DE10317762B4

DE10317762B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung und Verarbeitung von metallischer Schmelze

Info

Publication number: DE10317762B4
Application number: DE2003117762
Authority: DE
Inventors: Jochen Zwiesele; Bernd Tröger
Original assignee: Krauss Maffei Kunststofftechnik GmbH; Demag Ergotech GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH; Sumitomo SHI Demag Plastics Machinery GmbH
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2023-04-18
Also published as: DE10317762A1

Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen und Verarbeiten von Schmelze, insbesondere metallischer Schmelze, umfassend eine Plastifiziereinrichtung (10) mit einem Plastifizierzylinder (12) und zumindest einer Plastifizierschnecke (14), wobei die Plastifiziereinrichtung (10) einen Materialzufuhrbereich (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an den Zufuhrbereich (15) ein Kanal (32) einer Zufuhreinrichtung (20) angekoppelt ist, welcher zur Aufnahme und Weiterleitung von stückgutförmigem Material (40) ausgebildet ist und in einem Bereich nahe dem Zufuhrbereich (15) eine Heizeinrichtung (38) aufweist, wobei der Durchmesser des Kanals (32) so gewählt ist, dass nur jeweils ein stückgutförmiges Material in der Breite des Kanals (32) aufgenommen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen und Verarbeiten von Schmelze gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 13. Überdies betrifft die Erfindung Stückgutmaterial zur Verwendung in einer solchen Vorrichtung oder in einem solchen Verfahren.
Es ist bekannt, mittels Spritzgussmaschinen oder Extrudervorrichtungen Schmelze oder Schmelze/Feststoffmischungen zu erzeugen, die dann durch druckbeaufschlagte Verbringung in eine Form in eine vordefinierten und gewünschte Ausgestaltung gebracht wird. Hinreichend bekannt sind Vorrichtungen und Verfahren im Kunststoffbereich. Die Spritzgießtechnik wird jedoch auch bereits bei metallischen Schmelzen, also bei Schmelzen bestehend aus Metallen oder Metalllegierungen (z. B. Magnesium oder Magnesiumlegierungen, Aluminium oder Aluminiumlegierungen) verwendet. Bei den bekannten Vorrichtungen oder Verfahren wird ein Ausgangsmaterial meist in Pulver-, Granulat- oder Spanform einer Plastifiziereinrichtung zum Aufschmelzen und Homogenisieren des Materials zugeführt.

Bei metallischen Ausgangsmaterialien oder Ausgangsmaterialien in Form von Metalllegierungen eignen sich pulverförmige Stoffe nur wenig. Aus diesem Grund werden bisher vorzugsweise Materialien in Granulatform bzw. in Spanform zugeführt. In diesem Zusammenhang verweisen wir beispielsweise auf die EP 0 666 783 , bei der die Verwendung von granulatförmigen Material mit bestimmten physikalischen Eigenschaften beschrieben wird, oder die US 5,040,589 .

Eine Übersicht von Verfahren und Vorrichtungen ist auch der DE 695 08 581 T2 , insbesondere dem einleitenden Teil, zu entnehmen.

In der DE 199 18 231 ist ein Verfahren zum Herstellen von Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen beschrieben. Dabei wird eine Schmelze einem Doppelwellenextruder zugeführt und im Anschluss an den Doppelwellenextruder weiterverarbeitet.

Die DE 199 07 118 beschreibt eine allgemeine Spritzgießvorrichtung für metallische Werkstoffe. Dabei wird einem Extruder ein Granulat zugeführt.

Aus der nachveröffentlichten DE 102 36 794 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von metallischen Materialien bekannt, bei dem/der ein festes metallisches Material in einem ersten Behälter mittels einer induktiven Heizvorrichtung auf eine Temperatur oberhalb Solidus erwärmt wird, und das so aufbereitete metallische Material einem Vorratsbehälter zugeführt und von dort in eine Einspritzeinrichtung eingespeist wird.

Nachteilig bei den bisherigen Ausgangsmaterialien ist, dass diese relativ teuer hergestellt werden müssen. Überdies nimmt die Sicherheitsproblematik beispielsweise bei Magnesium oder Magnesiumlegierungen mit größerer Oberfläche zu.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereit zustellen, mit der bzw. dem sich Schmelze leicht und kostengünstig erzeugen und verarbeiten lässt und welche bzw. welches sicherheitstechnisch Vorteile bietet. Überdies sollte die Energieeinbringung in das Ausgangsmaterial möglichst verbessert werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 14 genannten Merkmale vorrichtungs- bzw. verfahrensmäßig gelöst.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, dass das Ausgangsmaterial nicht wie herkömmlicher Weise in Pulver-, Granulat- oder Spanform bereit gestellt wird. Vielmehr wird das Ausgangsmaterial in massiver Stückgutform in einer definierten Geometrie, beispielsweise als Barren, Tabletten, Zylinder etc., bereit gestellt. Dieses Stückgutmaterial kann bei entsprechender Ausbildung der Vorrichtung bzw. Durchführung des Verfahrens ohne weiteres verwendet werden. Das stückgutförmige Material ist – insbesondere bei der Verwendung von Metallen oder Metalllegierungen – besonders leicht durch Bandgießen herzustellen. Vorzugsweise weisen diese Formen Entformungsschrägen auf, so dass sich das Material ohne weiteres aus den Formen lösen lässt.

