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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Gießanlage zur
gerichteten Erstarrung eines Gusskörpers aus Aluminium
oder einer Aluminiumlegierung durch Einbringen einer gefüllten
Gießform in ein Kühlmedium.
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Aus
DE 42 16 870 C2 ist
ein Verfahren zur gerichteten Erstarrung eines Gusskörpers
aus Aluminium oder einer aluminiumhaltigen Legierung nach dem Feingussverfahren
bekannt. Hierbei wird eine Gießform aus Keramik mit porösen
Wänden eingesetzt, die zur Kühlung und gerichteten
Erstarrung der Schmelze in eine Kühlflüssigkeit
eingetaucht wird. Die Gießform wird stetig in die Kühlflüssigkeit
eingetaucht, wobei die Erstarrungsfront zwischen der Schmelze und
dem erstarrten Metall sich in Richtung der freien Schmelzoberfläche
bewegt. Dabei werden die Eintauchgeschwindigkeit der Gießform
in die Kühlflüssigkeit, die Dicke und die Porosität
der Gießformwand sowie die Viskosität und die
Dichte der Kühlflüssigkeit so aufeinander abgestimmt,
dass, in Bewegungsrichtung der Erstarrungsfront gesehen, der Penetrationsbereich
der Erstarrungsfront nacheilt. Da die Eintauchgeschwindigkeit der
Gießform in die Kühlflüssigkeit von der
Wanddicke und der Porosität der Gießform sowie
von der Kühlflüssigkeit und der abzukühlenden
Masse des Gusskörpers abhängt, können
für die Eintauchgeschwindigkeit keine allgemein gültigen
Parameter angegeben werden. Deshalb wurde die Eintauchgeschwindigkeit
auf einen Wert zwischen 10 mm/min und 200 mm/min, die Wanddicke
der Gießform auf einen Wert zwischen 4 mm und 20 mm und
deren Porosität in einen Bereich zwischen 20 Vol-% und
65 Vol-% eingestellt.
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In
DE 103 57 618 A1 werden
Varianten beschrieben, mit denen für die in einer Gießform
befindliche Metallschmelze ein angestrebter Erstarrungsverlauf durch
Flüssigkeitskühlung realisiert werden kann. In
der Praxis lässt sich eine schnelle Erstarrung der Metallschmelze
zu einem feinkörnigen Gefüge durch einen gelenkten
Erstarrungsverlauf jedoch nur mit großem Aufwand erfüllen,
wenn Gussstücke mit stark schwankenden Dicken hergestellt
werden sollen. Vorgeschlagen wird eine poröse Gießform,
deren Kapillarität so auf die Kühlflüssigkeit
abgestimmt ist, dass das Material der Gießform die sie
benetzende Kühlflüssigkeit aufsaugt. Auf diese
Weise soll erreicht werden, dass die Wärmeleitfähigkeit
der Gießform und damit die Kühlung der Schmelze
durch die aufgenommene Kühlflüssigkeit erhöht
wird. Die Regelung der Eintauchgeschwindigkeit erfolgt über
die aufgenommene Menge an Kühlflüssigkeit, welche durch
die Dauer des Kontakts zwischen Gießform und Kühlflüssigkeit
gesteuert wird. An der Erstarrungsfront ist hierbei ein möglichst
großer Temperaturgradient erforderlich, um die gewünschte
Feinkörnigkeit zu ermöglichen.
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Gegenstand
von
DE 28 15 818 A1 ist
ein Gießgerät für die gerichtete Erstarrung
von schmelzflüssigem Metall, das ein allmähliches
Absenken einer erhitzten Form aus einem Ofen in ein Kühlbad
ermöglicht. Zwischen dem offenen Ende des Ofens und dem
flüssigen Kühlbad ist eine Wärme isolierende Trennplatte
angeordnet, die auf der Badoberfläche schwimmt. Unterhalb
vom Wärmeofen ist ein Tank mit Kühlflüssigkeit
angeordnet, die durch Heizelemente und Kühlschlangen auf
einem gewünschten Temperaturniveau gehalten wird, wenn
die heiße Form eingetaucht wird.
