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Die
Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung zur
Herstellung offenporiger Schaumstrukturen aus Metall, Metalllegierungen,
Kunststoff oder Keramik mit oder ohne geschlossene Außenhülle nach
der Lehre des Patentanspruchs 1.
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Aus
dem Stand der Technik sind Gießvorrichtungen
bekannt, die gießfähiges Material,
beispielsweise Metall, Metalllegierungen, Kunststoff oder Keramik,
mit geeigneten Treibmitteln, z.B. Gasen im flüssigen Zustand aufschäumen, um
offenporige Bauteile herzustellen, die eine geringe Dichte und gleichzeitig
eine hohe Festigkeit aufweisen. Nachteilig an den Bauteilen, die
aus den bekannten Gießvorrichtungen
hervorgehen, ist, dass die eingebrachten Gasblasen sehr unkontrolliert
entstehen und unterschiedliche, nicht klar definierte Größen erreichen.
Des Weiteren ergibt sich das Problem, dass die eingepressten Gase
Blasen bis an die Oberfläche der
Bauteile entstehen lassen, so dass keine geschlossene Außenhaut
definierter Dicke hergestellt werden kann. Somit sind die mechanischen
Eigenschaften der Bauteile, die durch die bekannten Gießvorrichtungen
hergestellt werden, nur schwer vorhersehbar und einstellbar, und
die Ausbildung einer geschlossenen Außenhaut definierter Dicke nur
schwer oder gar nicht möglich.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Gießvorrichtung
zu schaffen, die das Ziel hat, offenporige Schaumstrukturen aus
Metall, Metalllegierungen, Kunststoff oder Keramik herzustellen,
die bei Bedarf eine geschlossene Außenhülle definierter Dicke aufweisen
können.
Des Weiteren ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, die Gießvorrichtung
mit möglichst
vielen Komponenten bekannter Gießvorrichtungen auszurüsten, so
dass eine einfache und kostengünstige
Möglichkeit
geschaffen ist, vorhandene Gießvorrichtungen
für die
Herstellung solcher offenporiger Schaumstrukturen umzurüsten.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Gießvorrichtung
nach der Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Gießvorrichtung
ist hierzu vakuumdicht ausgeführt
und umfasst eine Gießform,
eine Maschinensteuerung, eine Vakuumstation, eine Druckstation,
sowie Druckregelmittel, Einström-
und Füllregelmittel
und Vakuumregelmittel. Somit ist die Gießmaschine als Niederdruckgießmaschine
ausgelegt, die mit Hilfe eines einstellbaren Regeldrucks, der durch
eine Druckstation erzeugt wird und mittels Druckregelmittel in einen
Ofen geleitet werden kann, eine flüssige Schmelze in eine Gießform drückt. Die
Fließgeschwindigkeit
der Schmelze, sowie die Menge des einströmenden Materials in die Gießform lassen
sich dabei durch die Einström-
und Füllregelmittel
steuern. Durch ein Vakuum, das durch eine Vakuumstation erzeugt
wird und mittels Vakuumregelmittel gesteuert werden kann, werden
zum einen entstehende Gase aus der Gießform und dem Ofen abgezogen,
und zum anderen einen sehr feine Regelung der Höhe der Schmelze in der Gussform vorgenommen,
so dass die Qualität
des Gussvorgangs, insbesondere die Ausfüllung sehr feiner Strukturen
der in Form eines Kernstapels vorliegenden Gussinnenform, eingestellt
werden kann. Das Volumen der Vakuumstation ist dabei so auszulegen,
dass alle während
des Gießprozesses entstehenden
Kerngase und sonstigen gasförmigen Stoffe
innerhalb kürzester
Zeit aus der Form abgesaugt werden. Die Maschinensteuerung ermöglicht hierbei,
den Fülldruck,
Füllgeschwindigkeit,
Zu- und Abschalten den Vakuums und Nachdruck bei der Herstellung
der Schaumstruktur und der äußeren Bauteilhülle in beliebigen
Stufen frei zu wählen.
