfolgt am Beispiel eines zweistufigen Druckgussverfahrens,
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1:
Schnittzeichnung durch eine Druckgießmaschine, die zur Durchführung des
Verfahrens geeignet ist.
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2:
Verbesserung des Verfahrens durch Verschließen mittels einer Haube, gezeigt
sind die Schritte a) Befüllen
der Gießkammer
und b) Erzeugen des Vakuums.
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3:
Ausführungsform
mit Dosierrinne und Abschließmechanismus
an der Einfüllöffnung.
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4:
Ausführungsform
mit abschließbarem Dosierpot.
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Eine
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete Druckgießmaschine
ist in 1 gezeigt. Zwischen zwei Platten 22 ist
eine Form 21 eingespannt. Das zu fertigende Bauteil entsteht
durch Erstarren von Metall oder einer Metalllegierung in dem Formhohlraum 10.
In einer Gießkammer 6 läuft ein
Kolben 3, der die Masse flüssigen Metalls 8 durch
eine lineare Bewegung in den Formhohlraum drückt. Die Gießkammer
ist mit einer Einfüllöffnung 4 versehen,
durch die das flüssige
Metall vor der ersten Vakuumphase eingefüllt wird. Eine Haube 7 schließt von außen die
Gießkammer
und den Raum 9 innerhalb der Haube vakuumdicht ab. Eine
Zuleitung 15 mit einem Ventil 16 verbindet das
an der Gießform
angebrachte Entlüftungsventil 14 mit
dem Vakuumsystem 20. Über
diese Zuleitung wird Vakuum im Formhohlraum, dem Gießkammerhohlraum und
dem Raum innerhalb der Haube erzeugt. Das Vakuumsystem 20 kann
eine Anordnung von Vakuumpumpen und/oder Pufferbehältern sein,
beispielhaft ist eine Vakuumpumpe eingezeichnet.
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Ein
Teil des Verfahrens soll anhand 2 genauer
erläutert
werden. 2a zeigt den ersten Schritt,
in dem das Metall in Form einer Gussmasse 8 in die Gießkammer 6 eingefüllt wird.
In diesem Schritt ist die Haube 7 zurückgezogen und gibt die Einfüllöffnung 4 frei.
Im nächsten
Schritt in 2b ist die Haube 7 vorgeschoben
und schließt
der Gießkammerraum 5 vakuumdicht
ab. Kolbenseitig wird mit einer Durchführungsdichtung 2 an
der Kolbenstange 1 abgedichtet. Nun wird vom Vakuumsystem über den
Anschluss gemäß 1 Unterdruck
erzeugt, also über
Ventil 14 und Zuleitung 15.
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Eine
weitere Ausführungsform
bezieht sich auf das Befüllen
der Gießkammer
mit Metall. Dieses muss nicht zwingend vor der ersten Vakuumphase erfolgen.
Denkbar ist, eine Vakuumphase zum Dosieren der Gussmasse zu benutzen,
indem mit dem Vakuum das Metall in die Gießkammer eingesaugt wird, beispielsweise über ein
Steigrohr.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
werden anstelle einer Vakuumphase Schutz- oder Reaktionsgase in die Gießkammer
und/oder den Formhohlraum zugeleitet. Damit können Reaktionen der Gussmasse
mit Gasen vermieden werden, beispielsweise wird die Oxidation an
der Oberfläche
der Gusmasse stark unterbunden. Auch können Gase eingeleitet werden,
die gezielt mit der Gusmasse reagieren und Eigenschaften des Materials
verbessern.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
findet nach der ersten Vakuumphase keine Belüftung des Raumes innerhalb
der Haube statt. Der Unterdruck während einer oder weiteren Vakuumphasen
kann bestehen bleiben. Dadurch sind Undichtigkeiten entlang des
Kolbens weniger kritisch, mögliche
Leckagen führen
nicht zu einer dramatischen Verschlechterung des Vakuums.
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In
einer weiteren Ausführung
geschieht das Abdichten der Gießkammer
gegen die Atmosphäre nicht
durch ein lineares Verschieben der Haube wie in 2.
Vielmehr ist die Haube in dieser Ausführung als ein um die Achse
der Gießkammer 6 und
der Kolbenstange 1 drehbares Teil ausgestaltet. Durch eine Drehung
dieser Haube wird die Einfüllöffnung verschlossen.
