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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Druckgießvorrichtung und ein Verfahren
zum Druckgießen mit
einem definierten Forminnendruck innerhalb einer Druckgießform.
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Beim
Druckgießen
wird eine Metallschmelze unter Druck, vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit,
in eine zwei- oder mehrteilige Form, insbesondere in eine beheizte
Form, gepresst. Beim Warmkammerverfahren befindet sich die Druckkammer
in der Schmelze. Mit diesem Verfahren werden solche Werkstoffe vergossen,
die den Druckkolben und die Druckkammer der Gießvorrichtung nicht angreifen. Solche
Werkstoffe sind beispielsweise Magnesium und Zink. Beim Kaltkammerverfahren
befindet sich die Druckkammer außerhalb der Schmelze, da die mit
diesem Verfahren vergossenen Werkstoffe, beispielsweise Aluminium-
und Kupferlegierungen, die Werkstoffe von Druckkolben und Druckkammer
stark angreifen würden.
Mittels Druckgießen
können
beispielsweise dünnwandige
Werkstücke
mit schwierigen Formen maßgenau
und mit hoher Flächengüte hergestellt
werden.
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Im
Zusammenhang mit dem Druckgießen sind
mittlerweile verschiedene Ausführungsarten
bekannt geworden. Bei einer Ausführungsart
handelt es sich um den Standard-Druckguss, wie er vorstehend bereits
allgemein beschrieben worden ist. Standard-Druckgussverfahren haben
jedoch grundsätzlich
den Nachteil, dass die damit hergestellten Werkstücke prinzipbedingt
eine sehr hohe Gasporosität aufweisen,
die beispielsweise im Bereich von ungefähr 5 Prozent bis 30 Prozent
liegen kann. Mittels des Standard-Druckgussverfahrens hergestellte
Werkstücke
sind weiterhin in der Regel nicht vergütbar, nicht schweißbar und
sehr spröde.
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Bei
einem anderen bekannten Druckgießverfahren wird die Form während des
Füllvorgangs
mit einem Vakuum beaufschlagt. Standard-Druckgussverfahren mit Standard-Vakuum
haben jedoch den Nachteil, dass die damit hergestellten Werkstücke teilweise
ebenfalls eine hohe Gasporosität
aufweisen, nicht vergütbar
sind, nur teilweise schweißbar sind
und teilweise sehr spröde
sind. Aus diesem Grund existieren eine ganze Reihe von speziellen Druckgussverfahren
unter Einsatz eines Vakuums, die durch Modifikationen des Gießprozesses
bzw. der dafür
erforderlichen Gießvorrichtungen
die eingangs beschriebenen Nachteile vermeiden sollen. So sind in
diesem Zusammenhang beispielsweise Sondergießverfahren bekannt geworden,
bei denen der gesamte Gießprozess
unter Vakuum abläuft,
insbesondere auch die Dosierung des flüssigen Metalls. Diese weiterentwickelten
Sondergießverfahren
haben jedoch in der Regel den Nachteil, dass hohe Herstellungs-
und Wartungskosten für
Werkzeuge und Maschinen entstehen, dass die Gießvorrichtungen kurze Wartungsintervalle
aufgrund von Dichtungsverschleiß haben
und dass für
die Gießvorrichtungen komplexe
Werkzeuge wie beispielsweise Kernzüge, Schieber und dergleichen
entweder gar nicht oder nur mit hohem Aufwand eingesetzt werden
können. Durch
einen ständigen
Verschleiss der Dichtungselemente während des Gießprozesses
ist eine Prozesssicherheit nicht gewährleistet, da eine starke Abhängigkeit
vom aktuellen Werkzeugzustand besteht. Daraus resultieren unter
anderem Qualitätsschwankungen
sowie ein unnötig
hoher Ausschuss bei den produzierten Teilen, sodass die bisher bekannten Gießverfahren
sehr teuer sind.
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Bei
einer weiteren Druckgusstechnologie handelt es sich um den sogenannten
Poral-Druckguss, bei dem ein turbulenzfreies Füllen der Gießformen
möglich
ist. Dadurch können
porenarme, vergüt- und
schweißbare
Druckgusswerkstücke
für Wandstärken ab
zirka 3,8 mm hergestellt werden.
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Sobald
ein Druckgießverfahren
unter Verwendung von Vakuum durchgeführt werden soll, ist eine spezielle
Vorrichtung zum Einstellen eines Unterdrucks innerhalb der Gießform erforderlich.
Eine solche Lösung
ist beispielsweise in der
EP
0 827 794 B1 beschrieben. Die darin offenbarte Druckgießvorrichtung
weist zunächst
eine Druckgießform
sowie einen Einpresskolben zum Einpressen eines Gießmaterials
in die Druckgießform
auf. Während
des Einpressvorgangs wird aus dem Druckgießraum Gas abgesaugt. Dies geschieht über eine
Unterdruckerzeugungseinrichtung, die einen Saugzylinder aufweist,
der über
ein Leitungssystem mit der Gießform gekoppelt
ist. Der Saugzylinder ist in der dort beschriebenen Druckgießvorrichtung
größer als
erforderlich dimensioniert und in dem Leitungssystem ist als Stellglied
zusätzlich
ein Proportionalventil als Steuer- bzw. Regelventil angeordnet,
durch welches der Druck innerhalb der Druckgießform gesteuert bzw. in Verbindung
mit einem Gasdrucksensor geregelt werden kann. Das Steuer- bzw.
Regelventil ermöglicht
ebenfalls eine Luftzufuhr in das Leitungssystem, um bspw. den Forminnendruck
wieder ansteigen zu lassen. Weiterhin weist die Druckgießvorrichtung
z.B. zur Bereitstellung eines Vakuums in einer Anfangsphase des
Einpreßvorgangs
einen Vakuumtank auf, der mit einer Vakuumpumpe und mit einem Ventil
mit dem Leitungssystem in Verbindung steht.
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Durch
die Kopplung des Saugzylinders mit dem Einpresskolben wird gemäß der bekannten
Lösung
erreicht, dass die Unterdruckerzeugung der Gasabsaugvorrichtung
durch die Unterdruckerzeugungseinrichtung proportional zur Geschwindigkeit des
Einpresskolbens ist und dass sich insbesondere bei einer Geschwindigkeitsänderung
des Einpresskolbens die Unterdruckerzeugung entsprechend ändert.