Somit steuert und regelt die Maschinensteuerung die Vakuumstation,
die Druckstation und bedient die Druckregelmittel, Einström- und Füllregelmittel,
sowie die Vakuumregelmittel. Einige der genannten Komponenten der
Gießvorrichtung
sind bereits in bekannten Niederdruckgießmaschinen vorhanden, so dass
diese sehr einfach für
den Einsatz der Herstellung offenporiger Schaumstrukturen umgerüstet werden
können.
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In
einer besonders ausgezeichneten Ausführungsform umfasst die Gießvorrichtung
des Weiteren Vakuumumschaltmittel, durch die ein gegeneinander schaltbares
Vakuum in Ofen und Gießform
gesteuert werden kann. Somit umfasst das Vakuumsystem neben der
Vakuumstation und den Vakuumregelmitteln, die den Vakuumdruck einstellen
können,
Vakuumumschaltmittel, die wahlweise ein Vakuum in Ofen oder Gießform erzeugen
können,
so dass die beiden Vakuum sinnvoll gegeneinander gesteuert werden
können,
um erwünschte
Gießeigenschaften
der Gießvorrichtung
zu ermöglichen.
Diese Vakuumumschaltmittel können
beispielsweise in Form von Vakuumventilen, Drosselklappen und Ähnliches
ausgeführt
sein.
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Prinzipiell
kann die Zuführung
der flüssigen Schmelze
in die Gießform
der Gießvorrichtung
beliebig erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die
Gießvorrichtung
vakuumdicht an einen wechselbaren Ofen angeschlossen werden kann.
So kann beispielsweise ein Gießofen, der
das Material auf Schmelztemperatur erhitzt für beliebige Zwecke einsetzbar
sein, und muss lediglich für
den Anschluss an die erfindungsgemäße Gießvorrichtung einen vakuumdichten
Anschlussflansch besitzen, durch den die flüssige Schmelze vom Ofen in
die Gießform
gelangen kann.
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Alternativ
zu der Möglichkeit
des vakuumdichten Anschlusses eines wechselbaren Ofens kann die
Gießvorrichtung
selbst einen Ofen umfassen. Somit ist der Ofen ein Bestandteil der
Gießvorrichtung,
und kann den gewünschten
Erfordernissen der Herstellung der offenporigen Schaumstrukturen angepasst
werden.
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Prinzipiell
kann die Schmelze von dem Ofen in beliebiger Weise in die Gießform eingebracht
werden. Besonders vorteilhaft jedoch kann die flüssige Schmelze über eine
keramisch ausgekleidete Verteilerbox mittels keramisch ausgekleideter
Füllstutzen an
einer oder mehreren Stellen in die Gießform einströmen. Die
Verteilerbox ermöglicht
hierbei die homogene Verteilung der Schmelze an die verschiedenen
Einlasspunkte. Diese Einlasspunkte der flüssigen Schmelze in die Gießform sind
als keramisch ausgelegte Füllstutzen
vorgesehen und sorgen dafür, dass
alle Bereiche der Gießform
gleichermaßen
mit flüssiger
Schmelze befüllt
werden und somit eine homogene Materialverteilung sowie eine gleichmäßige Erstarrung
des Bauteils ermöglicht
wird.
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Alternativ
zu der Verwendung einer Verteilerbox kann jedoch auch in vorteilhafter
Weise die flüssige
Schmelze direkt vom Ofen über
Steigrohre in die Gießform
gelangen. Durch eine direkte Zuführung von
Ofen über
Steigrohre in die Gießform
werden zusätzliche
Komponenten wie Verteilerbox und Füllstutzen überflüssig, und der Einströmvorgang
kann durch Regelung der Druck- und Vakuumverhältnisse in der Gießform und
in den Steigrohren exakter dosiert werden.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vakuumstation mindestens
einen bestimmten, vorher festgelegten Vakuumdruck erzeugt, um alle
während
des Gießprozesses
entstehenden Kerngase und sonstigen gasförmigen Stoffe innerhalb kürzester
Zeit aus der Gießform
abzusaugen. Somit muss die Vakuumstation einen vorher festlegbaren,
und von Größe des Ofens
und der Gießform abhängigen Vakuumdruck
erzeugen können,
der sicherstellt, dass alle Gase, die die Qualität des Gießgutes negativ beeinflussen
können,
zuverlässig
abgesaugt werden, so dass die flüssige
Schmelze alle Bereiche der Gießform
sicher und gleichmäßig befüllen kann.