Eine Möglichkeit für die Herstellung von Bolzen oder Barren mit besonderen Eigenschaften ist der DE 199 10 365 zu entnehmen.

Im Bereich der Materialzufuhr zur Plastifiziereinrichtung liegt dann vorzugsweise ein einzelnes Stückgut-Teil vor.

Um das stückgutartige, massive Material in den Extruder verbringen zu können, ist ein Aufheizen dieses Materials vor der Zuführung zu einer Plastifiziereinrichtung wesentlich. Dieses Aufheizen soll vorzugsweise bis kurz unterhalb der Liquidustemperatur des jeweils verwendeten Materials erfolgen, so dass es zwar weich und plastisch jedoch noch nicht flüssig vorliegt. Das relativ weiche Material kann dann – evtl. unter Druck – in die Plastifiziereinrichtung eingeführt werden. Zu diesem Zweck kann die Plastifizierschnecke in diesem Bereich, dem Materialzufuhrbereich – so ausgebildet sein, dass das Ausgangsmaterial von der Stückgutform abgehobelt, abgefräst, abgerieben oder auf andere Art und Weise abgenommen wird.

Die Beheizung des Ausgangsmaterials vor dem Einführen kann beispielsweise in Form einer Widerstandheizung oder einer induktiven Heizung vorgesehen sein. Natürlich können auch andere Heizmöglichkeiten ausgenutzt werden. Die in die Plastifiziereinrichtung eingeführten Ausgangsmaterialien können dann ohne weiteres in der üblichen Weise aufgeschmolzen und homogenisiert werden.

Besonders bei hochbrennbaren und leicht entzündlichen Materialien wie Magnesium kann es wichtig sein, den Bereich der Zuführeinrichtung mit einem Spülgas, z. B. Argongas, zu versorgen.

Überdies ist das Vorsehen eines Temperatursensors im Bereich der Zuführeinrichtung, in dem das Ausgangsmaterial erhitzt wird, sinnvoll. Dadurch kann eine Temperaturregelung durchgeführt werden, so dass eine Erhitzung des Ausgangsmaterials über die Liquidustemperatur oder zu geringe Temperatur vermieden wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung, des Verfahrens oder Stückgutmaterials sind in den Ansprüchen definiert.

