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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten der Wandungen einer
Form gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 zur Urformung bzw. Umformung eines Formteils nach
einem abgeschlossenen Formungszyklus und Entnahme des Formteils aus
der Form auf den nächstfolgenden
Formungszyklus, umfassend die Schritte:
- a)
die Formwandungen werden auf eine gewünschte Temperatur gebracht,
und
- b) ein Formwandbehandlungsmittel wird auf die Formwandungen
aufgebracht.
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Verfahren
zum Vorbereiten der Wandungen einer Form sind im Stand der Technik
bekannt und werden beispielsweise bei der Herstellung von Formteilen
mittels Formungsverfahren eingesetzt, wie sie in Fachkreisen unter
den Bezeichnungen Druckguss, Thixo-Casting, Thixo-Forming, Vacural-Druckguss, Squeeze-Casting
und dergleichen bekannt sind. Der Stand der Technik soll nachfolgend
beispielhaft anhand der Vorbereitung der Formwandungen einer Form
für den
Metalldruckguss erläutert
werden, wobei jedoch betont sei, dass analoge Probleme auch bei
Umformungsverfahren, beispielsweise Schmiedeverfahren, auftreten.
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Zur
Herstellung eines Formteils wird flüssiges oder halbflüssiges Metall
aus Leicht- oder Schwermetalllegierungen üblicherweise unter Druck in
eine geteilte, geschlossene Form aus Stahl eingebracht und erstarrt.
Gleichzeitig erwärmt
sich die Form aufgrund der an sie übertragenen Wärme des erstarrenden
Materials. Unter Produktionsbedingungen, d.h. bei der Herstellung
möglichst
vieler Gussteile in geringem zeitlichem Abstand, würde sich
die Form immer weiter erwärmen.
Zur Erzielung einer guten Gussqualität sollte die Form jedoch möglichst bei
jedem Produktionszyklus die gleiche Anfangstemperatur aufweisen.
Daher muss der Form unter Produktionsbedingungen üblicherweise
laufend Wärme
entzogen werden, damit sich ein thermisches Gleichgewicht zwischen
der Wärmemenge,
die das Metall an die Form abgibt, und der Wärmemenge, die die Form als
Wärmestrahlung
an die Umgebung abgibt bzw. die ihr durch zusätzliche Kühlung entzogen wird, und somit
eine annähernd
gleichbleibende Formtemperatur einstellt.
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Natürlich kann
anstelle der zusätzlichen Kühlung auch
eine zusätzliche
Erwärmung
der Form erforderlich werden. Dies wird beispielsweise dann der
Fall sein, wenn in eine massereiche Form nur wenig Metall eingegossen
wird, also beispielsweise bei der Herstellung feingliedriger Formteile.
In diesem Fall kann es nämlich
geschehen, dass die Form mehr Wärme
an die Umgebung abstrahlt, als dies für die Aufrechterhaltung einer
für das
Gießverfahren
günstigen
Formtemperatur erwünscht
ist. Daher wird mit Bezug auf die vorliegende Erfindung ganz allgemein von
der "Temperierung" der Form gesprochen,
um sowohl die Möglichkeit
einer Kühlung
als auch einer Erwärmung
der Form zu erfassen.
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Neben
der Temperierung der Form muss die Oberfläche der Formwandung nach der
Entnahme des zuletzt gefertigten Formteils und vor dem erneuten
Einbringen flüssigen
Metalls in die Form mit einem Schmier- und Trennmittel behandelt
werden. Dieses Formwandbehandlungsmittel hat primär die Aufgabe,
ein Verschweißen
oder Verkleben des eingebrachten Metalls mit dem Formenwerkstoff
zu verhindern, die Entformbarkeit des gefertigten Formteils zu gewährleisten
und die beweglichen Teile der Form, beispielsweise Auswerfer oder
Schieber, zu schmieren. Bei bestimmten Verfahren hat das Formwandbehandlungsmittel
die zusätzliche
Aufgabe, den Wärmeübergang
zwischen dem eingebrachten Metall und der Form während des Füllvorgangs zu reduzieren. Die
auf die Formwand aufgebrachte Schicht an Formwandbehandlungsmittel
sollte eine möglichst
gleichmäßige Dicke
aufweisen, denn an zu dünnen
Stellen kann die Schicht während
des Formungsvorgangs abreißen,
was Verschweißungen zwischen
dem eingefüllten
Metall und dem Formenwerkstoff zur Folge haben kann. Darüber hinaus kann
bei zu dünnen
Schichten der Wärmeübergang zwischen
dem eingebrachten Metall und der Form zu hoch sein, so dass das
eingebrachte Metall bereits während
des Füllvorgangs
zu stark abkühlt
und dadurch die Form nicht ausreichend befüllt werden kann. Aber auch
zu dicke Schichtstellen können
aufgrund des von ihnen eingenommenen Formvolumens die Gussqualität beeinträchtigen.
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Üblicherweise
werden die Formwandungen nach jeder Entnahme eines Formteils aus
der Form mit einem Formwandbehandlungsmittel-Wasser-Gemisch besprüht wie dies
beispielsweise in der
DE
44 20 679 A1 und der
DE 195 11 272 A1 beschrieben ist. Der Vorteil
der Verwendung dieses Behandlungsmittel-Wasser-Gemischs ist in der Zeiteinsparung zu
sehen, die sich daraus ergibt, dass man die Formwandoberfläche mittels
des aufgesprühten
Wassers kühlt
und gleichzeitig das Formwandbehandlungsmittel auf diese aufbringt.
Eines der Probleme, mit dem man sich dabei jedoch auseinanderzusetzen hat,
ist das Leidenfrost'sche
Phänomen,
gemäß dem sich
beim Auftreffen der Sprühtröpfchen auf
der heißen
Formwandoberfläche
eine Dampfsperre zwischen den Tröpfchen
und der Oberfläche
bildet, die eine vollständige
Benetzung der Oberfläche
durch die Tröpfchen
verhindert, so dass ein Teil des aufgesprühten Behandlungsmittel-Wasser-Gemischs an der Formwandoberfläche abläuft, ohne
diese gekühlt bzw.
schmier- und trennwirksam
benetzt zu haben.
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Um
die Formwandoberfläche
dennoch in ausreichendem Maße
kühlen
und mit Formwandbehandlungsmittel beschichten zu können, ist
es erforderlich, das Behandlungsmittel-Wasser-Gemisch im Überschuss
aufzutragen. Dabei nimmt man es in Kauf, dass ein beträchtlicher
Teil des Behandlungsmittel-Wasser-Gemischs ungenutzt von der Formwandoberfläche abläuft und
anschließend
aufgefangen und entsorgt werden muss. Dies wirft erhebliche Probleme
hinsichtlich der Umweltverträglichkeit
auf, was nachfolgend anhand eines Beispiels näher erläutert sei:
Geht man davon
aus, dass eine Gießerei
je 1000 kg gegossenen Aluminiums etwa 5 kg Formwandbehandlungsmittel-Konzentrat
verwendet und dieses vor dem Versprühen in einem Mischungsverhältnis von
1:100 mit Wasser verdünnt,
also insgesamt etwa 500 Liter Behandlungsmittel-Wasser-Gemisch versprüht, und
geht man ferner davon aus, dass hiervon etwa 80% als Überschuss
ungenutzt von den Formwandungen ablaufen, so bedeutet dies, dass
pro Tonne gegossenen Aluminiums etwa 400 Liter Abfallflüssigkeit
entsorgt werden müssen.
Und dies ist eine vorsichtige Schätzung! Eine ungünstigere,
aber ebenso realistische Abschätzung ergibt
pro Tonne Aluminium ein zu entsorgendes Abfallflüssigkeitsvolumen von etwa 900
Litern. Bei einer mittelgroßen Gießerei mit
einer Kapazität
von etwa 5000 Tonnen Aluminium pro Jahr fallen demnach 2000 m3 bis 4500 m3 zu
entsorgende Abfallflüssigkeit
an.
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Demgegenüber ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Umweltverträglichkeit
des gattungsgemäßen Verfahrens
zu verbessern.