Des Weiteren sorgt die Vakuumstation durch einen Mindestvakuumdruck
dafür,
dass die Schmelze auch in feinste Bereiche der Gießinnenform,
die beispielsweise in Form eines aus einzelnen Kernkörpern bestehenden
Kernstapels aufgebaut ist, einfließt, und alle Zwischenräume zuverlässig füllt.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der
Gießvorrichtung
sieht vor, dass die Gießform
Halterungs- und Fixiermittel zur Halterung und Fixierung einer Gießinnenform,
beispielsweise eines Kernstapels, umfasst, wobei der Kernstapel
aus miteinander verbundenen einzelnen Kernkörpern besteht, so dass die
Halterungs- und Fixiermittel eine definierte Positionierung des
Kernstapels im Inneren der Gießform
und einen definierten Abstand des Kernstapels von der Innenwandung
der Gießform
sicherstellt. Dies bedeutet, dass der Kernstapel, der zur Sicherstellung
der offenporigen Struktur des gegossenen Bauteils notwendig ist,
in einer definierten Lage innerhalb der Gussform gehalten und somit
die gleichmäßige und
definierte Verteilung der Poren innerhalb des Bauteils sicherstellt.
Durch die Fixierung des Kernstapels in einer gewissen Position kann
ein definierter Zwischenraum zwischen Gießforminnenwand und Kernstapel
geschaffen werden, der sicher stellt, dass eine gewünschte Außenhaut
definierter Dicke gegossen werden kann. Des Weiteren können durch die
fixierte Halterung des Kernstapels im Inneren der Gießform, Bereiche
die durch die Schmelze voll ausgefüllt werden, an definierten
Positionen geschaffen werden, beispielsweise um einen massiven Kern
eines Bauteils zu schaffen, oder gewisse erwünsch te Dichteänderungen
des Bauteils an fest vorgegebenen Positionen zu erreichen.
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Daran
anschließend
und darüber
hinaus ist es wünschenswert,
wenn die Gießvorrichtung
innerhalb der Gießform
weitere Halterungs- und Fixiermittel zur Halterung und Fixierung
vorgefertigter Bauteilkomponenten, insbesondere Kühlkanalstrukturen oder
Anschlussstrukturen umfasst, die durch die flüssige Schmelze in dem Bauteil
eingegossen, bzw. an dem Bauteil angegossen werden können. Durch
diese zusätzlichen
Halterungs- und Fixiermittel lassen sich somit gewisse Bauteilkomponenten,
wie Kühlkanalstrukturen,
z.B. Kühlschlangen
oder Anschlussstrukturen, z.B. Flansche, Verteiler oder sonstige Führungsmittel
für Flüssigkeiten
oder Gase innerhalb des Bauteils direkt eingießen. Auf Grund der großen Oberfläche offenporiger
Strukturen eignen sich diese vorzüglich als Wärmetauscher, beispielsweise
im Einsatz in Kühl-
oder Klimageräten
oder im Fahrzeugbau. Innerhalb dieser Bauteile müssen hierzu definierte Durchströmwege für Flüssigkeiten
oder Gase, die gekühlt
oder erhitzt werden sollen, geschaffen werden. Diese Durchströmkanäle können in Form
von Kühlschlangen
bereits vorgefertigt und direkt in das offenporige Bauteil eingegossen
werden. Hierzu müssen
sie jedoch in einer definierten Lage innerhalb der Gießform fixiert
werden. Mit Hilfe solcher Fixier- und Halterungsmittel, die in der
Gießform angebracht
werden, lassen sich diese in einer definierten Position innerhalb
des Kernstapels in der Gießform
anbringen und fixieren und werden im Laufe des Gießvorgangs
zusammen mit dem Kernstapel eingegossen, so dass sich eine komplette
Kühler- oder
Heizstruktur mit vorgefertigten Durchflusskanälen ergibt. Solche eingegossene
Führungsstrukturen weisen
einen optimalen Wärmeaustauschkoeffizient mit
dem offenporigen Bauteil aus und erreichen somit eine optimale Wirkung
des Wärmetauschers.
