DE202021001848U1 - Vorrichtung zum Druckunterstützten Vertikal-Schwerkraftguss (DVSG) von metallischen Werkstoffen - Google Patents

Abstract

Geschützt werden soll eine Vorrichtung zur Herstellung metallischer Bauteile, vorzugsweise für die Leichtbauwerkstoffe Aluminium und Magnesium, welche gekennzeichnet wird durch:
1. die Verwendung einer nach oben geöffneten Sand-, Fein- oder Stahlgussform in Kombination mit einem beheizbaren / kühlbaren metallischen Stempel - nach Anspruch 1, 2, 3.
2. die Verwendung eines temperierbaren (beheiz- / kühlbaren), metallischen Stempels, welcher mithilfe einer hydraulischen / mechanischen Presse von oben in die offene, horizontalen Teilungsebenen der Sand-, Fein- oder Stahlgussform auf das Ausgangsmaß (~ Bauteildicke) abgesenkt werden kann - nach Anspruch 2, 3.
3. die langsame, händische oder mittels Dosiereinrichtung gesteuerte Füllung der Sand-, Fein- oder Stahlgussform zur Vermeidung von Verwirbelungen. Durch die laminare Füllung wird eine geringere Gasaufnahme der Schmelze und damit verbesserte Qualität des Bauteils gewährleistet - nach Anspruch 4.
4. die Möglichkeit zur Steuerung des Wärmehaushaltes des Gesamtsystems über den metallischen Stempel => (1) Durch die zusätzliche Einbringung von Wärme über das gesamte Bauteil lassen sich schwer zu vergießende Legierungen bzw. sehr komplexen Bauteil Geometrien realisieren. (2) Durch Kühlung des gesamten Bauteil wird aufgrund rascher Erstarrung der Schmelze ein feinkörnigeren Gefüges erzeugt - nach Anspruch 5, 6.
5. die Reduzierung / Vermeidung von Porosität des Bauteil aufgrund der Volumenschrumpfung beim Übergang flüssig <=> fest, durch gezieltes Absenken des Stempels und Aufbringung eines definierten Drucks bis zur vollständigen Erstarrung des Gussbauteils - nach Anspruch 7, 8.
6. die Möglichkeit zur Herstellung komplexer, dünnwandiger Leichtbauteile (inkl. Hinterschnitte) mit z.B. Sandguss-Struktur - nach Anspruch 1, 2.
7. die Möglichkeit zur Herstellung (1) dünner / leichte, (2) nahezu porenfreie/ druckdichte, (3) schweißbare und (4) maßhaltige Gussbauteile - nach Anspruch 2, 3, 8.
8. die Möglichkeit zur zeitgleichen Füllung mehrerer Formen und der damit verbundenen Herstellung mehrerer Gussbauteile mit einem Hub - nach Anspruch 9.
9. die Möglichkeit zum Auswerfen der Bauteile aus der Form durch die Verwendung eines Abstreiferrings oben und Auswerfer bei Verwendung von Pressen mit Unterlufttisch.
10. die Möglichkeit der Strukturierung von Sichtflächen des Bauteiles als Designelemente => erhebliche Vorteile für Stylinganwendungen.