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Das
Dokument EP-A-0 286 977 offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 zum Vorbereiten der Formwandungen einer Form, wobei
die Formwandungen zunächst
mittels Kühlen mit
unter Druck stehenden Wassersprühvorrichtungen
auf eine gewünschte
Temperatur gebracht werden und anschließend eine dünne Schicht von isolierendem
Material als Formwandbehandlungsmittel auf die Formwandungen aufgebracht
wird. Dieses Dokument offenbart weder die gesteuerte Anwendung der
Formwandbehandlung, noch offenbart sie eine Wärmeübertragungsvorrichtung, die
mit wenigstens einer bestimmten Fläche der Formwandungen in Wärmeübertragungskontakt
gebracht wird.
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Das
Dokument US-A-5603984 offenbart ein Verfahren der Anwendung einer
gesteuerten Flüssigformwandbehandlung
an Formwandungen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Vorbereiten der Formwandungen einer Form, wie beispielsweise
das bzw. die aus dem Dokument EP-A-0286977 bekannte Verfahren bzw.
Vorrichtung, zu verbessern, wobei bestimmte Flächen der Formwandungen schneller
und zuverlässiger
auf die gewünschte
Temperatur gebracht werden können
als bei der bekannten Fluidtemperierung.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines
Verfahrens gemäß Anspruch
1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch
33 gelöst.
In einer Ausführungsform
der Erfindung werden die Schritte a) und b) in dieser Reihenfolge
und unabhängig
voneinander durchgeführt,
wobei bei Schritt a) die Zufuhr bzw. Abfuhr von Wärme zu bzw.
von den Formwandungen in Abhängigkeit
von den Prozess- und/oder Umgebungsbedingungen gesteuert, vorzugsweise
programm-gesteuert, wird, und wobei bei Schritt b) das Formwandbehandlungsmittel
gesteuert, vorzugsweise programm-gesteuert, aufgetragen wird. Gemäß der Ausführungsform
werden also die Formwandungen, insbesondere deren Oberflächen zuerst
auf eine gewünschte
Temperatur gebracht, bevor diese unabhängig hiervon, d.h. insbesondere
ohne zeitliche Überlappung
mit der Temperierung der Form, mit Formwandbehandlungsmittel beschichtet
werden.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
seien nachfolgend wiederum lediglich beispielhaft in Anwendung auf
das vorstehend diskutierte Gießverfahren
erläutert,
bei dem die Formwandungen normalerweise durch Kühlen temperiert werden.
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Durch
die zeitliche Trennung von Temperierung und Beschichtung ist es
möglich,
jeden der beiden Teilprozesse unter den jeweils günstigsten
Verfahrensbedingungen ablaufen zu lassen, was sich auf die Umweltverträglichkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens
günstig
auswirkt.
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Zunächst wird
die Formwandoberfläche
unter Berücksichtigung
der Prozess- und/oder
Umgebungsbedingungen gesteuert gekühlt. Dabei schließt die gesteuerte
Kühlung
nicht aus, dass man das Kühlmedium,
vorzugsweise reines Wasser, zumindest zeitweise im Überschuss
auf die Formwandungen aufbringt, um dem Leidenfrost'schen Phänomen zu
begegnen. Durch die Überschusskühlung kann der
Form nämlich
in relativ kurzer Zeit viel Wärme entzogen
werden, was eine rasche Annäherung
an die für
den nächsten
Formfüllvorgang
gewünschte Formentemperatur
ermöglicht.
Die gesteuerte Kühlung
ermöglicht
in der Endphase des Temperierungsvorgangs dann aber eine genaue
Einstellung dieser erwünschten
Temperatur. Die Überschusskühlung ist dabei
umwelttechnisch unbedenklich, da erfindungsgemäß mit Wasser gekühlt werden
kann, und das ablaufende überschüssige Wasser,
nach vorheriger Reinigung von Metall- und Behandlungsmittelrückständen durch
Filtern, Zentrifugieren, Absetzen-Lassen, Absinken und dergleichen,
wiederverwendet oder unter Einhaltung der einschlägigen gesetzlichen Vorschriften
problemlos in das öffentliche
Abwassernetz eingeleitet werden kann.
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Anschließend wird
dann das Formwandbehandlungsmittel gesteuert aufgebracht, wobei
die Benetzung der Formwandoberfläche
aufgrund der vorherigen Kühlung
der Formwandungen durch das Leidenfrost'sche Phänomen im Vergleich mit dem Stand
der Technik zumindest erheblich weniger, wenn überhaupt noch behindert wird.
Zur Erzielung einer ausreichenden Beschichtung braucht daher das
Formwandbehandlungsmittel nicht mit Überschuss bzw. nur mit sehr
geringem Überschuss
auf die Formwandoberfläche
aufgebracht zu werden, so dass gar keine bzw. entsprechend geringere
Entsorgungsprobleme auftreten. Das gesteuerte Auftragen des Formwandbehandlungsmittels
erlaubt es neben der Minimierung bzw. Vermeidung des Überschusses darüber hinaus,
auch unter Berücksichtigung
der Topographie der Formwand eine gleichmäßig dicke Schicht von Formwandbehandlungsmittel
auf die Formwandoberfläche
aufzubringen.
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Aufgrund
der verbesserten Umweltverträglichkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist bei diesem der jedem Formungsvorgang zuzuordnende Entsorgungskostenanteil
entsprechend niedriger, so dass sich trotz der zeitlichen Trennung
von Temperierung und Beschichtung der Formwand die Wirtschaftlichkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens
im Vergleich mit dem Verfahren des Stands der Technik nicht verschlechtert,
wenn nicht sogar insgesamt verbessert. Darüber hinaus sei angemerkt, dass
durch das gesteuerte Temperieren und das gesteuerte Auftragen des
Formwandbehandlungsmittels die für
einen Vorbereitungszyklus benötigte
Zeitdauer minimiert werden kann.
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Eine
weitere Erhöhung
der Umweltverträglichkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass gebrauchsfertiges
Formwandbehandlungsmittel eingesetzt wird, welches ohne Verdünnung aus
einem Transportbehälter
entnommen und auf die Formwandungen aufgetragen wird. Durch den
Wegfall der Verdünnung
des vom Behandlungsmittelhersteller gelieferten Formwandbehandlungsmittels
können
verschiedene Probleme umgangen werden, welche bislang beim Stand
der Technik infolge der Verdünnung eines
Formwandbehandlungsmittel-Konzentrats auf eine gebrauchsfertige
Konsistenz auftraten. Bei wasserverdünnten Mischungen besteht nämlich die
Gefahr eines Befalls durch Bakterien oder Pilze, welche die Schmier-
und Trennwirk samkeit des Formwandbehandlungsmittels zerstören können. Daher
müssen
dem gelieferten Formwandbehandlungsmittel-Konzentrat Bakterizide
und dergleichen beigemengt werden, welche ihrerseits die Schmier-
und Trennwirksamkeit des Formwandbehandlungsmittels nachteilig beeinflussen.
Ferner erschweren die Bakterizide eine umweltgerechte Entsorgung
des abgelaufenen Überschusses.
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Da,
wie vorgeschlagen, das Formwandbehandlungsmittel direkt aus einem
Transportbehälter entnommen
und auf die Formwandungen aufgetragen wird, also in einem geschlossenen
System gehandhabt wird, und zudem aufgrund der Gebrauchsfertigkeit
des Formwandbehandlungsmittels die vorstehend angesprochene Verdünnung erfindungsgemäß wegfällt und
ist das Risiko eines Bakterien- oder Pilzbefalls
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren minimiert.
Es kann durch entsprechende Versiegelung der Transportbehälter, entsprechende
Ausbildung der Entnahmevorrichtung und dergleichen Maßnahmen
weiter gesenkt werden. Somit kann auf die Beimengung von Bakteriziden
praktisch vollständig
verzichtet werden. Darüber
hinaus entfallen die Personalkosten für Betrieb, Wartung und Überwachung
der Formwandbehandlungsmittel-Aufbereitungs- bzw. -Verdünnungsanlage.
