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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Werkstücken
in Druckguss.
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Mit
Druckguss ist ein Gießverfahren
bezeichnet, bei dem flüssiges
Metall (z.B. Zink-, Aluminium-, Magnesium- oder Kupferlegierungen)
unter relativ hohem Druck seitens eines Gießantriebes in eine mehrteilige für das Gießen geschlossene
metallische Dauerform (Warmarbeitsstahl) gepresst wird. Der Formfüllvorgang beruht
auf der Umsetzung der auf das flüssige
Metall durch den Gießkolben
wirkenden Druckenergie in kinetische Energie. Die Zuhaltekraft der
Dauerform durch die Maschine muss der Sprengkraft des Gießvorganges entgegenwirken.
Die Sprengkraft Fs resultiert aus dem Gießdruck pg, der bei der Formfüllung erreicht wird und der
Sprengfläche
As des Bauteiles (die Formel zur Berechnung
lautet: (1) Fs = As ☐ pg).
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Maßgebend
für den
Gießdruck
ist der Druck, mit der die Druckgießvorrichtung den Gießkolben
antreibt. Aus dem Druck seitens der Vorrichtung und der Gießkolbenfläche ergibt
sich der wirksame Gießdruck, der über das
flüssige
Metall übertragen
(Sprengfläche
des Bauteils As), die Form aufzudrücken versucht. Mit diesem Druck
muss die Druckgießmaschine
(mit einem Sicherheitszuschlag von ca.10-25 %) die Dauerform mindestens
zusammendrücken.
Aus dieser Tatsache resultieren unterschiedliche Größen von
Druckgießmaschinen
(Einteilung nach Schließkraft)
auf denen nur Bauteile der jeweiligen Größe, d.h. der benötigten Schließkraft produziert
werden können.
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Der
Wettbewerbsvorteil von Druckguss zu anderen bestehenden Gießverfahren
besteht in der Möglichkeit,
dünnwandige,
maßgenaue
Gusstücke
von hoher Oberflächenqualität herzustellen.
Da jedoch die Erstarrungszeit des Gießmetalls mit dem Quadrat der
Wandstärke
und der hohen Wärmeabgabe
des Gießmetalls
an die Gießform
korreliert, sind für
das Gießen
von dünnwandigen
Bauteilen Formfüllzeiten
im Bereich von bis zu unter 10 ms notwendig. Die Formel zur Berechnung
der Erstarrungszeit nach B. Nogowizon ist
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Dadurch
sind Strömungsgeschwindigkeiten
von bis zu 100 m/s erforderlich, um eine vollständige Formfüllung innerhalb der Gießzeit (Zeit
bis der erste Gussfehler in Form von vorerstarrtem Material eintritt)
zu gewährleisten.
Diese hohen Strömungsgeschwindigkeiten
haben für
den Gießprozess
folgende Nachteile:
- • Es ist ein hoher Gießdruck und
somit hohe Zuhaltekräfte
der Druckgießmaschine
erforderlich.
- • Die
erosive Beanspruchung der Form (Auswaschungen) ist hoch.
- • Es
tritt ein Strahlzerfall des Gießstrahles
auf, d.h. Luft und Gase werden von der Schmelze eingeschlossen.
Es ist ein hoher Nachdruck (durch Multiplikator) zum Komprimieren
erforderlich.
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Ein
weiterer Problembereich bei der Herstellung von Druckguss-Teilen ist die Porosität; sie ist
eine der häufigsten
Ausschussursachen. Neben möglichen
Undichtheiten bei geforderter Druckdichtheit, der Beeinträchtigung
der Oberflächenqualität und deren
nachteilige Einflüsse
auf die Qualität
von Gussteilen bewirken Gasporen sowie schrumpfungsbedingte innere
Hohlräume
wie Mikrolunker, Lunker und Schwindungsrisse eine Verschlechterung
der mechanisch-technologischen Eigenschaften der Gusswerkstoffe.
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Poren
in einem Druckgussteil resultieren aus zwei Problemen:
- • Porosität durch
Schwindung (flüssig-fest),
also Unvermögen
des angewendeten Prozesses die Volumenschwindung während der
Erstarrung durch Speisung auszugleichen.
- • Porosität durch
Luft-/Gaseinschlüsse,
hervorgerufen durch die beim Gießvorgang eingeschlossenen Gase.
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Die
Porosiät
ist ein klares Qualitätsmerkmal,
das die Anwendungsgebiete von mit Druckguss hergestellten Werkstücken begrenzt.
Um die Porosität
möglichst
gering zu halten, wurden mehrere Verfahren entwickelt, die sich
aber aufgrund von wirtschaftlichen oder gießtechnischen Aspekten nur teilweise
oder gar nicht durchgesetzt haben, dies sind der Vakuum-Druckguss,
der Nieder-Druckguss, das Acurad-Verfahren, das Porefree-Verfahren
und das Sachs-Poral Verfahren.