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Nachteilig
ist dabei, dass der Saugkolben nur in einer Weise bewegt werden
kann, die vom Einpresskolben vorgegeben wird. Der Einpresskolben wird
jedoch aufgrund vorgegebener Steuerdaten gesteuert. Außerdem ist
es ungünstig,
dass die Saugzylinder fest mit der Einfülleinrichtung verbunden sind, so
dass dafür
entsprechend große
Modifikationen an der Einfülleinrichtung
durchgeführt
werden müssen. Das
bedeutet weiterhin, dass die Unterdruckerzeugungseinrichtung ein
integrierter und dauerhafter Bestandteil einer speziell dafür bestimmten
und konstruktiv angepassten Druckgießvorrichtung ist und diese
nicht kurzfristig ohne besondere Massnahmen an einer beliebigen
Standardanlage zum Einsatz kommen kann. Ungünstig erscheint auch die Verwendung
von Proportionalventilen als Stellglieder, da diese mit ihrer Feinmechanik
und deren kleinen Querschnitt leicht zur Verschmutzung neigen. Insgesamt
ist die beschriebene Druckgießvorrichtung
zur Steuerung und/oder Regelung eines Unterdruckes sehr komplex
und kostenintensiv gestaltet.
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Ausgehend
vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Druckgießvorrichtung bereitzustellen, mit
der auf einfache Weise ein definierter und auf die jeweils vorliegenden,
aktuellen Prozessbedingungen anpassbarer Innendruck innerhalb der
Form eingestellt werden kann. Weiterhin soll ein entsprechend verbessertes
Verfahren zum Druckgießen
mit einem definierten Forminnendruck innerhalb einer Form bereitgestellt
werden.
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Diese
Aufgaben werden gelöst
durch die Druckgießvorrichtung
mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 und mit einem Verfahren zum Druckgießen mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
11. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen, der
Beschreibung sowie der Zeichnung.
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Gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung wird eine Druckgießvorrichtung bereitgestellt,
die eine Gießform,
eine Einfülleinrichtung
zum Einfüllen eines
Gießmaterials
in die Gießform
und eine Druckeinstelleinrichtung zum Einstellen eines definierten Forminnendrucks
innerhalb der Gießform
mit Unterdruckerzeugungsmitteln zur Erzeugung eines Unterdruckes
und einem Stellglied, mit dem der Unterdruck auf einen vorbestimmten
Wert einstellbar ist, aufweist. Dadurch dass das Unterdruckerzeugungsmittel
gleichzeitig das Stellglied der Druckeinstelleinrichtung bildet,
kann die Druckeinstelleinrichtung konstruktiv stark vereinfacht
und kostengünstiger ausgeführt werden.
Beim Betreiben der Druckgießvorrichtung
ergibt sich der Vorteil, dass die Unterdruckerzeugungsmittel nur
noch zeitweise und nicht mehr permanent arbeiten müssen, wodurch
die Betriebskosten erheblich reduziert werden können. Da keine Proportionalventile
ausgeführt
sind, wird von vornherein eine gravierende Störungsquelle beseitigt, wodurch
die Wartungsfreundlichkeit erheblich gesteigert wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung wird
es somit auf konstruktiv einfache Weise möglich, den Forminnendruck einzustellen.
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Beispielsweise,
jedoch nicht ausschließlich, ist
es möglich,
die Form bei einem Forminnendruck nahe dem Umgebungsluftdruck zu
füllen.
Insbesondere ist mit der erfindungsgemäßen Einstellvorrichtung auch
ein Füllen
der Form bei jedem anderen Druckverlauf im Forminneren realisierbar.
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Insbesondere
kann mit der wenigstens einen Einrichtung die Änderung wenigstens eines Prozessparameters
in der Form und/oder wenigstens eine Störgröße in der Form ausgeglichen
werden. Dies wird im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert. Natürlich ist
es auch denkbar, dass über die
Einrichtung Prozessparameter und/oder Störgrößen, die im Umgebungs- bzw.
Peripheriebereich der Form auftreten, ausgeglichen werden können, sofern sich
diese Prozessparameter und/oder Störgrößen auf den Forminnendruck
auswirken.
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Grundsätzlich ist
es ausreichend, wenn die Druckgießvorrichtung ein Unterdruckerzeugungsmittel
aufweist. Natürlich
ist es auch denkbar, dass die Druckgießvorrichtung zwei oder mehrere
solcher Unterdruckerzeugungsmittel aufweist.
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Gemäß Anspruch
2 ist zum Ansteuern des Stellgliedes bzw. des Unterdruckerzeugungsmittels eine
Zentraleinheit vorgesehen. Somit kann das Unterdruckerzeugungsmittel
unabhängig,
insbesondere von der Einfülleinrichtung,
ausgebildet, aktiviert und angesteuert werden. Durch diese Ausgestaltung
der Erfindung wird es möglich,
den Forminnendruck während
des Formfüllvorgangs
jederzeit erniedrigen und/oder erhöhen und/oder halten zu können. Eine Änderung
des Forminnendrucks kann dabei jederzeit, beispielsweise bei sich ändernden
Prozeßbedingungen
innerhalb der Form, vorgenommen werden. Außerdem ist es durch diese Unabhängigkeit
steurungstechnisch leicht möglich,
der Regelung durch Vorsteuern, d.h. einer Störgrößenaufschaltung, einen Vorsprung
zu verschaffen, wenn es sich bei der Störung um einen Prozessparameter
handelt dessen Verlauf im Voraus bekannt ist, z.B. der Bewegung des
Schusskolbens der Einfülleinrichtung.
Das heißt, anstatt
auf die Positionsänderung
des Schusskolbens zu reagieren, ist es nun möglich im Voraus zu agieren.
Auf diese einfache Weise können
die Reaktionszeiten der elektrischen und pneumatischen Komponenten
auf diese Störung
kompensiert werden.