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Entsprechende Überlegungen
gelten für
Korrosionsschutzmittel, welche wasserverdünnten Mischungen zum Schutz
der Form beigemengt werden, jedoch die Bildung eines Formwandbehandlungsmittel-Films
auf der Formwandoberfläche
behindern. Durch den Wegfall der Verdünnung mit Wasser kann die Zugabe
derartiger Korrosionsschutzmittel reduziert, wenn nicht gar vollständig vermieden
werden.
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Verwendet
man wenigstens zwei Transportbehälter
an der Formsprühanlage,
von denen wenigstens einer mit einem Sprühelement in Abgabeverbindung
steht und sich wenigstens ein weiterer in Abgabebereitschaft befindet,
so hat dies den Vorteil, dass nach vollständiger Leerung des einen Transportbehälters automatisch
oder auch manuell auf eine Entnahme aus dem jeweils anderen Transportbehälter umgeschaltet
werden kann, so dass der Fertigungsbetrieb nicht unterbrochen zu
werden braucht, sondern der leere Behälter bei laufenden Betrieb
gegen einen mit Formwandbehandlungsmittel gefüllten Transportbehälter ausge tauscht
werden kann.
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Enthält das Formwandbehandlungsmittel wenigstens
98 Gew.-% schmier- und trennwirksame Substanzen (beispielsweise
kann das Formwandbehandlungsmittel wenigstens ein Silikonöl oder dergleichen
synthetisches Öl,
und/oder wenigstens ein Polyolefin-Wachs, beispielsweise Polyethylen-Wachs
oder Polypropylen-Wachs,
als schmier- und trennwirksame Substanzen enthalten), sowie höchstens
2 Gew.-% Hilfsstoffe, wie Korrosionsschutzmittel, Bakterizide, Emulgatoren,
Lösungsmittel,
beispielsweise Wasser, und dergleichen, so kann man ein weiteres
Problem umgehen. Wasserverdünntes
Formwandbehandlungsmittel neigt nämlich trotz der Zugabe von
Emulgatoren zu entmischen, wenn es nicht unmittelbar verbraucht
wird. Dieser Entmischung kann beispielsweise durch Rühren vorgebeugt
werden. Rühren,
beispielsweise mittels Rührwerken
oder Kreiselpumpen, unterwirft die schmier- und trennwirksamen Substanzen
des Formwandbehandlungsmittels aber einer wiederholten Scherbelastung
und beeinträchtigt
deren Schmier- und Trennwirksamkeit. Da aufgrund der Lösungsmittelfreiheit
ein Entmischen nicht befürchtet
zu werden braucht, kann auf ein Rühren des Formwandbehandlungsmittels
verzichtet werden. Dies wirkt sich zum einen auf die Schmier- und
Trennwirksamkeit des Formwandbehandlungsmittels günstig aus,
senkt durch den Wegfall des Rührwerks
zum anderen die Anschaffungs- und Wartungskosten der Anlage, und erlaubt
eine effektive Nutzung der schmier- und trennwirksamen Substanzen.
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Aufgrund
des geringen Wasseranteils wird darüber hinaus die Aufbringung
des Formwandbehandlungsmittels auf die heiße Formwandoberfläche nicht
oder nur in sehr geringem Maße
durch das Leidenfrost'sche
Phänomen
behindert. Daher kann das Formwandbehandlungsmittel, das bei einer
Temperatur von 20°C
beispielsweise eine Viskosität
im Bereich von zwischen etwa 50 mPa·s und etwa 2500 mPa·s (mit
einem Brookfield-Viskosimeter bei 20 U/min bestimmt) aufweisen kann,
mit einer sehr viel heißeren
Formwandoberfläche
in Kontakt gebracht werden, als dies bei den vorstehend erläuterten Formwandbehandlungsanlagen
des Stands der Technik möglich
war. Somit braucht die Formwandoberfläche nicht so stark abgekühlt zu werden,
was zum einen den Vorteil einer Zeitersparnis und zum anderen den
Vorteil einer geringeren thermischen Belastung der Form hat.
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Da
das gebrauchsfertige Formwandbehandlungsmittel auch bei einer Formwand-Temperatur von etwa
350°C bis
400°C in
der Lage ist, die Formwandungen zu benetzen und auf dieser eine schmier-
und trennwirksame Schicht zu bilden, kann die Formwand bei einer
für den
nächstfolgenden
Formungszyklus günstigen
Temperatur behandelt werden. Diese liegen üblicherweise im Bereich zwischen 150°C und 30°C, können aber
auch noch höhere Werte
annehmen. Formwandbehandlungsmittel mit Hochtemperatur-Benetzungseigenschaften
sind beispielsweise in der US-PS 5,346,486 beschrieben.
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Der
geringe Wasseranteil des Formwandbehandlungsmittels hat darüber hinaus
den Vorteil, dass auch die auf die Formwandoberfläche aufgebrachte
Schicht keine bzw. nur geringe Wassereinschlüsse aufweist. Bei Vorhandensein
derartiger Wassereinschlüsse
besteht nämlich
die Gefahr, dass der sich aufgrund dieser Wassereinschlüsse beim Einfüllen des
flüssigen
Metalls bildende Wasserdampf nicht aus der Form entweichen kann
und zur Bildung von Poren in dem Gussteil führt, was dessen Qualität erheblich
beeinträchtigt.
Diese Gefahr ist bei der erfindungsgemäßen Verwendung wasserfreien Formwandbehandlungsmittels
deutlich reduziert, wenn nicht gar vollständig ausgeschlossen, so dass porenarme
wenn nicht gar porenfreie Gussteile erhalten werden können.
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Im
Hinblick auf den vorstehend genannten, an der Formwandoberfläche beim
Auftragen des Formwandbehandlungsmittels herrschenden Temperaturbereich
wird vorgeschlagen, dass der Flammpunkt des Formwandbehandlungsmittels
wenigstens 20°C
beträgt.
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Um
eine feine Zerstäubung
des Formwandbehandlungsmittels sicherstellen zu können, wird beispielsweise
im Hinblick auf die vorstehend genannte Zusammensetzung und deren
hohe Viskosität
vorgeschlagen, dass das Formwandbehandlungsmittel mittels wenigstens
eines Sprühelements
mit Zentrifugalzerstäubung
und Luftführung
auf die Formwandungen aufgebracht wird. Auf den Aufbau und die Funktion
derartiger Sprühelemente
wird weiter unten noch näher
eingegangen werden.
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Es
sei jedoch betont, dass das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei Einsatz
wasserverdünnter
Formwandbehandlungsmittel grundsätzlich
auch mit herkömmlichen
Sprühelementen
durchgeführt
werden kann, beispielsweise mit den aus der
DE 44 20 69 A1 und der
DE 195 11 272 A1 bekannten Sprühelementen.
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Im
Rahmen des gesteuerten Auftragens des Formwandbehandlungsmittels
kann beispielsweise die pro Zeiteinheit an die Formwandungen abgegebene
Menge an Formwandbehandlungsmittel erfasst werden, beispielsweise
mittels Volumenstrom- und/oder Massenfluss-Sensoren. Die Dicke der
auf die Formwandungen aufgebrachten Schicht an Formwandbehandlungsmittel
kann dabei durch Verändern
der Bewegungsbahn des wenigstens einen Sprühelements und/oder durch Verändern der
Bewegungsgeschwindigkeit des wenigstens einen Sprühelements
und/oder durch Verändern
der von dem wenigstens einen Sprühelements
pro Zeiteinheit abgegebenen Menge an Formwandbehandlungsmittel gesteuert
werden.
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Wie
vorstehend bereits erwähnt,
können
bei Verwendung von Formwandbehandlungsmitteln ohne nennenswerten
Anteil schmier- und trennunwirksamer Substanzen und bei feiner Zerstäubung des
Formwandbehandlungsmittels in Verbindung mit einer programm-gesteuerten
Auftragung unter Freisetzung lediglich sehr geringer Mengen gasförmiger Emissionen
gleichmäßige, dünne Schichten
des Formwandbehandlungsmittels auf der heißen Formwandoberfläche gebildet
werden. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von porenarmen
oder schweißbaren
Gussteilen wichtig.