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Gemäß
DE 27 35 928 A1 wird
eine Erstarrung durch Bewegung der Gießform gegenüber
der Wärme – und Kältequelle durchgeführt.
Die Heizleistung der Wärmequelle wird nach Maßgabe
einer fortlaufenden, mit Thermoelement durchgeführten Temperaturmessung
geregelt. Die Wanderungsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront liegt
in der Größenordnung eines Bruchteils von Zentimetern
bis zu einigen Zentimetern je Stunde. Die Wandergeschwindigkeit
wird auf einem konstanten Wert gehalten. Allerdings ist eine konstante
Abkühlungsgeschwindigkeit bei einer Querschnittsänderung
des Gusskörpers nachteilig.
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Schließlich
wird in
EP 10 538 B1 ein
Verfahren zur gerichteten Erstarrung mit einer mathematisch berechneten
Abkühlungsgeschwindigkeit bei einer Turbinenschaufel beschrieben.
Die berechnete Abkühlungsgeschwindigkeit bezieht sich ausschließlich
auf den Übergang einer Querschnittsänderung gemäß einer
vorbestimmten mathematischen Beziehung zwischen der Geschwindigkeit
und der Zeit. Dadurch soll eine gleichmäßige Übergangsfunktion
zwischen zwei verschiedenen Querschnitten unter Ausschluss einer
Stufenfunktion erreicht werden. Auf diese Weise sollen Fehler in
dem Mikrogefüge des erstarrten Gussteils bei einfachen
Querschnittsänderungen vermieden werden. Die Zurückziehgeschwindigkeit über
der Zeit wird als Funktion der Änderung des Verhältnisses
des Querschnittumfangs zur Querschnittsfläche angeben,
die über der Gussstücklänge auftritt,
wenn die nominelle Erstarrungsgrenzfläche sich in der Nähe
der Änderung befindet, so dass die Geschwindigkeit der
Erstarrungsgrenzflächenbewegung sich in demselben Maß wie
das Verhältnis des Umfangs zu der Querschnittsfläche ändert.
Nachteilig ist jedoch, dass die Änderung der Eintauchgeschwindigkeit
der Gießform in das Kühlmittel bei verschiedenen
Querschnitten experimentell festgestellt werden muss und die mathematisch
definierte Eintauchgeschwindigkeit nur für den Übergang
zwischen zwei Querschnitten gilt. Deshalb kann dieses Verfahren
nur für geometrisch einfache Teile eingesetzt werden.
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Hingegen
ist bei einem komplexen Gusskörper mit unterschiedlichsten
Querschnitten eine kontrollierte Abkühlung mit einer gerichteten
Erstarrung nicht möglich. Die aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren sind daher auch nicht geeignet für Gusskörper,
welche in einer komplexen Gießtraube gegossen werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur gerichteten Erstarrung eines
komplexen Gusskörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
durch ein Absenken der Gießform in ein Kühlmedium
zu schaffen, das eine gerichtete Erstarrung bei unterschiedlichen
Querschnitten und hohen Bauteilkomplexitäten ermöglicht.
Gleichzeitig soll eine Gießanlage zur Durchführung
dieses Verfahrens geschaffen werden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst, indem die Gießform in einem
Durchlaufofen vor, während und nach dem Abguss mindestens
auf die Liquidustemperatur erhitzt bzw. auf der Liquidustemperatur
gehalten, anschließend abgegossen und nach dem Abgießen
mit einer von einem CAD-Datensatz der Gießform und/oder
des Gusskörpers abhängigen Geschwindigkeit durch
eine computergesteuerte Manipulationseinheit in Abhängigkeit
des Richtungsvektors der Erstarrung in ein Kühlmedium derart
eingebracht wird, dass eine gerichtete Erstarrung des Gusskörpers
durch eine speicherprogrammierbare Steuerung erfolgt.