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Im
Zusammenhang mit einer nachfolgend erläuterten Steuerung oder einer
Regelung ist die Zentraleinheit geeignet, das Stellglied oder die
Stellglieder in solch einer Weise koordiniert anzusteuern, dass
in der Form auftretende Parameteränderungen bzw. auftretende
Störgrößen erkannt
und ausgeglichen werden können.
Beispielsweise kann die Zentraleinheit unabhängige Mittel zum Ansteuern
der Unterdruckerzeugungsmittel aufweisen. Ebenso ist es denkbar,
daß mehrere
Unterdruckerzeugungsmittel über
eine gemeinsame Zentraleinheit angesteuert werden. So ist es beispielsweise
denkbar, dass die Zentraleinheit eine oder mehrere Rechnereinheiten oder
Prozessoren aufweist. Beispielsweise kann die Zentraleinheit zumindest
in Bereichen programmierbar ausgestaltet sein, so dass geeignete
Programmmittel bzw. Software geladen und betrieben werden können.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ist
wenigstens ein Sensorelement zum Erfassen von Ist-Werten von Prozeßgrößen vorgesehen.
Bei den Prozeßgrößen kann
es sich beispielsweise um die Prozesszeit, die Kolbenstellung der
Einfüllvorrichtung,
die Luftfeuchte und die Temperaturen an bestimmten Orten in der
Gießform
usw. handeln. Die jeweils geeignete Ausgestaltung der Sensorelemente
ergibt sich je nach Art des Parameters bzw. der Störgröße, die
gemessen werden soll. Im Zusammenhang mit einer Regeleinrichtung
kann es sich bei den Prozeßgrößen beispielsweise
um bestimmte Schwellenwerte handeln, die bei Unterschreitung bzw. Überschreitung
einen bestimmten Regelvorgang in Gang setzen. Im Zusammenhang mit
einer Steuereinrichtung kann es sich bei den Prozeßgrößen beispielsweise
um Steuerkenndaten, die beispielsweise in Form von Steuerkurven,
Steuerlinien vorliegen können,
handeln. Mit einem von einem Sensorelement erfass ten Ist-Wert kann
aus einer solchen Steuerkurve beispielsweise ein dazugehöriger Steuerwert
abgelesen werden. In einem solchen Fall wird die Steuereinrichtung
anschließend
anhand des vorgegebenen, nicht veränderbaren Steuerwerts gesteuert.
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Gemäß Anspruch
4 umfasst die Druckeinstelleinrichtung eine Steuereinrichtung mit
Steuermitteln. Eine solche Steuereinrichtung dient zum Ausgleichen
von Änderungen
des Forminnendrucks infolge von einer Änderung wenigstens eines Prozeßparameters.
Die Ausbildung einer Steuereinrichtung bietet sich insbesondere
bei Druckgießvorrichtungen an,
deren Systemeigenschaften vorab gut bekannt sind und wenn der Einfluss
von Störgrößen auf
die Ausgangsgrößen des
Systems vernachlässigt
werden kann oder aber, wenn es eine oder mehrere dominierende messbare
Störgröße(n) gibt,
sodass deren Wirkung in einer Steuervorschrift berücksichtigt werden
kann. Die Steuermittel bilden mit der Zentraleinheit und mit dem
Stellglied bzw. den Stellgliedern einen Steuerkreis und können als
Bestandteil der Zentraleinheit oder separat ausgebildet sein.
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Nachfolgend
werden einige Beispiele von Prozessparametern beschrieben, die im
Zusammenhang mit einer Gießvorrichtung
mittels einer Steuereinrichtung gesteuert werden können. Dabei
ist die Erfindung jedoch nicht auf die genannten Beispiele beschränkt. Während eines
Füllvorgangs
einer Form ändert
sich in dieser beispielsweise das freie Volumen. Weiterhin tritt
während
des Einfüllvorgangs
oftmals auch eine Temperaturänderung
der Luft innerhalb der Form auf. Die Volumenänderung wird beispielsweise
durch die Einfülleinrichtung
erzeugt. Die Temperaturänderung
kann beispielsweise durch Wärmeübertragung
vom heißen
Metall, das in die Form eingefüllt
wird, erzeugt werden. Hierbei handelt es sich typischer Weise um
Prozessparameter, deren Änderungen
insbesondere unter Heranziehung einer Steuereinrichtung ausgeglichen
werden können.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung
basierend auf Bewegungsdaten von der Einfülleinrichtung und möglicherweise
basierend auf Temperaturmessungen gesteuert wird. Vorteilhaft können mit
einer solchen Gießvorrichtung
zunächst verschiedene
Versuchsreihen gefahren werden, wobei die dabei gesammelten Erfahrungswerte
in Form von Steu erdaten in entsprechenden Steuerkurven abgelegt
werden. Wenn nun für
den Forminnenraum ein bestimmter Volumenwert und/oder Temperaturwert
ermittelt worden ist, wird dieser ermittelte Wert in der Zentraleinheit
mit einem Referenzsteuerwert, beispielsweise mit einer Steuerkurve
verglichen. Aufgrund des dabei ermittelten Wertes wird anschließend die
Steuereinrichtung bzw. deren Stellelement in entsprechender Weise
betätigt.
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In
einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch
5 ist vorgesehen, an der Druckeinstelleinrichtung eine Regeleinrichtung
mit Regelmitteln auszubilden, wobei wenigstens ein Gasdrucksensor
zum Erfassen von Ist-Werten des Forminnendrucks vorhanden ist. Die
Regelmittel bilden mit dem Gasdrucksensor für den Forminnenraum, der Zentraleinheit
und mit dem Stellglied bzw. den Stellgliedern einen Regelkreis und
können
ebenfalls als Bestandteil der Zentraleinheit oder separat ausgebildet
sein.