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Die
Zufuhr bzw. Abfuhr von Wärme
zu bzw. von der Formwandung kann auf unterschiedliche Art und Weise
erfolgen. Gemäß einer
ersten Ausführungsvariante
kann beispielsweise ein entsprechend temperiertes Fluid auf die
Formwandungen aufgebracht werden, wobei das temperierte Fluid grundsätzlich auch
ein entsprechend temperiertes Gas sein kann. Aufgrund des besseren
Wärmeübergangs wird
man jedoch vorzugsweise eine temperierte Flüssigkeit, beispielsweise Wasser,
einsetzen.
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So
kann man beispielsweise zum Kühlen
der Formwandungen eine Flüssigkeit
auf die Formwandungen aufbringen, vorzugsweise aufsprühen, und dort
verdampfen lassen. Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung setzt man hierzu entmineralisiertes Wasser
ein, um eine Formwandbehandlungsmittel-Schicht hoher Schmier- und
Trennwirksamkeit zu erhalten. Wird nämlich, wie dies bei den Verfahren des
Standes der Technik üblich
ist, Leitungswasser verwendet, so kann das in diesem Leitungswasser vorhandene
CaO und MgO beim Verdampfen auf der Formwandoberfläche einen
Belag, beispielsweise einen Kalkbelag, bilden, der die Schmier- und Trennwirksamkeit
des nachfolgend aufgetragenen Formwandbehandlungsmittels beeinträchtigt.
Schlimmstenfalls kann diese Beeinträchtigung beim Einfüllen des
Metalls zum Reißen
des Formwandbehandlungsmittel-Films und somit zu Verschweißungen dieses
Metalls mit der Form führen.
Dem kann durch den Einsatz von entmineralisiertem Wasser vorgebeugt
werden. Grundsätzlich
ist zwar die Zugabe von die Temperierwirkung erhöhenden Zusätzen denkbar. Gemäß vorstehendem
sollte jedoch darauf geachtet werden, dass diese Zusätze die
Schmier- und Trennwirksamkeit des Formwandbehandlungsmittels nicht
beeinträchtigen.
Der korrodierenden Wirkung von Wasser, insbesondere entmineralisiertem
Wasser, kann durch Zusatz von Korrosionsschutzmittel begegnet werden.
Dabei kann der Grad der Entmineralisierung einerseits und die Zugabemenge
von Korrosionsschutzmittel andererseits unter Berücksichtigung
aller wirtschaftlichen Aspekte gewählt werden.
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Wie
beim Stand der Technik kann die Kühlflüssigkeit im Überschuss
auf die Formwandungen aufgebracht werden, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die von der Form ablaufende überschüssige Kühlflüssigkeit
keinen Umweltverträglichkeitsbedenken
unterliegt. Darüber
hinaus kann die von den Formwandungen ablaufende Kühlflüssigkeit
aufgefangen und wiederverwendet werden, gewünschtenfalls nach vorheriger
Reinigung, beispielsweise durch Filter, Zentrifugieren, Absetzen-Lassen,
Absinken und dergleichen.
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Erforderlichenfalls
kann die Formwand nach Erfolg der Flüssigkeitskühlung getrocknet, vorzugsweise
trockengeblasen werden.
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Erfindungsgemäß wird zur
Einstellung der gewünschten
Temperatur an der Formwandoberfläche
wenigstens ein Teil der Oberfläche
der Formwandung mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung
in Wärmeübertragungskontakt
gebracht. Dabei versteht es sich, dass diese Kontakttemperierung
auch zusätzlich
zur vorstehend diskutierten Fluidtemperierung eingesetzt wird. Beispielsweise
kann die Kontakttemperierung zum Kühlen besonders heißer Partien
der Formwandoberfläche
benutzt werden.
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Zur
Erzielung eines möglichst
guten Wärmeübergangs
zwischen Formwandoberfläche
und Wärmeübertragungsvorrichtung
umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung
wenigstens einen Wärmeaufnahme-
und/oder -abgabekörper,
der der jeweils zu temperierenden Partie der Formwandung formangepasst
ausgebildet ist. Dabei kann der Wärmeaufnahme- und/oder -abnahmekörper bzw.
können
die Wärmeaufnahme-
und/oder -abnahmekörper
an einem Träger
bzw. aneinander federnd angeordnet sein, was den Ausgleich einer
thermischen Expansion bzw. Kontraktion des bzw. der Wärmeaufnahme- und/oder
-abgabekörper
erleichtert.
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In
Weiterbildung dieser Alternative wird vorgeschlagen, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung
zumindest im Bereich ihrer Wärmeübertragungsfläche zumindest
teilweise aus einem guten Wärmeleiter
gebildet ist, beispielsweise aus Kupfer, einer Kupferlegierung,
Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder dergleichen.
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Um
der Wärmeübertragungsvorrichtung während des
Kontakts mit der Formwandoberfläche Wärme zuführen bzw.
von dieser Wärme
abführen
zu können,
wird vorgeschlagen, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung
zum Abführen
bzw. Zuführen von
Wärme mit
einem Heiz-Kühl-Gerät verbunden wird.
Zusätzlich
oder alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung
in Vorbereitung des Wärmeübertragungskontakts
in ein Heiz-Kühl-Bad
getaucht wird, um ihr Wärme
zuzuführen
bzw. Wärme
von ihr abzuführen.
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Zur
Herstellung des Wärmeübertragungskontakts
zwischen Wärmeübertragungsvorrichtung und
Formwandung kann die Form zumindest teilweise geschlossen werden.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung
kann mittels eines an sich bekannten, vorzugsweise sechs-achsigen,
Industrieroboters in die Form eingefahren, mit der Form in Kontakt
gebracht und wieder aus dieser zurückgezogen werden.
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Eine
weitere Ausführungsvariante,
um der Form Wärme
zuzuführen
bzw. von dieser abzuleiten, ist es, die Form unmittelbar mit einem
Heiz-Kühl-Gerät zu verbinden,
welches Wärmeübertragungsfluid durch
ein Kanalsystem der Form strömen
lässt.
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Als
eine mögliche
Eingangsgröße für das gesteuerte
Temperieren der Formwandoberfläche
kann die Temperatur der Formwandung erfasst werden, beispielsweise
indem man an wenigstens einer für die
Temperaturverteilung der Formwandung repräsentativen und/oder einer besonders
temperatur-kritischen Stelle einen Temperatursensor vorsieht. Zusätzlich oder
alternativ kann man die Temperatur der Formwandungsoberfläche aber
auch mittels einer Infrarot-Messeinrichtung, welche sowohl zeitaufgelöst als auch
zeitnah digitale und ortsaufgelöste
Wärmebilder
der Formwandoberfläche
liefert. Sollte eine direkte Bestimmung der Temperaturverteilung
der Formwandungsoberfläche
mittels der Infrarot-Messeinrichtung
nicht möglich
sein, so kann man auf diese durch Analysieren der Wärmebilder
eines gerade gefertigten Formteils indirekt rückschließen. Auch können temperatur-kritische Stellen
des Formteils mit einem Temperatur-Sensor in Kontakt gebracht werden.
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Die
vorstehend beschriebene indirekte Bestimmung der Temperaturverteilung
der Formwandoberfläche
durch Messungen am gerade gefertigten Formteil hat den Vorteil,
dass die Infrarot-Messeinrichtung bzw. der Temperatur-Sensor oder
-Fühler
an einem der Form benachbarten Ort starr angeordnet sein kann, so
dass auf einen Roboterarm zum Bewegen dieser Messeinrichtung bzw.
dieses Sensors, insbesondere zum Einführen dieser Messeinrichtung in
die Form, verzichtet werden kann.