Eine solche Haube erweist sich als vorteilhaft durch ihre kurze
Baulänge
und kurze Schließzeit.
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3 zeigt
eine Ausführung,
bei der die Einfüllöffnung 4 der
Gießkammer 6 über einen
Deckel 53 abgeschlossen werden kann und das Metall 8 über eine
bewegliche Gießrinne 51 in
der Gießkammer 6 dosiert
wird.
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5a zeigt den Prozeß während des Metalldosierens.
Nachdem die Gießkammer
mit Metall befüllt
wurde, wird die Gießrinne 51 vertikal
nach oben aus der Einfüllöffnung 4 gehoben,
so dass ein Deckel 53 unter der Gießrinne 51 eingedreht werden kann
und dann mit eine kurze vertikale Bewegung auf einen Deckelsitz 52 abgesenkt
werden kann. Hierdurch wird die Einfüllöffnung 4 abgedichtet
und es kann die Vakuumphase eingeleitet werden.
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Durch
die vertikale Bewegung der Gießrinne 51 und
die rotierende Bewegung des Deckels, wird verhindert das die Dichtfläche zwischen
Deckel und Deckelsitz mit heißem
Metall in Berührung
kommt oder verschmutzt wird. Die Dichtung 54 wird deshalb vorzugsweise
an der Unterseite des Deckels 53 angebracht. Um eventuell
abtropfendes Metall aufzufangen, ist oberhalb des Deckels 53 ein
Abtropfblech 55 angebracht.
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Alternativ
zu einer Bewegung der Gießrinne 51 selbst,
kann auch ein kurzes bewegliches Fallrohr 58 angebracht
werden, welches während
des Dosierens nach unten ausgefahren wird und so den Abstand zwischen
Auslauf der Gießrinne 51 und
Einfüllöffnung 4 überbrückt. Hiermit
soll verhindert werden, dass Metall seitig austreten oder spritzen
kann.
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Der
Raum hinter dem Kolben ist in der in 3 dargestellten
Ausführungsform
ebenfalls über eine
Verbindung 57 mit einer Vakuumzuleitung 12 und
dem Vakuumsystem verbunden.
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Bei
der Ausführung
in 4 handelt es sich um eine Lösung, bei der die Gießkammer über einen Dosierpot 61 mit
Metall befällt
wird. Über
den Dosierpot wird gleichzeitig die Trennung zwischen Außenatmosphäre und Gießkammerraum
hergestellt.
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Der
Dosierpot ist in einem ersten Schritt 4a bereits
mit Metall befüllt.
Nachdem die Form 21 geschlossen wurde, kann zu einem sehr
frühen Zeitpunkt
bereits eine Vakuumphase eingeleitet werden (4b).
Dieses geschieht in diesem Beispiel über die Zuleitung 12 zum
Vakuumsystem. Wahlweise kann der Dosierpotraum 63 unabhängig hiervon auf
einen bestimmten Unterdruck gebracht werden. Durch das Ziehen des
Stopfens 62 wird das Metall über die Einfüllöffnung in
die Gießkammer 6 dosiert. Eine
eventuell bestehende (positive) Druckdifferenz zwischen Dosierpotraum 63 und
Gießkammerraum 5 wird
hierbei den Dosiervorgang weiter beschleunigen.
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In 4d wird eine Variante des Dosierpots 61 gezeigt
mit verschließbarem
Deckel 64. Der Deckel kann, nachdem der Stopfen 62 die
Durchgangsöffnung
zuverlässig
abgeschlossen hat, geöffnet
werden. Es ist empfehlenswert mit der Öffnung des Deckels zu warten
bis auch der Kolben 3 die Einfüllöffnung 4 überfahren
hat um die Dichtigkeit des Gießkammerraums 5 nicht über eventuelle
Leckagen am Stopfen 62 zu gefährden. Danach kann der Dosierpot 61 zu
einem beliebigen Zeitpunkt wieder mit Gussmasse befüllt werden.
In Fällen
wo zum Beispiel im Dosierpotraum 63 unter Schutzgas gearbeitet
wird, kann am Dosierpot 61 anstelle über einem abschließbaren Deckel 64,
ebenfalls über
ein abschließbares Rohr
oder einen Dosierkolben befüllt
werden.
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Statt
eines Dosierpots könnte
in einer weiteren Ausführungsform
ebenfalls ein abschießbares Dosierrohr
oder einen Dosierkolben benutzt werden.