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Die
von dem Gasdrucksensor erfassten Ist-Werte werden an die Zentraleinheit
der Druckeinstellvorrichtung weitergeleitet, wo sie in geeigneter Weise
bearbeitet werden. Beispielsweise können die erfassten Ist-Werte
in der Zentraleinheit mit entsprechenden Referenzwerten verglichen
werden. Mittels der Regeleinrichtung können bezüglich des Forminnendrucks bekannte
und/oder unbekannte Störgrößen ausgeglichen
werden. Im vorliegenden Fall könnten
auftretende Störgrößen dazu
führen,
daß sich
der gewünschte
Wert des Forminnendrucks in unzulässiger Weise ändert, was
sich insbesondere negativ auf die Qualität der hergestellten Produkte auswirken
kann. Beim Druckgießen
können
derartige Störgrößen beispielsweise
geringe Undichtigkeiten der Form, der Kernzüge, der Auswerfer, der Formteilung
und dergleichen sein. Weiterhin können Störgrößen durch die Verdampfung von
Sprühmittelresten, die
tatsächliche
Temperaturänderung
der Luft innerhalb der Form und dergleichen auftreten.
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Vorzugsweise
kann die Druckeinstelleinrichtung wenigstens zwei Stellglieder bzw.
Unterdruckerzeugungsmittel zum individuellen Einstellen des Forminnendrucks
wäh rend
des Füllvorgangs
aufweisen. Dabei kann besonders vorteilhaft vorgesehen sein, dass
wenigstens eine Steuereinrichtung – insbesondere zum Ausgleichen
von Änderungen
wenigstens eines Prozeßparameters – und wenigstens
eine Regeleinrichtung – insbesondere
zum Ausgleichen wenigstens einer Störgröße – ausgebildet ist. In einem solchen
Fall kann vorgesehen sein, dass sowohl die Steuereinrichtung als
auch die Regeleinrichtung jeweils über eine eigene Unterdruckerzeugungsmittel bzw.
Stellglieder verfügen.
In anderer Ausgestaltung kann vorteilhaft jedoch auch vorgesehen
sein, dass wenigstens zwei Einrichtungen eine gemeinsame Zylinderanordnung
aufweisen. In einem derartigen Fall kann ein gemeinsames Stellglied
beispielsweise – je nach
Ansteuerung – zum
Steuern oder zum Regeln des Forminnendrucks innerhalb der Form verwendet werden.
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Mit
weiterem Vorteil sind die Unterdruckerzeugungsmittel gemäß Anspruch
6 als Zylinderanordnung ausgebildet. Eine solche Zylinderanordnung,
die beispielsweise hydraulisch, pneumatisch, elektrisch oder dergleichen
betrieben werden kann, ist vorzugsweise über geeignete Leitungselemente mit
der Druckgießform
verbunden, sodass über
deren Betätigung
der Innendruck innerhalb der Form definiert eingestellt werden kann.
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Vorzugsweise
kann nach Anspruch 7 wenigstens eine Speichereinrichtung vorgesehen
sein, die zumindest zeitweilig mit der Zentraleinheit zusammenwirkt.
In der Speichereinrichtung können beispielsweise
Referenzwerte, z.B. in Form von Schwellwerten, Steuerdaten und dergleichen
abgespeichert sein. Ebenso ist es möglich, beim Auftreten von Störgrößen oder
bei der Änderung
von Parameterwerten, diese Änderungen
in der Speichereinrichtung – zumindest
zeitweilig – abzuspeichern.
Dies macht beispielsweise spätere
Wartungs-, Reparaturarbeiten und dergleichen wesentlich einfacher,
da auf diese Datensätze
gezielt zurückgegriffen
werden kann.
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Die
wenigstens eine Speichereinrichtung kann beispielsweise als Bestandteil
der Zentraleinheit ausgebildet sein. Ebenso ist es denkbar, dass
die Speichereinrichtung als im Vergleich zur Zentraleinheit externe
Speichereinrichtung ausgebildet ist, auf die die Zentraleinheit
Zugriff nehmen kann. In einem solchen Fall kann es sich bei der
Speichereinrichtung beispielsweise um eine dezentrale Datenbank
handeln, auf die mehrere Einstelleinrichtungen zugreifen können, was
den Aufwand für
die Aufrechterhaltung, Pflege und Anpassung der jeweiligen Referenzdaten erheblich
vereinfacht.
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Anspruch
8 sieht vor, die Gießvorrichtung
mit einer Steuerung für
die Einfülleinrichtung
auszubilden, wobei die Steuerung zumindest zeitweilig mit der Zentraleinheit
der Druckeinstellvorrichtung zusammenwirkt. Die Steuerung der Einfülleinrichtung kann
beispielsweise entsprechende Signale an die Zentraleinheit geben,
wann der Füllvorgang
der Gießform
beginnt und wann dieser endet. Aufgrund dieser Daten ist es beispielsweise
möglich,
Aussagen über
das noch unbefüllte
Volumen innerhalb der Gießform
zu machen.
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Günstigerweise
ist die Gießform
gemäß Anspruch
9 als Standardgießform
ausgebildet und nach außen
abgeschlossen. Dabei sollten die Formteilung, die Schieberführungen
und dergleichen einigermaßen
dicht sein. Dennoch können
auch kleinere Leckagen, über
die Luft unkontrolliert aus der Form entweichen bzw. in diese eintreten
kann, kompensiert werden, da über
die Druckeinstellvorrichtung solche unvorhergesehen auftretenden
Störgrößen wirksam ausgeglichen
werden können.
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Sofern
gemäß Anspruch
10 die Unterdruckerzeugungsmittel zur Erzeugung eines Überdruckes
ausgebildet sind, können
diese zum Beispiel zum Ausblasen oder zum Füllen der Druckgießform mit
Luft oder einem Schutzgas angewandt werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird gemäß Anspruch 11 ein Verfahren
zum Druckgießen
bereitgestellt, wobei mittels einer Druckeinstelleinrichtung ein
vorbestimmter Wert für den
Forminnendruck einer Druckgießform
eingestellt wird, indem Unterdruckerzeugungsmittel einen Unterdruck
erzeugen und der Unterdruck von den als Stellglied arbeitenden Unterdruckerzeugungsmitteln auf
den vorbestimmten Wert eingestellt wird. Somit wird es auf einfache
Weise möglich,
Werkstü cke
mit hoher Qualität,
insbesondere mit einer sehr geringen Gasporosität, herzustellen. Insbesondere
ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
möglich,
eine Echtzeit geregelte Evakuierung eines Gießwerkzeugs während des
Füllvorgangs
zu realisieren.