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Insbesondere
bei Einsatz der vorstehend angesprochenen Infrarot-Messeinrichtung
kann man die Temperatur der Formwandoberfläche zu einem vorbestimmten
Zeitpunkt nach Öffnen
der Form und Entnahme des Formteils an einer vorbestimmten Stelle
der Formwandoberfläche
bestimmen und die so bestimmten ort- und zeit-spezifischen Temperaturen
für aufeinander
folgende Formungs- und Formwandbehandlungszyklen miteinander vergleichen. Hierdurch
ist es möglich, Aussagen über die
Stabilität des
gesamten Formungs- und Formwandbehandlungsbetriebs treffen und gegebenenfalls
korrigierend einzugreifen. Beispielsweise kann bei Erfassung einer
von Zyklus zu Zyklus steigenden Temperatur an dem vorbestimmten
Orts-Zeit-Punkt die Intensität
der Kühlung
der Formwandoberfläche
entsprechend erhöht
werden. Bei einem ein vorgegebenes Maß übersteigenden Temperaturanstieg
kann darüber
hinaus auf einen Defekt der Temperiervorrichtung geschlossen und
der gesamte Formungsprozess angehalten werden, um einerseits eine
Produktion von Ausschuss und andererseits eine Beschädigung der
Form zu verhindern. Eine entsprechende Entscheidung kann auch getroffen
werden, wenn der vorstehend diskutierte Volumenstrom- und/oder Massenfluss-Sensor
die Abgabe von zuwenig Formwandbehandlungsmittel erfasst.
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Ferner
kann bei der vorstehend erläuterten Wärmehaushalts-Steuerung
die Umgebungstemperatur berücksichtigt
werden, da die am Ort der Form herrschende Temperatur die Intensität der Wärmeabstrahlung
der Form beeinflusst. Nun ändert
sich aber die Umgebungstemperatur beispielsweise jahreszeit-bedingt
oder aufgrund wechselnden Einfalls von Sonnenlicht.
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Weiterhin
sollte der Arbeits- bzw. Fertigungsverlauf berücksichtigt werden, da die Gefahr
besteht, dass die Form bei einem Stillstand der Anlage auskühlt und
die Temperatur der Formwandoberfläche unter den erwünschten
Wert abfällt.
Entsprechendes gilt beim Anfahren der Formwandbehandlungsanlage zu
Beginn eines Arbeitstags.
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Bei
Einsatz der Fluidtemperierung kann die Zufuhr bzw. Abfuhr von Wärme zu bzw.
von der Formwandung durch Verändern
der pro Zeiteinheit auf die Formwandung aufgebrachten Fluidmenge und/oder
durch Verändern
der Aufbringungsdauer gesteuert werden. Bei Einsatz der Kontakttemperierung
kann die Zufuhr bzw. Abfuhr von Wärme zu bzw. von der Formwandung
durch Verändern
der Dauer des Wärmeübertragungskontakts
von Formwandung und Wärmeübertragungsvorrichtung
und/oder Verändern
der Anfangstemperatur der Wärmeübertragungsvorrichtung
gesteuert werden.
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Das
vorstehend angesprochene und nachfolgend noch näher erläuterte wenigstens eine Sprühelement
mit Zentrifugalzerstäubung
und Luftführung
kann zur Einbringung in die Form an einem Sprühwerkzeug angeordnet sein.
An diesem Sprühwerkzeug
kann bei Einsatz der Fluidtemperierung der Formwandoberfläche darüber hinaus
auch wenigstens ein Abgabeelement zur Abgabe des Temperierfluids
angeordnet sein. Ferner kann an dem Sprühwerkzeug wenigstens ein Abgabeelement
zur Abgabe von Blasluft angeordnet sein, welche beispielsweise zum
Reinigen der Form von Behandlungsmittelrückständen oder zum Trockenblasen
der Form genutzt wird. Schließlich
kann das Sprühwerkzeug
mittels eines Roboterarms eines, vorzugsweise sechs-achsigen, Roboters
bewegt werden, vorzugsweise programm-gesteuert bewegt werden. Dies
hat den Vorteil, dass das Sprühwerkzeug
sehr beweglich ist und jede Stelle der Formwandung von einem geeigneten
Punkt der Bewegungsbahn des Sprühwerkzeugs
aus mit einer geeigneten Orientierung des Sprühwerkzeugs besprüht werden
kann, so dass auch konturenreich ausgebildete Formenpartien, z.B. mit
Hinterschnitten und Einschnitten, mit der gewünschten Gleichmäßigkeit
beschichtet werden können.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt betrifft eine andere Ausführungsform
der Erfindung eine Vorrichtung zum Vorbereiten der Formwandungen
einer Form zur Urformung bzw. Umformung eines Formteils nach einem
abgeschlossenen Formungszyklus und Entnahme des Formteils aus der
Form auf den nächstfolgenden
Formungszyklus. Hinsichtlich des Aufbaus und der Funktion dieser
Formwandbehandlungsvorrichtung sowie der durch Einsatz dieser Vorrichtung
erzielbaren Vorteile sei auf die vorstehende Diskussion des erfindungsgemäßen Verfahrens
verwiesen.
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Es
kann ein Sprühelement
vorgesehen sein, um Formwandungen einer Form zur Urformung bzw. Umformung
mit einem Formwandbehandlungsmittel zu besprühen, wobei das Sprühelement
einen Rotor umfasst, der in einem Sprühelementkörper um eine Drehachse drehbar
aufgenommen ist und an dessen einem Längsende ein Zerstäuberelement
angebracht ist, wobei das Sprühelement
weiter eine Zuführleitung
für Formwandbehandlungsmittel
umfasst, von welcher das Formwandbehandlungsmittel auf das Zerstäuberelement
gelangt, sowie eine Zuführleitung für Leitluft,
welche dazu dient, von dem Zerstäuberelement
zer stäubtes
Formwandbehandlungsmittel zu der zu besprühenden Formwandung zu leiten,
und wobei ein Austrittsende der Leitluft-Zuführleitung im Bereich des Außenumfangs
des Zerstäuberelements angeordnet
ist.
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Sprühelemente
mit Zentrifugalzerstäubung und
elektrostatischer Führung
sind aus der Lackiertechnik bekannt. Lediglich beispielhaft sei
auf die
DE 41 05 116
A1 , die
DE
28 04 633 C2 und die
EP 0 037 645 B1 verwiesen. Bei dieser Sprühtechnik
liegt das Sprühelement
während
des Lackierens auf Hochspannung, während der zu lackierende Körper beispielsweise
auf Erdpotential liegt. Der dem rotierenden Zerstäuberelement
zugeführte
Lack wird aufgrund Zentrifugalwirkung zerstäubt und die feinen Lacktröpfchen gleichzeitig
elektrostatisch geladen. Obgleich die Lacktröpfchen von dem Zerstäuberelement
orthogonal zur Rotorachse weggeschleudert werden, folgen sie aufgrund
ihrer Ladung den Feldlinien des zwischen dem Sprühelement und dem zu lackierenden
Körper
vorhandenen elektrischen Feldes und gelangen auf die zu lackierende
Oberfläche.
Die vorstehend beschriebenen Sprühelemente
mit Zentrifugalzerstäubung
und elektrostatischer Führung kommen
zum Besprühen
von Formwandungen einer Form zur Ur- bzw. Umformung nicht in Betracht,
da der zum Einsatz der elektrostatischen Führung erforderliche apparative
und sicherheitstechnische Aufwand so groß ist, dass er das Ur- bzw.
Umformungsverfahren insgesamt unwirtschaftlich machen würde. Darüber hinaus
erschwert der Faraday-Effekt das Besprühen konkaver Oberflächenabschnitte
der Formwandoberfläche,
beispielsweise Bohrungen, Rippen, Spalte und dergleichen, wie sie
beispielsweise bei Formen für
Gussteile, wie Motorblöcke,
Kurbelwellen und dergleichen, häufig
anzutreffen sind.
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Zu
bedenken ist ferner, dass mit dem Sprühelement auch im Wesentlichen
lösungsmittelfreie Formwandbehandlungsmittel,
wie sie vorstehend zum Besprühen
der Formwandoberflächen
in Betracht gezogen worden sind, wohl dosiert, fein verteilt und
gleichmäßig auf
die Formwandoberfläche
aufgebracht werden sollen. Wie bereits erwähnt haben derartige, im Wesentlichen
lösungsmittelfreie
Formwandbehandlungsmittel, d.h. Formwandbehandlungsmittel die wenigstens
98 Gew.-% schmier- und trennwirksame Substanzen enthalten, sowie
höchstens
2 Gew.-% Hilfsstoffe, wie Bakterizide, Emulgatoren, Lösungsmittel,
beispielsweise Wasser, und dergleichen, bei einer Temperatur von
20°C üblicherweise
eine Viskosität
im Bereich von zwischen etwa 50 mPa·s und etwa 2500 mPa·s (Brookfield-Viskosimeter,
20 U/min), und werden in im Vergleich mit dem Stand der Technik
erheblich geringerer Menge an die Formwandoberfläche abgegeben. Dabei ist zu
berücksichtigen,
dass das von den Formwandbehandlungsmittel-Herstellern gelieferte Konzentrat üblicherweise
nur etwa 5 bis 40 Gew.-% schmier- und trennwirksame
Substanzen umfasst und vor dem Gebrauch nochmals im Verhältnis 1:40
bis 1:200 verdünnt
wird. Mit dem erfindungsgemäßen Sprühelement
wird also pro Zeiteinheit ein etwa um einen Faktor 1000 geringeres
Volumen versprüht,
als dies bei herkömmlichen
Sprühelementen
der Fall ist.