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Daher
besteht die Aufgabe der Erfindung darin, gängige Druckgießverfahren
so weiter zu entwickeln, dass die vorgenannten Nachteile zumindest
teilweise gemindert werden können.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken in
Druckguss gemäß den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst;
eine neue Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens offenbart der Patentanspruch 2. Ausführungsvarianten
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Um
die Formfüllung
oder die Erstarrung zu beeinflussen, werden nach der Erfindung nur
wenige Millimeter des Formstahles/Formplatten durch ein anderes
wärmeleitendes
Material ersetzt, zumindest in Teilbereichen der Kontakt-Flächen. Um
den thermischen Belastungen des Druckgießens standzuhalten, ist zudem in
neuer Art ein Verbund zwischen dem Basismaterial der Formplatten
und den Beschichtungsmaterialien durch Erzeugung einer Diffusionsschicht
zwischen beiden hergestellt. In einer Ausführungsvariante wird der betreffende
Beschichtungswerkstoff in Pulverform mittels eines Lasers auf das
Basismaterial aufgeschweißt.
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Unterschiedlich
wärmeleitende
Materialien in einer Druckgießform
zu kombinieren, ermöglicht
verschiedene Anwendungsmöglichkeiten
und Verbesserungen gegenüber
gängigen
Druckgießverfahren.
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Nach
einer ersten Ausführung
wird durch eine komplette Beschichtung der Wirkfläche einer
Druckgießform
mit einem Material, das eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als der gängige Warmarbeitsstahl
besitzt, die Gieß-
und Erstarrungszeit des Gießmetalls
entsprechend dem alternativen Metall verlängert. Dadurch sind niedrigere
Strömungsgeschwindigkeiten
des Gießmetalls
zum Füllen
der Form notwendig. Aus der nach neuer Art verlängerten Gießzeit resultieren folgende
positive Effekte:
- • Weniger Verwirbelung der Luft
in der Form, somit weniger Gaseinschlüsse und höhere qualitative Eigenschaften
des Bauteils.
- • Geringerer
Gießdruck.
Das gleiche Bauteil ist somit auf einer kleineren Maschine zu produzieren
und somit kostengünstiger.
- • Wandstärken und
Fließlängen die
bis jetzt im Druckguss nicht möglich
waren, sind möglich.
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Die
Machbarkeit konnte mittels eines dünnwandigen Probekörpers in
Versuchen nachgewiesen werden.
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Nach
einer weiteren Ausführung
werden die Wirkflächen
der Formplatten eines Formensatzes nur abschnittsweise mit einem
Material anderer Wärmeleitfähigkeit
beschichtet. Dies ist insbesondere beim Gießen von Druckgussteilen mit
Bereichen unterschiedlicher Wandstärke zweckmäßig. Da dickwandigere Bereiche längere Erstarrungszeiten
haben (Formel 1), entstehen dort, aufgrund der "Flüssig-Fest-Volumenschwindung", Lunker.
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Diese
spitzkerbigen Lunker wirken sich verheerend auf die Festigkeitseigenschaften
des Werkstückes aus.
Bei einer normalen Druckgießform
würden
im dickwandigsten Bereich des Werkstückes Lunker entstehen.
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Bei
dieser weiteren Ausführungsform
wird nun in weiterer spezieller Gestaltung die Druckgießform – deren
Formplatten – mit
zum Anschnitt hin immer niedrigerem wärmeleitenden Materialien beschichtet
oder die Erstarrungszeit wird durch die Dicke der Beschichtung reguliert.
Hierzu kann auch das Basismaterial (meist ein Warmarbeitsstahl 2343)
eingesetzt werden. Die Materialien müssen lediglich so aufeinander
abgestimmt sein, dass an der dickwandigsten Stelle das Material
mit höchster
und an der dünnwandigsten
Stelle (meist der Anschnitt) das Material mit niedrigster Wärmeleitung
angeordnet ist. Mit der Erstarrung des Anschnittes als letztes kann
eine Nachspeisung bis zur vollständigen
Erstarrung des Bauteils gewährleistet
werden. Das Bauteil ist dann frei von Lunkern und weist deutlich
bessere Festigkeitseigenschaften auf.
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Eine
weitere Ausführungsvariante
ist die Kombination der beiden vorgenannten Anwendungsmöglichkeiten.
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Die
Erfindung wird anhand von in Zeichnungen gezeigten schematischen
Darstellungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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Die 1a bis 1c in
Skizzen das Druckgießverfahren
nach dem Stand der Technik mit einer Warmkammer,
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2a bis 2c in
Skizzen das Druckgießverfahren
nach dem Stand der Technik mit einer Kaltkammer,
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3 schematisch
in Schnittdarstellung einen Teilbereich einer Druckgießvorrichtung
mit neuer Gießform
und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der neuen Gießform
in schematischer Schnittdarstellung.
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In
den 1a bis 2c ist
skizzenhaft jeweils der prinzipielle Aufbau einer Druckgießvorrichtung nach
dem Stand der Technik für
ein Druckgießen
nach dem Warmkammerverfahren (1a bis 1c)
und für
ein Druckgießen
nach dem Kalterkammerverfahren (2a bis 2c)
gezeigt.