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Gemäß Anspruch
12 weist die Druckeinstelleinrichtung eine Steuereinrichtung auf,
welche den Forminnendruck in Abhängigkeit
wenigstens einer Prozessgröße über das
Stellglied steuert.
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Mit
besonderem Vorteil werden nach Anspruch 13 Ist-Werte des Forminnendrucks
von einem Gasdrucksensor erfasst, wobei der Forminnendruck auf deren
Basis von einer Regeleinrichtung über das Stellglied geregelt
wird.
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Ebenso
ist denkbar, daß die
Druckeinstellvorrichtung wenigstens eine Steuereinrichtung und wenigstens
eine Regeleinrichtung mit einem gemeinsamen oder mit mindestens
zwei unabhängigen Stellgliedern
aufweist.
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Anspruch
14 sieht vor, die Druckeinstelleinrichtung über eine Steuereinheit für eine Einfülleinrichtung
zu aktivieren. In einem solchen Fall wirkt die Steuerung vorzugsweise
zumindest zweitweilig mit der Zentraleinheit der Einstellvorrichtung
zusammen. Zum Beispiel ist denkbar, dass die Druckeinstelleinrichtung
dann aktiviert wird, sobald der Gießkolben der Einfülleinrichtung
die Einfüllöffnung verschlossen hat.
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Durch
den Einsatz einer erfindungsgemäßen Einstellvorrichtung
in einer Gießvorrichtung
ist es nunmehr nicht mehr zwingend erforderlich, zusätzliche
Abdichtungen für
die Werkzeuge und die Gießvorrichtung
vorzusehen, da eventuell auftretende kleinere Undichtigkeiten (Störgrößen) über die
Einrichtung ausgeglichen werden können. Weiterhin ist es möglich, Werkstücke mit
verbessertem Materialeigenschaften herzustellen, insbesondere im
Hinblick auf die kristalline Struktur, die Dehnung, die Zugfestigkeiten
und das Maß der
Qualitätsstreuung
der Materialeigenschaften weiter zu reduzieren.
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Durch
die vorliegende Erfindung lassen sich im Vergleich zu den aus dem
Stand der Technik bekannten Lösungen
eine ganze Reihe von Vorteilen realisieren. So ist es beispielsweise
möglich,
die im Zusammenhang mit dem Poraldruckgussverfahren auftretenden
Restgaseinschlüsse
innerhalb der Werkstücke
zumindest weitestgehend zu beseitigen. Weiterhin kann die gießbare Wandstärke der
herzustellenden Werkstücke
durch eine schnellere Formfüllung
auf dünnere
Wandstärken
als bisher üblich
erweitert werden. Darüber
hinaus kann der Materialverschleiss im Angussbereich der Form durch
eine geringere Gießgeschwindigkeit
reduziert werden. Schließlich
lassen sich auch bessere Materialeigenschaften im Vergleich zu den
bisher bekannten Lösungen
erreichen. Ein zusätzlicher
Vorteil liegt insbesondere auch darin, dass Formen mit mehreren Schiebern
ohne Abdichtungsprobleme genutzt werden können.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Druckgießvorrichtung, wobei eine Steuerung/Regelung
des Forminnendruckes mit Hilfe von zwei Pneumatikzylindern erfolgt;
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2 eine
schematische Darstellung einer Druckgießvorrichtung, wobei eine Steuerung/Regelung
des Forminnendruckes mit Hilfe von einem einzigen Pneumatikzylindern
erfolgt und
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3 eine
schematische Darstellung einer Druckgießvorrichtung, wobei eine Steuerung/Regelung
des Forminnendruckes mit Hilfe von zwei Mehrkammer-Pneumatikzylindern
erfolgt.
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In
den 1–3 zeigen
jeweils eine Druckgießvorrichtung 100 mit
einer zweiteiligen Gießform 110,
die wiederum aus den beiden Formteilen 120, 130 besteht.
Das Formteil 130 kann beispielsweise ortsfest angeordnet
sein, während
das Formteil 120 verschiebbar angeordnet ist. Während des
Gießvorgangs
sind die Formteile 120, 130 geschlossen. Nach
Abschluss des Gießvorgangs
werden die Formteile 120, 130 auseinandergefahren,
sodass das gegossene Werkstück
aus der Gießform 110 entnommen
werden kann.
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Die
Gießvorrichtung 100 verfügt weiterhin über eine
Einfülleinrichtung 140,
welche die Aufgabe hat, schmelzflüssiges Gießmaterial in die Gießform 110 einzufüllen. Dazu
umfasst die Einfülleinrichtung 140 einen
Einfüllzylinder 141 und
einen verschiebbaren Gießkolben,
dessen Stellung von einem Wegmeßsystem 273 erfasst
wird und an eine eine Steuereinheit 150 zur Steuerung oder
Regelung der Einfülleinrichtung 140 weitergegeben
wird.
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Um
nun während
des Formfüllvorgangs
den Forminnendruck auf einem definierten – nicht unbedingt zeitlich
konstanten – Niveau
zu halten, was das Herstellen von Werkstücken mit geringer Restporosität bei gleichzeitig
hoher Prozesssicherheit und -reproduzierbarkeit ermöglicht,
verfügt
die Gießvorrichtung 100 weiterhin über eine
Druckeinstelleinrichtung 200 zum Einstellen eines definierten
Forminnendrucks.
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Gemäß 1 weist
die Druckeinstelleinrichtung 200 eine Steuereinrichtung 210 auf,
die über Unterdruckerzeugungsmittel
in Form eines Pneumatikzylinders 211 verfügt. Weiterhin
weist die Einstellvorrichtung eine Regeleinrichtung 220 auf,
die von der Steuereinrichtung 210 unabhängig ist und die ebenfalls über einen
Pneumatikzylinder 212 zur Unterdruckerzeugung verfügt. Beide
Zylinder 211, 212 weisen in deren Innenraum je
einen verschiebbaren Kolben 213, 214 auf, welcher über eine
Kolbenstange mit einem als Linearantrieb 215, 216 ausgebildeten
Stellantrieb zusammenwirkt und durch dessen Verschiebung das Volumen
von Zylinderkammern 217, 218 variiert werden kann.