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Zur
Durchführung dieser Verfahrensschritte wird eine Gießanlage
vorgeschlagen, die einen Durchlaufofen zum Erwärmen der
Gießform und ein Kühlbecken mit einem Kühlmedium
aufweist, wobei die Gießform mit dem Gusskörper
in einem Behälter angeordnet ist, der mit einer computergesteuerten Manipulationseinheit
in das Kühlmedium absenkbar ist, wobei die Manipulationseinheit
mit einem stufenlos regelbaren Antrieb ausgestattet ist, dessen
Antriebsteuerung mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung und
mit einem Prozessrechner steuerungstechnisch verbunden ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen von Verfahren und Gießanlage sind Gegenstand
abhängiger Unteransprüche, deren Merkmale im Ausführungsbeispiel näher
beschrieben werden.
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Durch
Anwendung der erfindungsgemäßen technischen Lösung
kann die Erstarrung auf Grundlage der als CAD-Datensatz verfügbaren
Gussteilgeometrie gesteuert werden. Mit diesen Daten wird die Eintauchgeschwindigkeit
der Feingusstraube in das Kühlmedium elektronisch gesteuert.
Somit kann mit der Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze das Gussteilgefüge
optimiert werden.
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Ausgehend
von den digitalen dreidimensionalen CAD-Daten des Gusskörpers,
der Gießform und des Anschnittsystems einschließlich
Speiser wird ein Datensatz durch Schichtzerlegung entlang eines
durch die Erstarrungsfront definierten Richtungsvektors in zweidimensionale
Schichten mit vorzugebender Schichtdicke zerlegt und anschließend wird
durch eine Erstarrungssimulation der einzelnen Schichtdaten die über
die Zeit veränderliche resultierende Einbringgeschwindigkeit
(Absenkgeschwindigkeit) in das Kühlmedium berechnet.
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Die
Steuerung der Absenkgeschwindigkeit erfolgt in Abhängigkeit
des Verhältnisses von Querschnittsflächeninhalt
und dessen Umfang in Relation zur aufsummierten Schichtdicke. Die
Berechnung der Absenkgeschwindigkeit erfolgt anhand der durch die
Erstarrungssimulation ermittelten Zeitfunktion, mit der ein entsprechendes
Weg-Zeit-Diagramm erzeugt und anschließend an den Prozessrechner
der Gießanlage übergeben wird.
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Für
Modellierung und Erstellung der Prozessparameter können
zusätzliche Informationen über die zur Verfügung
stehenden Materialien wie Wärmeleitkoeffizienten, Wärmekapazität
und abkühlungsspezifische Parameter aus einer mit dem Rechner verbundenen
Datenbank abgerufen werden. Durch den Einsatz einer speicherprogrammierbaren
Steuerung/SPS können weiterhin die IST-Temperaturen von
Durchlaufofen und Kühlmedium bei der Absenkung zur genaueren
Prozesssteuerung berücksichtigt werden. Der Vorteil des
Einsatzes einer speicherprogrammierbaren Steuerung/SPS besteht primär darin,
dass der Prozessablauf der gerichteten Erstarrung direkt mit den
Prozessdaten aus der Erstarrungssimulation verknüpft und
der Prozess kontrolliert gesteuert werden kann.