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Die
bei dem hierin offenbarten Sprühelement eingesetzte
Zentrifugalzerstäubung
ist trotz des geringen Formwandbehandlungsmittel-Durchsatzes in der
Lage, dieses mit der erforderlichen zeitlichen Konstanz fein dosiert
zu zerstäuben.
Das zerstäubte Formwandbehandlungsmittel
wird dann von der Leitluft erfasst und aus der orthogonal zur Rotorachse verlaufenden
Fliehrichtung derart abgelenkt, dass es sich im Wesentlichen in
Hauptsprührichtung,
d.h. in Richtung der Verlängerung
der Rotorachse, zur Formwandoberfläche hin bewegt. Die Verwendung von
Druckluft zum Führen
des Formwandbehandlungsmittel-Sprühnebels hat den Vorteil, dass
diese in Anlagen zur Ur- bzw. Umformung üblicherweise ohnehin vorhanden
ist und somit keine zusätzlichen Investitionen
erfordert. Dieser Umstand ist auch im Hinblick auf eine Nachrüstung bereits
vorhandener Sprühanlagen
mit den erfindungsgemäßen Sprühelementen
von Interesse. Darüber
hinaus ist Druckluft ein relativ ungefährliches Medium, mit dem die
Maschinenführer
sowie das Wartungspersonal seit langem vertraut sind.
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Festzuhalten
ist jedoch, dass das Sprühelement
auch zum Versprühen
von wasserverdünntem Formwandbehandlungsmittel
und Wasser geeignet ist. Die Anpassung an die niedrigere Viskosität dieser Materialien
kann beispielsweise durch entsprechende Wahl der Drehzahl des Zerstäuberelements
und entsprechende Einstellung des Leitluftdurchsatzes erfolgen.
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Um
eine möglichst
gleichmäßige Mitnahme des
vom Zerstäuberelement
ausgehenden Formwandbehandlungsmittel-Sprühnebels durch die Leitluft
gewährleisten
zu können,
kann das Austrittsende der Leitluft-Zuführleitung gemäß einer ersten
alternativen Ausführungsvariante
eine Mehrzahl von kreisförmig
um das Zerstäuberelement
herum angeordneten Austrittsöffnungen
umfassen. Gemäß einer
zweiten alternativen Ausführungsvariante
kann das Austrittsende der Leitluft-Zuführleitung
einen das Zerstäuberelement
kreisförmig
umgebenden Austrittsschlitz umfassen. Um einen in Umfangsrichtung möglichst
gleichmäßigen Druck
der Leitluft sicherstellen zu können,
wird vorgeschlagen, dass die Leitluft-Zuführleitung einen dem Austrittsschlitz
vorgelagerten Ringkanal umfasst.
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Zur
Einstellung des Öffnungswinkels
des Sprühkegels
kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Leitluft-Zuführleitung
zumindest teilweise von einem Kopfteil des Sprühelementkörpers gebildet ist, welches
relativ zu einem Basisteil des Sprühelementkörpers verlagerbar ist, beispielsweise
mittels eines vorzugsweise programm-gesteuerten Stellantriebs. Dabei
kann der Ringkanal nach radial außen hin von dem Kopfteil und
nach radial innen hin von dem Basisteil bzw. einem mit diesem verbundenen
Element begrenzt sein.
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Um
die Leitluft düsenartig
kontrolliert ausstoßen
zu können,
kann die Leitluft-Zuführleitung
im Bereich ihres Austrittsendes sich in Austrittsrichtung der Leitluft
verjüngend
ausgebildet sein.
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Ein
Antriebsaggregat zur Herbeiführung
der Drehbewegung des Rotors um seine Drehachse kann beispielsweise
eine mittels Druckluft antreibbare Turbine umfassen, was eine kostengünstige Ausführungsvariante
ist, da Druckluft dem Sprühelement ohnehin
als Leitluft zugeführt
wird. Alternativ kann das Antriebsaggregat aber auch einen Elektromotor oder
einen anderen geeigneten Drehantrieb umfassen. Das Antriebsaggregat
kann in einem vom Basisteil des Sprühelementkörpers gesondert ausgebildeten,
an diesem befestigbaren Gehäuse
aufgenommen sein, was seine Zugänglichkeit
beispielsweise zu Wartungszwecken erleichtert.
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Das
Zerstäuberelement
kann mit dem Rotor einstückig
ausgebildet oder mit diesem, beispielsweise mittels Schnellspannmitteln,
lösbar
verbunden sein.
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Gemäß einer
ersten alternativen Ausführungsvariante
kann vorgesehen sein, dass das Zerstäuberelement eine der Formwandoberfläche zugewandte
Zerstäuberfläche aufweist.
Vorteilhafterweise wird die Zerstäuberfläche nach radial außen und
in Drehrichtung vom Sprühelement
weg verlaufen, beispielsweise dergestalt, dass die Zerstäuberfläche konisch
ausgebildet ist, wobei der halbe Öffnungswinkel des Konus beispielsweise
zwischen etwa 30° und etwa
60°, vorzugsweise
etwa 45° beträgt. Ein
derartiger Verlauf der Zerstäuberfläche ist
vorteilhaft, weil hierdurch das Formwandbehandlungsmittel durch die
auf es einwirkenden Zentrifugalkräfte gegen die Zerstäuberfläche gepresst
wird und somit aufgrund Reibung mit dieser effektiv zerstäubt werden
kann. Das Zerstäuberelement
kann so beispielsweise einen sich zur Formwandoberfläche hin öffnenden
Zerstäubertrichter
mit einer als Zerstäuberfläche wirkenden
inneren Oberfläche
aufweisen.
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Um
eine möglichst
gleichmäßig Abgabe
des Formwandbehandlungsmittels an die Zerstäuberfläche ermöglichen zu können, wird
vorgeschlagen, dass der Zerstäuberfläche eine
Verteilkammer vorgeordnet ist. Diese Verteilkammer kann nahe der
Drehachse eine um die Drehachse umlaufende Öffnung zum Einbringen von Formwandbehandlungsmittel aufweisen,
wobei sich an den äußeren Umfangsrand der Öffnung eine
nach radial außen
und in Drehrichtung vom Sprühelement
weg verlaufende Verteilkammerbegrenzungsfläche anschließen kann.
Die Verteilkammerbegrenzungsfläche
kann dabei beispielsweise konisch ausgebildet sein, wobei der halbe Öffnungswinkel
des Konus beispielsweise zwischen etwa 20° und etwa 60°, vorzugsweise etwa 45°, betragen
kann.
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Das
durch die radial innere Öffnung
in die Verteilkammer eingebrachte Formwandbehandlungsmittel wird
in dieser aufgrund der auf es einwirkenden Zentrifugalkräfte nach
radial außen
gedrängt, wo
die Verteilkammerbegrenzungsfläche
ein Wiederaustreten des Formwandbehandlungsmittels aus der Verteilkammer
verhindert und somit einer Verunreinigung des Sprühelement
vorbeugt. Im Bereich dieses radial äußeren, von der Verteilkammerbegrenzungsfläche zumindest
teilweise definierten Stauraums, d.h. in dem von der Drehachse entfernten
Umfangsbereich der Verteilkammer können Verteildurchgänge vorgesehen
sein, welche an die Verteilkammer anschließen und zur Zerstäuberfläche führen. Diese Verteildurchgänge können im
Hinblick auf eine kostengünstige
Fertigbarkeit des Zerstäuberelements einfache
Bohrungen oder Schlitze sein. Fertigungstechnisch ist es weiter
günstig,
wenn diese Bohrungen oder Schlitze in Radialrichtung verlaufen.