Die Zylinderkammern 217, 218 sind über über Leitungselemente 221, 222 mit
einem Mehrwegeventil 223 und von dort mit einem weiteren
Leitungselement 224 mit dem Innenraum der Druckießform 110 verbunden.
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Zum
Betreiben der Steuereinrichtung 210 und der Regeleinrichtung 220 ist
eine Zentraleinheit 230 mit einer Rechnereinheit 260 vorgesehen.
Die Zentraleinheit um fasst im vorliegenden Beispiel Steuermittel 240,
welche mit dem Linearantrieb 216 des Pneumatikzylinders 211 verbunden
sind und weist Regelmittel 250 auf, die mit dem Linearantrieb 215 des
Pneumatikzylinders 212 verbunden sind. Das heißt, die
zur Unterdruckerzeugung dienenden Zylinder 211, 212 stellen
gleichzeitig die Stellglieder der Steuerung und der Regelung dar.
Die Steuermittel 240 und Regelmittel 250 sind
unabhängig
voneinander ausgebildet und werden über die Rechnereinheit 260 betätigt.
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Die
Zylinder 211, 212 können gleich groß dimensioniert
werden oder es kann, wie in 1 dargestellt,
der Steuerzylinder 211 im Vergleich zum dem Regelzylinder 212 mit
einem größeren Volumen ausgelegt
sein. Damit kann z.B. der der Zylinder 211 als Steuerzylinder
arbeiten und den angestrebten Forminnendruck näherungsweise, ungeachtet von Störgrößen, erzeugen.
Der kleinere Zylinder 212 arbeitet dabei als Regelzylinder
und kann durch Störgrößen hervorgerufene
Abweichungen des angestrebten Druckverlaufs durch eine Kolbenbewegung unter
einer Volumenvergrößerung oder
einer Volumenabnahme ausgleichen.
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Weiterhin
kann auch wenigstens eine, im vorliegenden Beispiel nicht explizit
dargestellte, Speichereinrichtung vorgesehen sein, die zumindest
zeitweilig mit der Zentraleinheit 230 zusammenwirkt und in
der unterschiedliche Daten abgespeichert sein können. Das Mehrwegeventil 223 kann
ebenfalls von den Regelmitteln 250 und/oder von den Steuermitteln 240 angesteuert
werden und kann den mit der Druckgießform verbundenen Leitungsabschnitt 224 entweder
gegenüber
den Pneumatikzylindern 211, 212 dicht verschließen, mit
beiden Zylindern 211, 212 gleichzeitig oder wahlweise
mit nur einem Zylinder 211, 212 verbinden. Die
Stellantriebe 215, 216 können in einer Vorwärts- und
einer Rückwärtsrichtung betrieben
werden, was bedeutet, dass die Zylinder 211, 212 sowohl
im Saugbetrieb als auch im Druckbetrieb arbeiten können. Die
Zentraleinheit 230 wirkt zumindest zeitweilig mit der Steuereinheit 150 der Einfülleinrichtung 140 zusammen.
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Innerhalb
des Leitungsabschnitts 224 ist zur Erfassung von Ist-Werten
des des Forminnendruckes ein Gasdrucksensor 270 angeordnet,
um entsprechende Meßwerte über eine
Datenleitung 271 an die Regelmittel 250 zu übergeben.
Zusätzlich
können Gasdrucksensoren
an den Formteilen 120, 130 angeordnet sein.
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An
der Druckgießvorrichtung 100 einschließlich der
Einfüllvorrichtung 140 und
der Steuereinheit 150 sind weitere Sensorelemente 272, 273, 274 zum Erfassen
von Ist-Werten von
Prozeßgrößen vorgesehen,
welche über
Datenleitungen 275, 276 mit der Steuereinheit 150 und über Datenleitungen 277, 278 mit
der Zentraleinheit 230 kommuniziert werden. Bei den Prozeßgrößen kann
es sich beispielsweise um die Prozesszeit, die Kolbenstellung der
Einfüllvorrichtung,
die Luftfeuchte und die Temperaturen an bestimmten Orten in der
Gießform
usw. handeln.
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Zur
Erzeugung eines Unterdruckes wird der Kolben in einem oder in beiden
Zylindern 211, 212 unter Volumenvergrößerung der
Druckkammern 217, 218 nach rechts bewegt, wobei über dessen
Verfahrgeschwindigkeit und dessen Hub der Druck gezielt verändert werden
kann. Bei einem Stillstand des Kolbens erfolgt ein allmählicher
Druckanstieg infolge eines Druckausgleichs über die in der Gießform 110 enthaltenen
Leckagen. Das heißt
zur Aufrechterhaltung oder Einstellung eines konstanten Forminnendruckes
kann bei einer ideal dichten Gießform 110 der Kolben
nach einem bestimmten Hub angehalten werden. Im Realfall weist die
Gießform 110 jedoch kleine
Leckagen auf, so dass der Kolben zum Ausgleich der Leckströmung gleichförmig bewegt
wird. Bei ansonsten konstanten Verhältnissen bewirkt eine Erhöhung der
Verfahrgeschwindigkeit eine Druckerniedrigung in der Form, wogegen
eine geringere Verfahrgeschwindigkeit eine Druckerhöhung bewirkt.
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Das
in 2 dargestellte Beispiel unterscheidet sich von
dem in 1 erläuterten
Beispiel dadurch, dass die Steuermittel 240 und die Regelmittel 250 zu
einer einzigen Bauteilgruppe 300 zusammengefaßt sind
und nur ein einziger Pneumatikzylinder 310 vorgesehen ist,
der je nach Ansteuerung entweder steuernd oder regelnd tätig wird.
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Nachfolgend
wird nun beispielhaft die Funktionsweise der Gießvorrichtung 100 gemäß den 1 und 2 beschrieben.
Aufgabe der Einstellvorrichtung 200 während des Formfüllvorgangs
ist es, den Forminnendruck auf einem vorab definierten konstanten
oder von einem oder mehreren Parametern, bspw. der Stellung des
Einpresskolbens, der Temperatur, der Luftfeuchte, abhängigen Wert
einzustellen, der beispielsweise in einem Bereich von 200mbar oberhalb
und unterhalb des Atmosphärendruckes
liegen kann.