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Diese
Echtzeitsteuerung ermöglicht eine Realisierung der gerichteten
Erstarrung in Abhängigkeit der geometrischen Schichtdaten
wie Flächeninhalt, Umfang und Schichtdicke jedes einzelnen
Querschnitts der Gießform einschließlich Gussteil
und Gießsystem in Relation zu den IST-Temperaturen des
Durchlaufofens und des Kühlmediums. Die IST-Temperatur
wird im Durchlaufofen und im Kühlmedium durch Thermoelemente
erfasst, so dass Temperaturabweichungen, verursacht durch unterschiedlich
starken Wärmeeintrag komplexer Gießtrauben über
die Gesamthöhe der Gießtraube in das Kühlmedium,
ständig kontrolliert werden können. Somit kann
die bei der Abkühlung des Gusskörpers frei gesetzte
Wärme bestimmt und die gerichtete Erstarrung gezielt beeinflusst
werden. Abhängig von der Zusammensetzung des Gusskörpers
kann der Anteil der freiwerdenden Wärme erheblich von dem
linearen Verlauf abweichen. Durch das vorgeschlagene Verfahren können
die den Erstarrungsablauf beeinflussenden geometrischen Größen
und stofflichen Faktoren im Prozess einer optimalen gerichteten
Erstarrung berücksichtigt werden. Insbesondere kann die
gerichtete Erstarrung von Gießtrauben mit verschiedenen
komplexen Gussteilen und Gussformen, angebaut an einer Gießtraube,
verbessert bzw. überhaupt ermöglicht werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Die
einzige 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau
einer erfindungsgemäßen Gießanlage zur Herstellung
und gerichteten Erstarrung eines Gusskörpers in schematischer
Darstellung.
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Das
vorgeschlagene Verfahren zur gerichteten Erstarrung unterscheidet
sich von den konventionellen Gießverfahren im Wesentlichen
durch die Möglichkeit, die Erstarrung im Gusskörper 1 auf
der Grundlage einer vorherigen Erstarrungssimulation computergesteuert
zu lenken. Die aus der Erstarrungssimulation gewonnenen Daten werden
an einen Prozessrechner 2 mit einer speicherprogrammierbaren
Steuerung/SPS übergeben und durch die Steuerung der Eintauchgeschwindigkeit
in reproduzierbare Bauteileigenschaften umgesetzt. Zur Durchführung
des Verfahrens wird eine Gießanlage mit einem flüssigen
Kühlmedium eingesetzt, in das eine abgegossene Gießform 3 eingetaucht
wird. Unter der Bezeichnung Gießform 3 werden
im vorliegenden Sachverhalt insbesondere keramische Gießereiformen
zum Abgießen von Feingussteilen verstanden.
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Die
in 1 dargestellte Gießanlage weist ein Kühlbecken 4 mit
flüssigem Kühlmedium auf. Als Kühlmedium
wird beispielsweise eine Polymerlösung auf der Grundlage
von Wasser, Härtereiöl, Reinzinnschmelze oder
einer Salzschmelze eingesetzt. Der Gusskörper 1 kann
ein beliebiges Gussteil in einer Gießform 3 sein.
Das Anwendungsgebiet der gerichteten Erstarrung erstreckt sich hauptsächlich
auf das Gebiet der Herstellung von Feingussteilen aus Leichtmetall,
vorzugsweise Aluminium bzw. aluminiumhaltige Werkstoffe, die in
keramischen Gießereiformen gegossen werden. Insbesondere
ist das Verfahren auch zur Herstellung von Gussteilen geeignet, die
in einer Gießform 3 in Gestalt einer Gießtraube gegossen
werden.
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Bei
der Herstellung einer Gießform 3 für Feinguss
wird von einem Gussmodell aus Wachs oder Kunststoff ausgegangen,
das mit einer keramischen Schale ummantelt wird. Das Gussmodell
wird nachfolgend ausgeschmolzen und der dem exakten Modell entsprechende
Hohlraum wird abgegossen.
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Keramische
Gießformen 3 können aus verschiedenartigen
Formstoffen bestehen, die für das Gießen von Metallen
hitzebeständig sind und die eine unterschiedliche stoffliche
Zusammensetzung oder einen unterschiedlichen Gehalt an organischen oder
anorganischen Bindemitteln aufweisen.
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Derartige
Formstoffe sind insbesondere Zusammensetzungen von hitzebeständigen
Form- und Kernmassen, die aus einem feuerfesten mineralischen Grundstoff,
z. B. Quarzsand, Magnesiumoxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid,
Gips und einem Bindersystem bestehen.