Grundsätzlich
ist es jedoch auch denkbar, dass die Bohrungen oder Schlitze mit
der Radialrichtung einen vorbestimmten Winkel einschließen. Bei
entsprechender Fertigung des Zerstäuberelements können die
Verteildurchgänge
auch einen gekrümmten
Verlauf nehmen, so dass sich eine Leitschaufeln vergleichbare Wirkung
ergibt.
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Wenn
der äußere Umfangsrand
eines die Verteilkammer zur Formwandung hin begrenzenden Elements
in radialer Richtung über
das radial äußere Ende
der Verteildurchgänge
vorsteht und von der Zerstäuberfläche mit
Abstand angeordnet ist, so kann hierdurch den Verteildurchgängen ein
gewisser Schutz vor Beschädigung
geboten werden. Darüber hinaus
ergibt sich für
das gesamte Zerstäuberelement
ein ansprechendes äußeres Erscheinungsbild.
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Insbesondere
der aufgrund der vorstehenden Ausbildung zwischen der Zerstäuberfläche und dem
die Verteilkammer zur Formwandung hin begrenzenden Element vorhandene
Spalt hat aber noch eine weitere vorteilhafte Wirkung. Dreht das Zerstäuberelement
leer, d.h. ohne Zugabe von Formwandbehandlungsmittel, so wird die
in diesem Spalt eingeschlossene Luft durch die Zentrifugalwirkung nach
radial außen
beschleunigt, so dass im Bereich des Austrittsendes der Verteildurchgänge ein
Unterdruck entsteht, welcher Luft aus der Verteilkammer nachsaugt.
Insgesamt ergibt sich somit eine Gebläsewirkung, welche letztenendes
zu einer Selbstreinigung des Zerstäuberelements nach beendeter
Beschichtung der Formwandoberfläche
führt.
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Die
Bewegung des Formwandbehandlungsmittels nach dem Einbringen in die
Verteilkammer zu den Verteildurchgängen kann dadurch erleichtert werden,
dass der Übergang
von einer zylindrischen, zur Drehachse im Wesentlichen koaxialen
Begrenzungsfläche
der Verteilkammer zu einer zur Drehachse im Wesentlichen orthogonal
verlaufenden Begrenzungsfläche
der Verteilkammer abgerundet ausgebildet ist. Dies ist insbesondere
auch für
die Vollständigkeit
der vorstehend angesprochenen Selbstreinigung des Zerstäuberelements
von Bedeutung.
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Das
Zerstäuberelement
gemäß der vorstehend
diskutierten ersten alternativen Ausführungsvariante kann einstückig oder
auch mehrstückig
ausgebildet sein, wobei in letzterem Fall die einzelnen Teile des
Zerstäuberelements
durch Pressen, Bördeln oder
dergleichen miteinander verbunden sein können.
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Gemäß einer
zweiten alternativen Ausführungsvariante
kann das Zerstäuberelement
eine Zerstäuberscheibe
umfassen.
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Um
die Zentrifugalwirkung des Zerstäuberelements
möglichst
effektiv ausnutzen zu können,
wird vorgeschlagen, dass das aus der Formwandbehandlungsmittel-Zuführleitung
austretende Formwandbehandlungsmittel nahe der Drehachse auf das
Zerstäuberelement
auftrifft.
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Umfasst
das Sprühelement
eine Mehrzahl von Formwandbehandlungsmittel-Zuführleitungen, so
können
Partien der Formwand, welche besonderer Behandlung bedürfen, gesondert
mit einem oder mehreren Formwandbehandlungsmitteln beschichtet werden.
Es ist jedoch auch möglich,
die gesamte Formwandoberfläche
mit einer mehrlagigen Schicht verschiedener Formwandbehandlungsmittel
zu überziehen.
Bei gleichzeitiger Abgabe von Formwandbehandlungsmittel aus mindestens
zwei der Formwandbehandlungsmittel-Zuführleitungen können auch
Mischschichten aufgetragen werden.
-
Zum
Besprühen
konkaver Formwandabschnitte wie Bohrungen, Rippen und Spalten, kann
es von Vorteil sein, wenn eine Vorrichtung zum Ablenken der Hauptabgaberichtung
des Sprühelements
aus der Verlängerung
der Drehachse des Rotors heraus vorgesehen ist. Dabei ist für diese
Ablenkvorrichtung eine ganze Reihe von Ausführungsalternativen denkbar.
Beispielsweise kann die Ablenkvorrichtung eine Vorrichtung zum Verändern der Anzahl
und/oder des Durchmessers der Austrittsöffnungen umfassen, wobei diese
Vorrichtung beispielsweise von einem Blendenring gebildet sein kann.
Alternativ ist es jedoch auch möglich,
dass die Ablenkvorrichtung eine Vorrichtung zum Verändern der
Breite des Austrittsschlitzes umfasst, wobei die Vorrichtung beispielhaft
wiederum von einem Blendenring gebildet sein kann. Es ist jedoch
auch möglich,
dass eine Mehrzahl von Leitluft-Zuführleitungen vorgesehen ist,
deren Luftdurchsatz unabhängig voneinander
einstellbar ist. In diesem Fall wird die Ablenkwirkung durch entsprechende Einstellung
des Luftdurchsatzes durch die Mehrzahl von Zuführleitungen auf unterschiedliche
Werte erzielt. Schließlich ist
es auch möglich,
dass die Ablenkvorrichtung wenigstens eine Ablenkluft-Zuführleitung
umfasst, d.h. es wird eine zusätzliche
Ablenkluft-Zuführleitung
vorgesehen, die bei Bedarf "zugeschaltet" wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dicke der auf
die Formwandungen aufgebrachten Schicht an Formwandbehandlungsmittel steuerbar,
vorzugsweise programm-steuerbar, ist. Dabei kann die Dicke der aufgebrachten
Schicht beispielsweise durch Verändern
der Bewegungsbahn des Sprühelements
und/oder durch Verändern
der Bewegungsgeschwindigkeit des Sprühelements und/oder durch Verändern der
von dem wenigstens einen Sprühelement
pro Zeiteinheit abgegebenen Menge an Formwandbehandlungsmittel gesteuert werden.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt betrifft eine weitere Ausführungsform
der Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sprühelements als Teil einer erfindungsgemäßen Formsprüheinrichtung
sowie ferner im Rahmen der Durchführung des vorstehend erläuterten
erfindungsgemäßen Formwandbehandlungsverfahrens
zum Besprühen
von Formwandungen einer Form zur Urformung bzw. Umformung mit einem
im Wesentlichen lösungsmittelfreien
Formwandbehandlungsmittel. Die Vorteile dieser Verwendung ergeben
sich aus der vorstehenden Diskussion.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.
Es stellt dar:
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1 Eine
schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Formsprüheinrichtung, welche unter Einsatz
des erfindungsgemäßen Sprühelements nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben werden kann;
-
2 eine
grob schematische Darstellung der Steuereinheit zur Steuerung der
Formsprühanlage
gemäß 1;
-
3 eine
geschnittene Seitenansicht eines Sprühelements mit Zentrifugalzerstäubung und
Luftführung;
-
4 eine
alternative Ausführungsform
des Antriebsaggregats für
das Sprühelement
gemäß 3;
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5 eine
Darstellung ähnlich 3 des Abgabeendes
einer alternativen Ausführungsform des
Sprühelements
gemäß 3;
-
6 eine
Stirnansicht der Ausführungsform gemäß 5 in
Richtung des Pfeils VI in 5;
-
7 eine
Ansicht ähnlich 3 eines
Teils einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sprühelements;
und
-
8 eine
Detaildarstellung des Zerstäuberelements
der Ausführungsform
gemäß 7.