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Der
Füllvorgang
der Gießform 110 wird
begonnen, indem die Einfülleinrichtung 140 gestartet wird.
Nach Verschließen
der Einfüllöffnung durch
den Gießkolben
der Einfülleinrichtung 140 wird
die Druckeinstellvorrichtung 200 aktiviert.
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Über die
Steuereinrichtung 210 kann im vorliegenden Beispiel beispielsweise
ein grober Ausgleich von Volumen- und Temperaturänderung der Luft in der Gießform 110 während des
Einfüllvorgangs
erfolgen. Die Volumenänderung
wird durch das Einfüllen
von Schmelzmaterial in die Einfülleinrichtung 140 erzeugt.
Wenn nun die Steuereinheit 150 den Beginn des Formfüllvorgangs
sowie die Füllgeschwindigkeit
an die Steuermittel 240 der Zentraleinheit 230 überträgt, kann
in dieser das jeweils noch freie, nicht mit Füllmaterial befüllte Restvolumen
ermittelt werden. Eine Temperaturänderung innerhalb der Gießform 110 kann
beispielsweise durch Wärmeübertragung
von heißem
Material erzeugt werden. Wie in 1 gezeigt
ist, kann der Zylinder 211 der Steuereinrichtung 210,
beispielsweise basierend auf den von dem Wegmeßsystem der Einfülleinrichtung 140 ermittelten
Bewegungsdaten und gegebenenfalls der Temperaturmessungen mittels
des Sensors 272 gesteuert werden. Zu diesem Zweck können die jeweils
ermittelten Parameterwerte beispielsweise in der Zentraleinheit 230 mit
dort vorliegenden Referenzwerten, beispielsweise in Form von Steuerkurven
oder dergleichen verglichen werden. Anhand der Steuerkurve, die
beispielsweise auf der Basis zuvor durchgeführter Testserien erstellt worden
ist, kann von der Zentraleinheit 230 nunmehr automatisch
bestimmt werden, in wel che Position der Zylinder 211 der
Steuereinrichtung 210 verfahren werden muss, um einen entsprechenden
Innendruck innerhalb der Form 110 zu erzeugen.
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Während des
Füllvorgangs
ist es jedoch auch möglich,
dass unvorhergesehene Druckschwankungen durch Störeinflüsse auftreten, die bei Nichtbeachtung
zu einer Qualitätsminderung
des hergestellten Werkstücks,
im schlimmsten Fall zu einem Werkstückausschuss führen würden. Um
diesen Druckschwankungen wirksam entgegenwirken zu können, weist
die Druckeinstellvorrichtung 200 die Regeleinrichtung 220 mit
dem mindestens einen Gasdrucksensor 270 auf. Unvorhersehbare
und damit unkalkulierbare Druckschwankungen können beispielsweise durch Undichtigkeiten
der Form, der Kernzüge,
der Auswerfer, der Formteilung, durch eine Verdampfung von Sprühmittelresten
oder durch eine tatsächliche
Temperaturänderung
der Luft innerhalb der Form, die von den angenommenen Werten im
Zusammenhang mit den Steuerkurven abweicht, hervorgerufen werden.
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Die
Regelmittel 250 vergleichen die eingehenden Ist-Werte des
Forminnendrucks mit entsprechenden Referenzwerten (Sollwerte), bei
denen es sich beispielsweise um Schwellwerte handeln kann. Bei Unterschreiten
bzw. Überschreiten
der Schwellwerte wird der Zylinder 212 der Regeleinrichtung 220 in
entsprechender Weise aktiviert, sodass der Innendruck innerhalb
der Gießform 110 in
der gewünschten
Weise beeinflusst werden kann. Dadurch können die aufgetretenden Störgrößen wirksam
ausgeregelt werden, ohne das es zu Qualitätseinbußen bei dem hergestellten Werkstück kommt.
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Durch
die Einstellvorrichtung 200, die eine zu der Einfülleinrichtung 140 unabhängig betreibbare Steuereinrichtung 210 und
Regeleinrichtung 220 aufweist, wird es nunmehr möglich, den
Forminnendruck während
eines Formfüllvorgangs
auf einem definierten Niveau zu halten, wobei etwaige Parameterveränderungen
bzw. das Auftreten unerwünschter Störgrößen unabhängig vom
Betrieb der Einfülleinrichtung 140 ausgeglichen
bzw. ausgeregelt werden können.
Nachdem die Formfüllung
beendet ist, wird die Einstellvorrichtung 200 deaktiviert.
Dies kann beispielsweise über
ein entsprechendes Signal erfolgen, das von der Steuereinheit 150 der
Einfülleinrichtung 140 an
die Zentraleinheit 230 der Einstellvorrichtung 200 übertragen
wird.
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Die
in 2 dargestellte Lösung arbeitet ähnlich,
jedoch mit dem Unterschied, daß der
einzige Zylinder 310 in diesem Fall entweder als Steuerzylinder
mit den Steuermitteln 240 betrieben wird oder als Regelzylinder
mit den Regelmitteln 250 arbeiten kann. Beispielsweise
kann in verschiedenen Phasen eines Druckgießzyklus nur eine Steuerung
des Forminnendrucks erfolgen, wohingegen z.B. beim Füllen der
Form 110 eine Druckregelung erforderlich ist. Vorteil hierbei
ist, daß nur
ein einziger Zylinder benötigt
wird.
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In 3 ist
eine weitere Variante der Erfindung dargestellt, wobei zunächst ebenso
wie in 1 gezeigt, zwei Pneumatikzylinder 211, 212 mit Zylinderkammern 217, 218 und
mit diesen verbundenen Leitungselemente 221, 222 vorhanden
sind. Zusätzlich
sind auf der an den Kolben 213, 214 gegenüberliegenden
Räumen
Zylinderkammern 323 und 324 ausgeführt, die über Leitungselemente 321, 322 gemeinsam
mit den Leitungselementen 221, 222 an einem Mehrwegeventilblock 290 angeschlossen sind,
von dem wiederum ein Leitungselement 224 an die Druckgußform 110 angeschlossen
ist. Der Mehrwegeventilblock 290 kann wahlweise von den
Regelmitteln 250 oder den Steuermitteln 240 elektronisch angesteuert
werden und kann wahlweise die Zylinderkammern 217, 218, 323, 324 mit
der Druckgußform 110 verbinden.