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Die
Gießform 3 mit dem Gusskörper 1 befindet
sich in einem Behälter 5, beispielsweise einem Korb,
der mit einer aus den Baugruppen 6 und 7 bestehenden
Manipulationseinheit in das Kühlmedium abgesenkt wird.
Die Manipulationseinheit 6–7 ist mit einem
computergesteuerten Antrieb ausgestattet, der stufenlos regelbar
ist. Die Antriebsteuerung der Manipulationseinheit 6–7 ist
mit dem Prozessrechner 2 und mit der speicherprogrammierbaren
Steuerung/SPS steuerungstechnisch verbunden. Die jeweils konkrete
Absenkgeschwindigkeit kann beispielsweise in einem Bereich von etwa
0,08 mm bis 10,00 mm pro Sekunde variiert werden. Ebenso ist es möglich,
dass die Bewegung unter Beachtung der Erstarrungssituation in einzelnen
Verfahrenspunkten unterbrochen wird, so dass die Absenkgeschwindigkeit
zumindest kurzzeitig „NULL” beträgt.
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Der
Behälter bzw. Korb 5 mit der Gießform 3 befindet
sich in einem oben und unten offenen, beheizten Durchlaufofen 8 mit
einer Abschirmhaube 9 und einem kleineren Deckel 11 zur
Wärmeabschirmung. Der Durchlaufofen 8 wird zur
Temperierung der Gießform 3 vor dem Abguss und
während des Abgusses benötigt. Um eine komplette
Formfüllung beim Abguss zu erreichen und das unkontrollierte
Vorauseilen der Erstarrungsfront beim Eintauchen in das Kühlmedium
zu vermeiden, wird die Gießform 3 mindestens auf
die Liquidustemperatur des Gusskörpers 1 erwärmt.
Die Querschnitte des Gießsystems können sehr klein
gehalten werden. Die Gießform 3 kann beruhigt,
turbolenzarm und steigend gefüllt werden. Der Durchlaufofen 8 ist
mit einem Traggestell 12 oberhalb des Kühlbeckens 4 mit
dem Kühlmedium angeordnet.
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Während
des Eintauchens der Gießform 3 mit dem Gusskörper 1 in
das Kühlmedium wird die Manipulationseinheit 6–7 so
gesteuert, dass eine optimale Absenkgeschwindigkeit in das Kühlmedium realisiert
werden kann. Während des Absenkens der Gießform 3 und
des Gusskörpers 1 in das Kühlbecken 4 mit
dem Kühlmedium dient der Durchlaufofen 8 zum Halten
bzw. Nachheizen der Gießform 3 und des Gusskörpers 4 zur
Sicherstellung eines gerichteten Erstarrungsverlaufes. Der Durchlaufofen 8 kann beispielsweise
mit einer Wärmequelle in Form eines Gasbrenners oder einer
Elektroheizung beheizt werden. Als eine Steuermöglichkeit
zur Regelung der Temperatur ist das Ausschalten und erneute Einschalten
der Wärmequelle vorgesehen.
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Um
Wärmeverluste zu minimieren und den Wärmeeintrag
in das Kühlmedium zu reduzieren, wird eine Isolationsschicht
auf das Kühlmedium gegeben, welches die Ofenatmosphäre
und das Kühlmedium thermisch abschirmt.
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Das
Kühlbecken 4 ist mit einer nicht näher dargestellten
Temperiermöglichkeit ausgestattet, welche ein gezieltes
Abkühlen bzw. Aufheizen des Kühlmediums ermöglicht.
Hierzu kann das Kühlbecken 4 auch doppelwandig
ausgelegt werden, um das Kühlmedium indirekt zu temperieren.
Ebenfalls ist es zur besseren Umwälzung und Zirkulation
des Kühlmediums möglich, Umwälzpumpen
oder andere Einrichtungen zur Umwälzung vorzusehen. Über Thermoelemente 14 werden
die IST-Temperaturen von Durchlaufofen 8 und Kühlbecken 4 erfasst
und in der Steuerung ausgewertet.