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Eine
weitere denkbare Ausführungsmöglichkeit
der Gießvorrichtung
kann eine Heizeinrichtung zur Aufheizung des Kernstapels umfassen,
die den Kernstapel auf Ofentemperatur erhitzt, um die Fließfähigkeit
der Schmelze im Kernstapel zu gewährleisten. Dies kann beispielsweise
dadurch realisiert sein, dass die Gießform mit eingelegtem Kernstapel
auf Ofentemperatur erhitzt wird, so dass die flüssige Schmelze ihre Viskosität beim Einströmen in die Gießform behält und somit
kleinste Bereich innerhalb des Kernstapels ausfüllen kann.
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Eine
weitere denkbare Ausführungsform
der Gießvorrichtung
sieht vor, dass die Gießvorrichtung eine
Ausschwemmeinrichtung und/oder eine Vibrationseinrichtung umfasst,
die durch Ausschwemmen mit Wasser und/oder durch Vibration das Kernstapelmaterial
aus dem Bauteil entfernt. Nach dem Ausgießen der Gießform ist der Kernstapel durch
das Material ausgegossen. Das Kernstapelmaterial muss dann aus dem
Bauteil entfernt werden, um die offenporige Struktur entstehen zu
lassen. Besonders einfach geschieht dies nach Erhärten der
Schmelze durch Vibration des Bauteils oder durch Ausschwemmen mit
Wasser, so dass das Kernstapelmaterial aus dem Bauteil entfernt
wird. Dazu wird mindestens eine Seite des Bauteils ohne Außenhaut
erzeugt, oder es kann nachträglich
die Außenhaut
an geeigneter Stelle wieder geöffnet
werden, so dass das Kernstapelmaterial rückstandsfrei entfernt werden
kann. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Kernstapel ein einfach
zusammenhängendes
Gebilde ist, so dass alle Kernkörper
des Kernstapels miteinander verbunden sind. Somit genügt eine
einzige Stelle, an der das Kernstapelmaterial herausgespült werden
kann, da alle Kernkörper
miteinander verbunden sind und es somit immer einen Weg gibt, das
gesamte Kernstapelmaterial aus allen Bereichen des Bauteils von einer
einzigen Stelle aus entfernen zu können.
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Mit
einer solch ausgestalteten Gießvorrichtung
ist es möglich,
offenporige metallische, keramische oder Kunststoffschaumstrukturen
mit oder ohne äußere umgebende
Hülle zu
schaffen, wobei die Schaumstrukturen in jeder beliebigen Größe und Abmessung
hergestellt werden können.
Des Weiteren können
in die Schaumstrukturen Spiralrohre, Rohre oder Ähnliches zur Herstellung von
Wärmetauschern direkt
eingegossen werden. Die umgebende Hülle der Schaustruktur kann
dabei in beliebiger Größe und Abmessung
hergestellt werden, insbesondere können dabei auch sehr geringe
Wandstärken
bis minimal 0,5 mm ausgeführt
werden. Somit kann die umgebende Hülle in einer solchen Güte und Qualität hergestellt
werden, dass sie auch in Bereichen sicherheitsrelevanter Teile berechenbar
eingesetzt werden kann. Die Füllung
der Form und Absaugung von Gasen ist dabei durch Kombination gegeneinander
geschalteter Vakuum in Ofen und Gießform möglich und kann durch einen
frei einstellbaren Nachdruck geregelt werden. Dabei kann die vakuumdichte Gießform und
der vakuumdichte Ofen mit einer Überdruckregelung
versehen sein.
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Im
Folgenden wird die Erfindung an Hand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
zeigender Zeichnung näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 in
schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Gießvorrichtung.
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In 1 ist
schematisch eine Ausführungsform
einer Gießvorrichtung 01 dargestellt.
Die Gießvorrichtung 01 umfasst
dabei eine Gießform 09,
eine Maschinensteuerung, die nicht dargestellt ist, eine Vakuumstation 03,
eine Druckstation 04 sowie Druckregelmittel 06,
Einström-
und Füllregelmittel 08 und Vakuumregel-
und umschaltmittel 05. In einem Ofen 02 wird das
Gießmaterial
zu einer flüssigen
Schmelze 07 erhitzt, die schraffiert dargestellt ist. Diese
flüssige
Schmelze 07 gelangt über
ein Steigrohr 17 in die Gießform 09. Ofen 02,
Gießform 09 und
sonstige Komponenten der Gießvorrichtung 01 sind
mittels Vakuumdichtungen 18 vakuumdicht miteinander verbunden.