Die Erfindung nachfolgend anhand eines einfachen Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
1: eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2a und 2b mögliche Stückgutformen für das Ausgangsmaterial.
Die vorliegende Ausführungsform gemäß 1 zeigt in schematischer Weise einen hinteren Teil einer an sich bekannten Plastifiziereinrichtung 10 mit einem Plastifizierzylinder 12 und einer darin zumindest drehbar aufgenommenen Plastifizierschnecke 14. Die Plastifizierschnecke 14 wird über einen mit dieser gekoppelten Motor 16 rotatorisch angetrieben. Der vordere Bereich der Plastifiziereinrichtung 10 ist vorliegend nicht dargestellt. Bei der Plastifiziereinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Spritzgießeinrichtung handeln. In diesem Fall müsste die Schnecke 14 im Plastifizierzylinder 12 noch linear in einem Bereich nach vorne und zurück verschoben werden können. Ist die Plastifiziereinrichtung in Extruderform ausgebildet so reicht ein rotatorischer Antrieb der Plastifizierschnecke aus. Die Einspritzung würde dann über einen gesondert angeordneten (nicht dargestellten) Einspritzkolben erfolgen können. Der Pfeil unterhalb der Plastifiziereinrichtung deutet die Förderrichtung nach vorne an. Um den Plastifizierzylinder 12 sind noch Heizbänder 18 zum, möglicherweise zusätzlich erforderlichen, Aufheizen des Materials 50 in der Plastifiziereinrichtung 10 vorgesehen. Die Plastifiziereinrichtung 10 umfasst an ihrem hinteren Ende einen Materialzufuhrbereich 15, der im wesentlichen in Form einer runden Öffnung ausgebildet ist.
An den Zufuhrbereichen 15 ist vorliegend eine Zufuhreinrichtung 20 angekoppelt, die der Zuführung des Ausgangsmaterials zur Plastifiziereinrichtung 10 dient. Das Ausgangsmaterial liegt im vorliegenden Fall in Form von Tabletten vor, wie sie größer in
2a dargestellt sind. Die Tabletten besitzen eine im wesentlichen kreisrunde Form und sind an ihren Umfangsseiten abgeschrägt. Hergestellt werden sie durch einen Gießprozess. Durch die Abschrägung der Form ist ein leichtes Entnehmen aus einer Gießform möglich. Alternativ könnten auch andere Stückgutformen wie beispielsweise diejenige aus 2b verwendet werden. Diese Stückgutform ist durch rein zylindrische Form ausgezeichnet. Natürlich können auch andere stückgutartige Formen, wie z. B. Barren etc. Verwendung finden.
Zurückkehrend zur Ausführungsform der 1 umfasst die Zufuhreinrichtung aus einem sogenannten Stopfbereich 24 und einer Stapelstation 22. Die Stopfvorrichtung 24 weist einen unteren, mit dem Materialzufuhrbereich 15 verbundenen Kanal 32 zur Aufnahme der vorliegend verwendeten Materialtabletten auf. Dabei ist der Durchmesser des Kanals 32 gerade so gewählt, dass in der Breite nur jeweils eine einzige Tablette aufgenommen ist, die sich ohne Behinderung durch diesen Kanal 32 bewegen kann. Insgesamt ist so ein verschieblicher Tablettenstapel im Kanal 32 aufgenommen. Im oberen Bereich der Stopfvorrichtung 24 ist ein Kolben 34 angeordnet, der nach oben und unten verschoben werden kann und zur Druckbeaufschlagung der in dem Kanal 32 angeordneten Tablettenreihen nach unten vorgesehen ist. Durch die Druckbeaufschlagung des Kolbens 34 nach unten, können die Tabletten in die Plastifiziereinrichtung 10 eingedrückt werden. Die Betätigung des Kolbens 34 kann hydraulisch, elektrisch oder mechanisch erfolgen. Die Höhe der Betätigung entspricht vorliegend im wesentlichen der Dicke einer Tablette.
In dem vertikal ausgeführten Zufuhrkanal der Stopfeinrichtung mündet ein horizontaler Kanal 26 der Stapelstation, der ebenfalls Tabletten aufnimmt und diese von einem wiederum vertikalen Kanal 28 erhält. Der Kanal 28 dient im wesentlichen als Materialspeicher zur Aufnahme von zu verarbeitenden Tabletten. Am rechten Ende des Kanals 26 ist ein weiterer kleiner Kolben 30 vorgesehen, der die Tabletten in 1 nach links fördert.
Der gesamte Bereich des Kanals 26 sowie 32 ist im wesentlichen gasdicht verschlossen und mit Inertgas gefüllt. Dies ist insbesondere bei der Verarbeitung von Stoffen wie Magnesium wichtig.
Im unteren Bereich der Stopfeinrichtung 24 bzw. des Kanals 32 ist eine Heizeinrichtung 38 vorliegend in Form von Heizspiralen vorgesehen. Um die Tabletten in diesen Abschnitt des Kanals zu erwärmen.
Nachfolgend wird die Betriebsweise bei der Vorrichtung gemäß 1 beschrieben: Die Tabletten werden zunächst in den als Materialspeicher dienenden Schacht 28 eingeführt und bilden einen Tablettenstapel. Der Kolben 30 jeweils schiebt die jeweils unterste Tablette des Tablettenstapels aus dem Schacht 28 bei einer freiwerdenden Position nach links und wird dann wieder zurückgezogen, so dass die Tabletten aus dem Tablettenstapel im Kanal 28 nach unten rutschen. Durch die Bewegung des Kolbens 30 werden alle Tabletten im Kanal 26 nach links bewegt und – bei einer freiwerdenden ersten Position – im Stopfkanal 32 wird die letzte Tablette in die Position unterhalb des zurückgefahrenen Kolbens 34 verfahren. Der Kolben 34 übt auf den Tablettenstapel im Schacht 32 ansonsten einen Druck in Richtung der Plastifiziereinrichtung 10, insbesondere des Zufuhrbereiches 15 aus, so dass die in dem schachtförmigen Kanal 32 befindlichen Tabletten 40 sukzessive in die Plastifiziereinheit 10 verbracht werden.
Bei dieser Verbringung durchfahren die Tabletten 40 einen unteren Bereich der Stopfeinrichtung 20 und werden von der Heizeinrichtung 38 auf eine Temperatur T unterhalb der Liquidustemperatur des jeweiligen Materials erhitzt. Durch diese Erhitzung werden die Tabletten weich und können auf relativ einfache Weise von der Schnecke 14 im Zufuhrbereich 15 eingezogen werden.
Der Einzug der einzelnen Tabletten geschieht dabei nicht in der vollständigen Form. Vielmehr werden die Tabletten von der entsprechend ausgebildeten Schnecke 14 abgehobelt, abgespant, abgerieben oder anderweitig abgetragen. Beim weiteren Erwärmen und temperieren werden die dendritischen Strukturen der Metalllegierung unter Rühren in feinere Strukturen umgewandelt.
Ist jeweils eine Tablette 40 vollständig in die Plastifiziereinrichtung 10 verbracht, so wird der Kolben 34 um etwa eine Dicke einer Tablette 40 zurückverfahren, so dass die nächste Tablette über die Betätigung des Kolbens 30 in den Schacht 32 verschoben werden kann.
Mit der vorliegenden Erfindung ist eine kostengünstige Möglichkeit geschaffen, Schmelze, insbesondere metallische Schmelze im teilgeschmolzenen Bereich aus Stückgutmaterial zu erzeugen. Das Stückgutmaterial kann einfach und günstig hergestellt werden und weist eine größere sicherheitstechnische Unbedenklichkeit auf als Granulat, Späne oder pulverförmiges Material.