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Vor
dem Abgießen wird die Gießform 3 auf dem
Behälter/Korb 5 befestigt und mit der Manipulationseinheit 6–7 in
den Durchlaufofen 8 zum Vorwärmen der Gießform 3 eingefahren.
Der Durchlaufofen 8 ist mit der Abschirmhaube 9 und
dem Deckel 11 nach oben verschlossen. Die Wirkverbindung
zum Kühlmedium kann unterbrochen werden, indem zwischen
dem Durchlaufofen 8 und dem Kühlbecken 4 Bauteile
angeordnet werden, beispielsweise eine verschiebbare Trenneinrichtung 13.
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Nachdem
die Gießform 3 in den Durchlaufofen 8 eingefahren
ist, wird der Gasbrenner bzw. die Elektroheizung des Durchlaufofens 8 eingeschaltet. Nunmehr
wird der Durchlaufofen 8 mit der Gießform 3 bis
auf eine vorab definierte Temperatur aufgeheizt. Nach Erreichen
dieser Temperatur und nach Ablauf einer Haltezeit, wird der Deckel 11 entfernt.
Durch die somit zugängliche Öffnung kann die Schmelze
in die Gießform 3 eingebracht werden. Während
dieses Vorganges ist die Wärmequelle weiterhin in Funktion, um
die Schmelze flüssig zu halten.
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Nach
dem Einbringen der Schmelze in die Gießform 3 wird
der kleine Deckel 11 wieder verschlossen. Die Wärmequelle
hält weiterhin die Schmelze flüssig.
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Zur
gerichteten Erstarrung wird die abgegossene Gießform 3 mit
der flüssigen Schmelze computergesteuert in das Kühlbecken 4 abgelassen,
wobei die Absenkgeschwindigkeit anhand der aus der Erstarrungssimulation
gewonnenen Daten durch den Prozessrechner 2 mit der speicherprogrammierbaren Steuerung/SPS
geregelt wird. Während im unteren Bereich der Gießform 3 bereits
die Erstarrung beginnt und sich nach obenhin fortsetzt, wird der
noch nicht abgekühlte obere Teil der Schmelze in der Gießform 3 durch
Nachheizen flüssig gehalten. Dies wirkt der Erstarrungsfront
entgegen und schafft die Möglichkeit eines Ausgleichs des
Materialmangels mit Schmelze von bereits erstarrten Bereichen. Somit können
Lunker und andere Fehlerstellen im Gussteil weitgehend vermieden
werden. Sobald die Gießform 3 vollständig
in das Kühlbecken 4 eingetaucht ist, kann der
Durchlaufofen 8 abgeschaltet werden und die Gießform 3 vollständig
abkühlen. Nachdem die Gießform 3 unter
die kritische Temperatur abgekühlt ist, kann sie mittels
der Manipulationseinheit 6–7 (die z.
B. eine kranähnliche Vorrichtung umfasst) aus dem Kühlbecken 4 heraus
gefahren werden. Der nunmehr fertig abgegossene und erstarrte Gusskörper 1 kann abschließend
aus der Gießform 3 ausgepackt, geputzt und geprüft
werden.
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- 1
- Gusskörper
- 2
- Prozessrechner
- 3
- Gießform
- 4
- Kühlbecken
- 5
- Behälter/Korb
- 6
- Baugruppe
der Manipulationseinheit
- 7
- Baugruppe
der Manipulationseinheit
- 8
- Durchlaufofen
- 9
- Abschirmhaube
- 11
- Deckel
- 12
- Traggestell
- 13
- Trenneinrichtung
- 14
- Thermoelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4216870
C2 [0002]
- - DE 10357618 A1 [0003]
- - DE 2815818 A1 [0004]
- - DE 2735928 A1 [0005]
- - EP 10538 B1 [0006]