Die Gießform 09 ist
durch eine Gießformtrennfuge 12 in
zwei Teile geteilt, die obere Gießform 10 und die untere
Gießform 11.
Zur Trennung der beiden Gießformteile 10, 11 ist
eine Gießformhebe-/-senkeinrichtung 13 vorgesehen,
die die obere Gießform 10 von
der unteren Gießform 11 an
der Gießformtrennfuge 12 abheben
kann. Die Vakuumstation 03 erzeugt ein Vakuum, das gesteuert
durch die Vakuumregel- und umschaltmittel 05 über eine Gießformvakuumabführung 14 ein
Vakuum in der Gießform 09 erzeugen
kann. Des Weiteren kann ein Vakuum, gesteuert durch die Vakuumregel-
und umschaltmittel 05 im Inneren des Ofens 07 erzeugt
werden, dass durch eine Ofenvakuumabführung 15 abgeleitet
wird. Mit Hilfe der Vakuumstation 03 werden alle während des
Gießprozesses
entstehenden Kerngase und sonstige gasförmige Stoffe innerhalb kürzester
Zeit aus der Gießform 09 und/oder
auch aus dem Ofen 02 abgesaugt. Neben der Vakuumstation 03 ist
eine Druckstation 04 angeordnet. Diese erzeugt einen Druck,
der über
eine Ofendruckzuführung 16 in
den Ofen eingeleitet wird, um die flüssige Schmelze 07 unter
Druck zu setzen, so dass die flüssige
Schmelze 07 in dem Steigrohr 17 in die Gießform 09 aufsteigen
kann. Der Druck der in dem Ofen 02 erzeugt wird, kann durch
das Druckregelmittel 06 eingestellt werden. Mit Hilfe von
Füllregelmittel 08 kann
die Einströmgeschwindigkeit
und die Füllungsmenge
der Schmelze 07, die in die Gießform 09 eindringt,
geregelt werden.
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Dabei
funktioniert die Niederdruckgießmaschine
wie folgt: Die flüssige
Schmelze 07 steigt durch freiwählbare Parameter bezüglich Druck,
Unterdruck und Geschwindigkeit, die über die Druckregelmittel 06,
Vakuumregelmittel 05, Einström- und Füllregelmittel 08 eingestellt
werden können, über das
Steigrohr 17 bis zur Gießform 09 auf. Zu einem für jedes
Bauteil separat festgelegten Zeitpunkt wird das nach Höhe und Volumenstrom
regelbare Vakuum, das durch die Vakuumstation 03 erzeugt
wird, zugeschaltet. Die Füllung
des Kernstapels zur Erzeugung der Schaumstruktur erfolgt bis zu
einem für
das Bauteil festgelegten Zeitpunkt unter Vakuum. Zur Verdichtung
und porenfreien Herstellung der äußeren Hülle des
Bauteils wird das Vakuum der Vakuumstation 03 durch die
Vakuumregelmittel 05 wieder abgeschaltet, und die weitere
Formfüllung
und Nachverdichtung erfolgt über
freiwählbare
Parameter bezüglich
Füllgeschwindigkeit
und Fülldruck,
die über das
Füllregelmit tel 08 und
Druckregelmittel 06 der Druckstation 04 eingestellt
werden können.
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- 01
- Gießvorrichtung
- 02
- Ofen
- 03
- Vakuumstation
- 04
- Druckstation
- 05
- Vakuumregel-
und -umschaltmittel
- 06
- Druckregelmittel
- 07
- Schmelze
- 08
- Füllregelmittel
- 09
- Gießform
- 10
- Obere
Gießform
- 11
- Untere
Gießform
- 12
- Gießform-Trennfuge
- 13
- Gießform Hebe-/Senkeinrichtung
- 14
- Gießform-Vakuumabführung
- 15
- Ofen-Vakuumabführung
- 16
- Ofen-Druckzuführung
- 17
- Steigrohr
- 18
- Vakuumdichtung