Description

• Stand der Technik:
• Der kürzeste Weg vom Rohmetall zum fertigen Produkt geht mit Hilfe des Gießens. Hierbei wird unterschieden zwischen Verfahren, die mit „verlorenen Formen“ (Formen, welche nach jedem Guss zerstört werden => z. B. Sandguss) sowie mit Dauerformen arbeiten, mit denen eine große Anzahl von Gussstücke hergestellt werden können (=> z. B. Kokillen-, Nieder- bzw. Druckguss).
• Allen gießtechnischen Verfahren ist gemeinsam, dass eine die Gestalt des Bauteils abbildende Form herzustellen ist, in welche das Metall eingegossen wird und in der es erstarrt.
• Sandguss (=> verlorene Form)
• Sandguss ist eine der ältesten Fertigungstechniken und wird seit Jahrhunderten zur Herstellung von metallischen Komponenten eingesetzt. Das Sandgussverfahren ist ein manuelles Gussverfahren, bei dem geschmolzenes Metall in den Hohlraum einer Sandform gegossen wird. Sandguss ist die einfachste Art des Gießens und findet normalerweise Einsatz für die Herstellung von Prototypen und Kleinserien - für die Großserienfertigung werden meist vollautomatische Systeme, wie z.B. Kalt- oder Warmkammer-Druckgießen, Niederdruck- oder Kokillenguss bevorzugt. In Verbindung mit Kernen bieten die Sandgießverfahren sehr weitreichende Konstruktionsmöglichkeiten.
• Beim Sandguss wird ein Formsand-Binder-Gemisch in einen Formkasten gefüllt und anschließend verdichtet. Die Verdichtung kann von Hand (Handformguss) oder maschinell (Maschinenformguss) erfolgen. Durch das Zusammenlegen zweier Formhälften wird ein Hohlraum erzeugt, in den flüssiges Metall unter Schwerkraft (laminare Füllung) eingegossen werden kann, welches anschließend unter Normaldruck erstarrt. Der Sand kann in einem Kreislaufprozess aufbereitet (3-5x) und wiederverwertet werden.
• Kokillenguss (=> Dauerform)
• Beim Kokillenguss wird flüssiges Metall unter Schwerkraft in eine wiederverwendbare zweiteilige Metallform gegossen, wo dieses unter Normaldruck erstarrt. Aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit der Metallkokille kann im Vergleich zum Sandguss in gleichem Zeitraum mehr Wärme abgeführt werden, was in der Regel ein dichteres und feinkörnigeres Gefüge zur Folge hat, das wiederum höhere Festigkeitswerte ermöglicht.
• Bei kleinere Stückzahlen erfolgt die Bauteilherstellung mittels Kokillenguss per Handfüllung; bei höheren Stückzahlen kann dies auch maschinell / automatisiert erfolgen.
• Die langsame Füllung der Sandform bzw. Kokille unter Niederdruck gewährleistet eine laminare Strömung mit zusammenhängenden Fließfronten. Hierdurch lässt sich ein homogenes Gefüge mit geringen Luft- oder Trennmitteleinschlüssen realisieren. Das Resultat sind nahezu porenfreie, druckdichte und schweißbare Gussbauteile mit deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften (Festigkeiten / Bruchdehnungen).
• Beschreibung:
• Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung metallischer Gussbauteile, vorzugsweise aus den Leichtmetallen Aluminium und Magnesium, basierend auf einer Kombination aus Schwerkraftguss und Pressen - nachfolgend „Druckunterstützter Vertikal-Schwerkraftguss (DVSG) genannt.
• Im Gegensatz zum herkömmlichen Sand- / Kokillenguss mit zweiteiligen (Sand-Sand bzw. Metall-Metall) Formen, basiert die hier beschriebene „DVSG“-Vorrichtung aus einer nach oben geöffneten Sand-, Fein- oder Stahlgussform (Sandform-Matrize - Fig.[1.1] ; Aufnehmer-Matrize - Fig.[1.2]) sowie einen absenkbaren, temperierbaren, metallischen Stempel - Fig.[2].
• Der beheiz- oder kühlbare, metallische Stempel - Fig.[2] wird mithilfe einer hydraulischen oder mechanischen Presse - Fig.[3.1] ; Fig.[3.2] von oben in die offene, horizontalen Teilungsebenen der Sand-, Fein- oder Stahlgussform auf das Ausgangsmaß (~ Bauteildicke) abgesenkt. Hierdurch lassen sich insitu unterschiedliche Wandstärken des finalen Bauteils - Fig.[4] einstellen.
• Die Sand-, Fein- oder Stahlgussform wird entweder händisch oder mittels Dosiereinrichtung langsam (Anguß - Fig.[1.3]) gefüllt. Durch die laminare Füllung wird eine geringere Gasaufnahme der Schmelze gewährleistet.
• Der metallische Stempel - Fig.[2] kann bei schwer zu vergießenden Legierungen bzw. sehr komplexen Bauteilgeometrien beheizt werden und so zusätzliche Wärme über das gesamte Bauteil in das System einbringen.
• Dem Gesamtsystem kann auch definiert Wärme über einen gekühlten Stempel - Fig.[2] entzogen werden, was zu einer rascheren Erstarrung, einem feinkörnigeren Gefüge und so zu einer verbesserten Qualität des finalen Bauteils - Fig.[4] führt.
• Das vollständig gefüllte Gussbauteil kann zur Reduzierung der Volumenschrumpfung bis zur vollständigen Erstarrung durch weiteres Absenken des Stempels - Fig.[2] komprimiert werden. Hieraus ergibt sich eine geringere Schrumpfung und damit genauere Maßhaltigkeit des finalen Bauteils.
• Verglichen mit dem herkömmlichen Sandguss-Verfahren lassen sich mit der hier beschriebenen „DVSG“-Vorrichtung: (1) deutlich dünnere / leichtere, (2) nahezu porenfreie / druckdichte, (3) schweißbare und (4) maßhaltigere Gussbauteile - Fig.[4] realisieren.
• Mithilfe des hier beschriebenen „DVSG“-Vorrichtung lassen sich mit einem „Hub“ zeitgleich auch mehrere Formen füllen / verdichten.