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Selbstverständlich gehören zu den
gezeigten Druckgießvorrichtungen
auch Antriebsmittel für
die Bewegung des beweglichen Formenträgers und des Gießkolbens
sowie Steuerungs- und/oder Regelungstechnik, die hier nicht abgebildet
sind. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsvarianten der neuen Druckgießvorrichtung
werden vorzugsweise bei den vorgenannten Druckgießverfahren
eingesetzt.
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Eine
Ausführungsvariante
der Druckgießvorrichtung
gemäß vorliegender
Erfindung ist in 3 gezeigt. Die Darstellung in 3 zeigt
einen Ausschnitt aus einer neuen Druckgießvorrichtung 1. Zur
Bildung des Formhohlraumes 4 ist die in einem bewegbaren
Formenträger 2b gehaltene
Formplatte 3b an die feststehende Formplatte 3a herangeführt, wobei
die Stirnflächen
beider Formplatten 3a und 3b mittels einer vorbestimmten Schließkraft aneinander
gepresst werden. In dieser Darstellung befindet sich im unteren
Bereich eine Gießkammer 6,
die mit flüssigem
Gießmetall 7 gefüllt ist.
Die Verbindung zwischen dieser Gießkammer 6 und dem Formhohlraum 4 ist
durch einen Kanal 5 hergestellt. Durch Bewegung des Gießkolben 8 in
Richtung des Pfeiles 10 wird Gießmetall 7 über den
Kanal 5 in den Formhohlraum 4 gedrückt; auch
Formfüllvorgang
genannt. Die jeweils an den Wirkflächen der Formplatten 3a und 3b erfindungsgemäß vorgesehene
Beschichtung 9 bewirkt, dass – im Vergleich zu bekannten
Vorrichtungen und Verfahren – in
den äußeren Bereichen
des durch Gießen
herzustellenden Werkstückes
(Formling) die Wärmeableitung
mit geringerer Geschwindigkeit erfolgt, sodass, wie weiter vorn
schon genannt, Lufteinschlüsse
etc. vermieden werden. Die Dicke der Beschichtung als auch deren
Wärmeleitwert
richtet sich unter anderem nach der Form des herzustellenden Werkstücks sowie
nach der Zusammensetzung des Gießmetalls.
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So
zeigt z. B. die Darstellung in 4 eine weitere
Ausführungsvariante
der neuen Druckgießvorrichtung.
Die Flächen
der Formplatten 3a und 3b, die die Form der äußeren Flächen des
herzustellenden Werkstückes
vorgeben, sind bei dieser Ausführung
mit einer Beschichtung versehen, die abschnittsweise zumindest jeweils
einen anderen Wärmeleitwert
aufweist. Im oberen Bereich des dargestellten Formhohlraumes 4 ist
in einem vorbestimmten Abschnitt der Wirkfläche (Pressfläche) der
Formplatte 3a und der beweglichen Formplatte 3b eine
Beschichtung 91 und 92, die zwar den gleichen
Wärmeleitwert
haben, jedoch je eine andere Dicke.
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Die
in dieser Ausführung
abschnittsweise vorgesehenen weiteren Beschichtungen 94, 95 und 96 sowie
die Abschnitte ohne Beschichtung 93 an der feststehenden
Formplatte 3a und der beweglichen Formplatte 3b zeigen
auf, dass neben der Anbringung von abschnittsweiser Beschichtung
mit jeweils verschiedenen Wärmeleitwerten
auch durch die unterschiedliche Stärke (Dicke) der vorgesehenen
abschnittsweisen Beschichtungen die Geschwindigkeit der Wärmeableitung
beeinflusst wird. Auch bei dieser Ausführung wird durch Bewegung des
Gießkolben 8 in
Richtung des Pfeiles 10 das in der Gießkammer 6 befindliche
Gießmetall 7 in
den Formhohlraum 4 hineingedrückt. Durch die hier gezeigte
Variante der Anbringung der Beschichtung 9, in Form von
abschnittsweiser Beschichtung 91, 92, 94, 95 und 96 ist
gewährleistet,
dass der im Formhohlraum 4 gefertigte Formling (Werkstück) an seinem
sogenannten Anschnitt (Kanal 5) zuletzt erstarrt.
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Alle
in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die allein
aus den Zeichnungen entnehmbaren Merkmale sind weitere Bestandteile
der Erfindung auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und in
den Ansprüchen
erwähnt
sind. Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im
Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
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- 1
- Druckgießvorrichtung
- 2a
- feststehender
Formenträger
- 2b
- beweglicher
Formenträger
- 3a
- Formplatte
- 3b
- bewegliche
Formplatte
- 4
- Formhohlraum
- 5
- Kanal
- 6
- Gießkammer/Gießbehälter
- 7
- Gießmetall
- 8
- Gießkolben
- 9
- Beschichtung
- 91,
92, 94, 95, 96
- Abschnitte
der Beschichtung mit jeweils anderen Wäremleitwerten
- 93
- Abschnitt
ohne Beschichtung
- 10
- Bewegungsrichtung
von Pos. 8 (Gießen)