An dem Mehrwegeventilblock 290 ist über ein weiteres Leitungselement 292 ein Schutzgascontainer 294 und
zum Ausblasen von Gasen oder zum Ansaugen von Luft eine Auslaßöffnung 295 angeordnet.
Der Mehrwegeventilblock 290 ist auch dazu ausgebildet,
wahlweise eine Strömungsverbindung
von dem Schutzgascontainer 294 oder der Auslaßöffnung 295 zu
einem oder mehreren der Zylinderkammern 217, 218, 323, 324 und/oder
zu der Druckgußform 110 herzustellen.
Alternativ oder zusätzlich
kann auch für
jede der Zylinderkammern 217, 218, 323, 324 eine
separat anzusteuernde Auslaßöffnung an
dem Mehrwegeventilblock 290 vorgesehen sein.
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Beispielsweise
kann der Zylinder 211 mit den Steuermitteln 240 verbunden
sein und als Stellglied für
die Steuereinrichtung 210 arbeiten und der Zylinder 212 mit
den Regelmitteln 250 verbunden sein und als Stellglied
für die
Regeleinrichtung 220 arbeiten. Wenn der Steuerzylinder 211 voll
ausgesteuert ist und dessen Kolben 214 eine Endstellung
erreicht hat, kann durch eine Umschaltung des Mehrwegeventilblocks 290 die
jeweils andere der beiden mit dem Zylinder 211 verbundenen
Leitungselemente 222, 322 mit dem Mehrwegeventilblock 290 in
Verbindung gebracht und gleichzeitig beispielsweise durch die Zentraleinheit 230 die
Bewegungsgrichtung des Kolbens 214 umgekehrt werden. Hierbei
treten zwangsläufig Druckstörungen auf,
die durch den Regelzylinder 212 in Verbindung mit den Regelmitteln 250 ausgeregelt werden.
Erreicht aber der Kolben 213 des Regelzylinders 212 seine
Endstellung kann dieser nicht ohne weiteres in seiner Bewegungsrichtung
umgekehrt werden, da während
der Umschaltung keine Regelung aktiv wäre, die die entstehenden Druckstörungen ausregeln
könnte.
Deshalb wird vor der Umkehr der Bewegungsrichtung des Regelzylinders 212 innerhalb
der Zentraleinrichtung 230 die Funktion der beiden Unterdruckerzeugungseinrichtungen 210, 220 physikalisch
und logisch getauscht, so dass jetzt der Zylinder 212 als
Steuerzylinder mit dem Steuermittel 240 zusammenarbeitet.
Jetzt kann die Bewegungsrichtung des Steuerzylinders 212 analog,
wie vorher anhand des Zylinders 211 beschrieben, umgekehrt
werden.
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Das
soeben beschriebene Arbeitsverfahren führt somit zu einer Erweiterung
des Stellbereichs. Aufgrund dessen ist es möglich, innerhalb gewisser Dynamikgrenzen
mit relativ kleinen Zylindern 212, 213 zu arbeiten,
wodurch die Gesamtbaugröße der Druckeinstelleinrichtung 200 erheblich
reduziert werden kann.
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Die
Gießform 110 kann
vor und/oder während
des Gießvorgangs
mit einer Schutzgasatmosphäre
geflutet werden. Das Schutzgas kann dazu von einem oder beiden Zylindern 212, 213 zunächst aus dem
Schutzgascontainer 294 angesaugt und dann in die Gießform 110 eingeblasen
werden und nach dem ein Schutzgas erfordernden Prozeß oder -schritt
wieder abgesaugt und danach wieder in den oder einen anderen Container
zurückgeführt oder
in die Atmosphäre
z.B. über
die Einfüllöffnung der
Gießform 110 oder über die
Auslaßöffnung 295 des
Mehrwegeventilblocks 290 ausgeblasen werden.
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Mit
der Zylinderanordnung 212, 213 können auch
die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gießzyklen auf die Gießform 110 eingebrachten
kohlenwasserstoffhaltigen Trennmitteldämpfe mit Luft oder einem Schutzgas über eine
Einfüllöffnung der
Einfülleinrichtung 140 ausgeblasen
werden, wodurch insbesondere die Sensoreinheit 270 vor
diesen aggresiven Medien geschützt
wird.
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Es
soll hervorgehoben werden, dass durch die Einstellvorrichtung 200 keine
nennenswerten Änderungen
an der Druckgießform 110 notwendig
sind, so dass zur Anwendung der beschriebenen Verfahren eine normale
Standarddruckgußvorrichtung
Verwendung finden kann. Kleinere Leckagen, wie diese bei derartigen
Formen üblich
sind, wirken sich nicht störend
aus, da der Forminnendruck während
des Gießvorgangs
in einem dem Atmosphärendruck
nahen Bereich eingestellt wird und ein Druckausgleich durch die
verbleibenden Öffnungen
im Vergleich zu einem Verfahrenszyklus beim Druckgießen sehr langsam
erfolgt. Zur Adaption einer der beschriebenen Einstelleinrichtungen 200 sind
an einer Standarddruckgießvorrichtung
nur geringfügigen
Modifikationen nötig:
An der Steuereinheit 150 wird eine Schnittstelle zur Einstelleinrichtungen 200 implementiert,
was bei modernen speicherprogrammierbaren Steuerungen keine Probleme
darstellt. Des Weiteren wird die Entlüftung der Druckgussform dahingehend modifiziert,
dass, soweit mehrere einzelne Entlüftungen vorhanden sind, diese
zusammengeführt
und mit einem gemeinsamen Anschlussstück versehen werden.
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Zwischen
der Druckgießvorrichtung 110 und der
Druckeinstelleinrichtung 200 sind gemäß den Ausführungsbeispielen lediglich
das pneumatische Leitungselement 224 und elektrische Signalleitungen ausgeführt, so
dass die Druckeinstelleinrichtung 200 insgesamt sehr einfach
auch mobil gestaltet und nur zeitweise einer bestimmten Druckgießvorrichtung
zugeordnet sein kann.