Claims (1)

1. Geschützt werden soll eine Vorrichtung zur Herstellung metallischer Bauteile, vorzugsweise für die Leichtbauwerkstoffe Aluminium und Magnesium, welche gekennzeichnet wird durch: 1. die Verwendung einer nach oben geöffneten Sand-, Fein- oder Stahlgussform in Kombination mit einem beheizbaren / kühlbaren metallischen Stempel - nach Anspruch 1, 2, 3. 2. die Verwendung eines temperierbaren (beheiz- / kühlbaren), metallischen Stempels, welcher mithilfe einer hydraulischen / mechanischen Presse von oben in die offene, horizontalen Teilungsebenen der Sand-, Fein- oder Stahlgussform auf das Ausgangsmaß (~ Bauteildicke) abgesenkt werden kann - nach Anspruch 2, 3. 3. die langsame, händische oder mittels Dosiereinrichtung gesteuerte Füllung der Sand-, Fein- oder Stahlgussform zur Vermeidung von Verwirbelungen. Durch die laminare Füllung wird eine geringere Gasaufnahme der Schmelze und damit verbesserte Qualität des Bauteils gewährleistet - nach Anspruch 4. 4. die Möglichkeit zur Steuerung des Wärmehaushaltes des Gesamtsystems über den metallischen Stempel => (1) Durch die zusätzliche Einbringung von Wärme über das gesamte Bauteil lassen sich schwer zu vergießende Legierungen bzw. sehr komplexen Bauteil Geometrien realisieren. (2) Durch Kühlung des gesamten Bauteil wird aufgrund rascher Erstarrung der Schmelze ein feinkörnigeren Gefüges erzeugt - nach Anspruch 5, 6. 5. die Reduzierung / Vermeidung von Porosität des Bauteil aufgrund der Volumenschrumpfung beim Übergang flüssig <=> fest, durch gezieltes Absenken des Stempels und Aufbringung eines definierten Drucks bis zur vollständigen Erstarrung des Gussbauteils - nach Anspruch 7, 8. 6. die Möglichkeit zur Herstellung komplexer, dünnwandiger Leichtbauteile (inkl. Hinterschnitte) mit z.B. Sandguss-Struktur - nach Anspruch 1, 2. 7. die Möglichkeit zur Herstellung (1) dünner / leichte, (2) nahezu porenfreie/ druckdichte, (3) schweißbare und (4) maßhaltige Gussbauteile - nach Anspruch 2, 3, 8. 8. die Möglichkeit zur zeitgleichen Füllung mehrerer Formen und der damit verbundenen Herstellung mehrerer Gussbauteile mit einem Hub - nach Anspruch 9. 9. die Möglichkeit zum Auswerfen der Bauteile aus der Form durch die Verwendung eines Abstreiferrings oben und Auswerfer bei Verwendung von Pressen mit Unterlufttisch. 10. die Möglichkeit der Strukturierung von Sichtflächen des Bauteiles als Designelemente => erhebliche Vorteile für Stylinganwendungen.

Images