10: Plastifiziereinrichtung
12: Plastifizierzylinder
14: Plastifizierschnecke
16: Antriebsmotor
18: Heizbänder
20: Zufuhreinrichtung
22: Stapelstation
24: Stopfeinrichtung
26: horizontaler Kanal
28: vertikaler Kanal
30: Zufuhrkolben
32: Zufuhrschacht
34: Stopfkolben
36: Pfeil
38: Heizeinrichtung
40: Materialtabletten
50: Schmelze

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen und Verarbeiten von Schmelze, insbesondere metallischer Schmelze, umfassend eine Plastifiziereinrichtung (10) mit einem Plastifizierzylinder (12) und zumindest einer Plastifizierschnecke (14), wobei die Plastifiziereinrichtung (10) einen Materialzufuhrbereich (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an den Zufuhrbereich (15) ein Kanal (32) einer Zufuhreinrichtung (20) angekoppelt ist, welcher zur Aufnahme und Weiterleitung von stückgutförmigem Material (40) ausgebildet ist und in einem Bereich nahe dem Zufuhrbereich (15) eine Heizeinrichtung (38) aufweist, wobei der Durchmesser des Kanals (32) so gewählt ist, dass nur jeweils ein stückgutförmiges Material in der Breite des Kanals (32) aufgenommen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das stückgutförmige Material in einer definierten Geometrie ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der sich unmittelbar am Zufuhrbereich (15) anschließende Teil der Zufuhreinrichtung als Schacht ausgebildet ist, um dessen Umfang die Heizeinrichtung (38) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor in der Zufuhreinrichtung (20) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (20) einen Stopfkolben (34) zum Verschieben des Materials in der Zufuhreinrichtung (20) zum Zufuhrbereich (15) der Plastifiziereinrichtung (10) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, die Heizeinrichtung (38) als induktive Heizeinrichtung oder als Widerstandsheizeinrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (20) einen Speicherbereich (22) für das Material aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbereich (22) eine Fördereinrichtung (30) zur Förderung des Stückguts durch die Zufuhreinrichtung (20) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbereich (22) einen weiteren Kolben (30) zum Verschieben des Stückgutes in Richtung des Stopfkolbens (34) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (20) zur Aufnahme und zum Transport von tablettenförmigem oder zylinderförmigem Material ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifizierschnecke (14) im Bereich des Zufuhrbereiches (15) als Zerkleinerungseinrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (20) zur Einleitung von Spülgas, insbesondere Edelgasen, in die mit Material befrachteten Teile ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinrichtung (10) mit einer oder mit zwei Schnecken (14) ausgeführt ist.
Verfahren zum Erzeugen und Verarbeiten von Schmelze, insbesondere metallischer Schmelze, bei dem ein bestimmtes Material einer Plastifiziereinrichtung mit einem Plastifizierzylinder und zumindest einer Plastifizierschnecke über einen Materialzufuhrbereich zugeführt wird, als Material stückgutförmiges Material verwendet und das Material vor dem Einbringen in die Plastifiziereinrichtung auf eine Temperatur unterhalb der Liquidtemperatur erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Material bei der Einbringung in die Plastifiziereinrichtung von der oder den Plastifizierschnecken zerkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Material ein Material in Tablettenform oder in zylindrischer Form verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material induktiv oder mittels einer Widerstandsheizeinrichtung aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Material in die Plastifiziereinrichtung unter Druck eingeschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Material bei der Einbringung in die Plastifiziereinrichtung von der oder den Plastifizierschnecken geraspelt, gerieben oder abgehobelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Material während der Zufuhr zur Plastifiziereinrichtung mit Schutzgas umspült wird.