-
In 1 ist
eine im Folgenden mit 10 bezeichnete Formsprüheinrichtung
schematisch dargestellt, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt
werden kann. Die Formsprüheinrichtung 10 wird
im dargestellten Ausführungsbeispiel
dazu genutzt, um bei der Herstellung von Formteilen beispielsweise
mittels des Aluminium-Druckgussverfahrens die Formwandungen 12a und 12b einer
Form 12 auf den nächsten
Arbeitsgang vorzubereiten.
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Die
Form 12 umfasst zwei Formhälften 12c und 12d,
von denen die eine 12c an einer in Richtung des Doppelpfeils
F beweglichen Aufspannplatte 14a und die andere an einer
ortsfesten Aufspannplatte 14b angebracht ist. Somit kann
die Form 12 zur Bildung eines geschlossenen Formhohlraums 16 geschlossen
bzw. zur Entnahme eines (nicht dargestellten) Formteils geöffnet werden.
Bei dem beispielhaft angesprochenen Druckgussverfahren wird der
Formhohlraum 16 bei geschlossener Form 12 über eine Zuführleitung 18 mit
flüssigem
Metall gefüllt.
Nach dem Aushärten
des Formteils und Öffnen
der Form 12 wird dieses aus der Form 12 entnommen
und abtransportiert. Obgleich in 1 lediglich
zwei Aufspannplatten 14a und 14b mit zwei Formhälften 12c und 12d dargestellt
sind, ist selbstverständlich
auch der Einsatz mehrteiliger Formen denkbar.
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Zur
Vorbereitung der Form 12 auf den nächsten Formungszyklus müssen die
Formwandoberflächen 12a und 12b zum
einen auf eine für
den nächsten
Formungszyklus günstige
Temperatur gebracht werden. Da das in den Formhohlraum 16 eingefüllte flüssige Metall
beim Erstarren seine Wärme
an die Form 12 abgibt, wird man zur Herbeiführung der
für den
nächsten
Formungszyklus günstigen
Temperatur die Formwandoberflächen 12a und 12b üblicherweise
kühlen
müssen,
da die Kühlung
durch Wärmeabstrahlung
nicht ausreicht. Allerdings kann es bei Unterbrechungen der kontinuierlichen
Fertigung von Formteilen bzw. bei der Herstellung von sehr feingliedrigen
Formteilen aus einer relativ geringen Menge flüssigen Metalls auch vorkommen,
dass man die Formwandungen 12a und 12b erwärmen muss,
um auf die für
den nächstfolgenden
Formungszyklus günstige
Temperatur zu kommen.
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Zum
anderen müssen
die Formwandungen 12a und 12b mit einer möglichst
gleichmäßigen Schicht
eines Formwandbehandlungsmittels überzogen werden. Dieses Formwandbehandlungsmittel hat
zum einen die Aufgabe, die in 1 nicht
dargestellten Auswerfer zum Auswerten des erstarrten Formteils aus
der Form 12 zu schmieren, und zum anderen die Aufgabe,
ein Verschweißen
oder Verkleben des eingebrachten Metalls mit dem Formenwerkstoff
oder ein vorzeitiges Erstarren des eingebrachten Metalls zu verhindern
und so zur Erzielung der gewünschten
Gussqualität
beizutragen. Gegebenenfalls kann es auch erforderlich sein, vor
dem Temperieren und Beschichten der Formwandungen 12a und 12b diese
von Formwandbehandlungsmittel- oder Metall-Rückständen zu reinigen, was beispielsweise mittels
Druckluft bewerkstelligt werden kann.
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Im
Unterschied zum Stand der Technik erfolgen das Temperieren der Form 12 und
das Beschichten der Formwandungen 12a und 12b mit
Formwandbehandlungsmittel erfindungsgemäß in voneinander getrennten,
d.h. zeitlich einander nicht überlappenden
Schritten. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
werden jedoch beide Schritte von ein und derselben Formsprüheinrichtung 10 unter
der Steuerung der in 2 dargestellten Steuereinheit 20 vorgenommen.
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Die
Formsprüheinrichtung 10 umfasst
ein Sprühwerkzeug 22 mit
einer Mehrzahl von Sprüh- bzw.
Blas-Elementen 24, 26 und 28, welches
mittels eines sechs-achsigen
Industrieroboters 30 zwischen die geöffneten Formhälften 12c und 12d eingefahren, mit
einer gewünschten
Geschwindigkeit v längs
einer gewünschten
Bahn B bewegt werden und schließlich aus
der Form 12 wieder zurückgezogen
werden kann. Dabei kann das Sprühwerkzeug 22 mittels
des Roboters 30 darüber
hinaus an jedem Punkt der Bahn B in jede beliebige Raumorientierung
gebracht werden.
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Aufbau
und Funktion des Industrieroboters 30 sind an sich bekannt
und werden daher hier nicht näher
erläutert
werden.
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In
der Darstellung gemäß 1 sind
drei verschiedene Möglichkeiten
aufgezeigt, mit deren Hilfe die Formwandoberflächen 12a und 12b auf
die für
den nächsten
Formungszyklus geeignete Temperatur gebracht werden kann:
Zum
einen ist ein Heiz-Kühl-Gerät 32 vorgesehen, welches
einem in der Form 12 vorgesehenen Kanalsystem 12e über eine
Zuführleitung 32a ein Heiz-Kühl-Fluid,
vorzugsweise eine Heiz-Kühl-Flüssigkeit
zuführt.
Mittels des Heiz-Kühl-Geräts 32 kann der
Form 12 bereits während
des Erstarrens des flüssigen
Metalls im Formhohlraum 16 Wärme entzogen bzw. Wärme zugeführt werden.
Idealerweise sollte diese "innere" Temperierung die
einzige Maßnahme zur
Herbeiführung
der gewünschten
Formtemperatur sein, da sie im Vergleich mit den nachfolgend diskutierten
beiden "äußeren" Temperierverfahren
die geringste thermische Belastung des Formenwerkstoffs und somit
den geringsten Formenverschleiß infolge Temperatur-Wechselbelastung
nach sich zieht. Die "innere" Temperierung kann
nämlich
bereits während des
Erstarrens des in den Formhohlraum 16 eingefüllten Metalls
einsetzen, wohingegen mit der "äußeren" Temperierung erst
nach Öffnen
der Formhälften 12c und 12d sowie
Entnahme des gefertigten Formteils begonnen werden kann.
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Reicht
die vorstehend erläuterte "innere" Temperierung aber
aus herstellungstechnischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht
aus, so kann die Form
12 auch von außen her temperiert werden.
Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass man mit Hilfe des
Sprühwerkzeugs
22 auf
die Formwandoberflächen
12a und
12b unter
Verwendung der Sprühdüsen
24 ein
Kühlfluid,
vorzugsweise entmineralisiertes Wasser, aufsprüht und dort verdampfen lässt. Die
Verwendung von entmineralisiertem Wasser hat den Vorteil, dass Kalkablagerungen
auf den Formwandoberflächen
12a und
12b vermieden
werden, welche die Qualität
der nachfolgend aufzutragenden Formwandbehandlungsmittel-Schicht
beeinträchtigen
könnten.
Die Sprühdüsen
24 können beispielsweise
so aufgebaut sein, wie dies in der
DE 44 20 679 A1 beschrieben ist. Zur schnelleren
Kühlung wird
man in vielen Fällen
mehr Kühlflüssigkeit
auftragen als spontan auf der heißen Formenoberfläche
12a und
12b verdampfen
kann. Das überschüssige, abtropfende
Wasser wird in einem Auffangbecken
34 gesammelt. In dem Überschusswasser
enthaltene gröbere
Partikel werden in einer Filteranordnung
36 zurückgehalten.
Darüber
hinaus wird das aufgefangene Wasser über eine Leitung
36a einer
Reinigungseinrichtung
38 zugeführt, in welcher es von Ölfilmen,
Schwebstoffen und dergleichen gereinigt wird, beispielsweise durch
Zentrifugieren, Absetzen-Lassen,
Absinken oder dergleichen. Das so gereinigte Wasser wird über eine
Leitung
38a zur Wiederverwendung durch die Sprüheinrichtung
10 einem Tank
40 zugeführt, in
den über
eine Leitung
40a überdies
frisches entmineralisiertes Wasser eingeleitet wird, so dass von
der Sprüheinrichtung
10 über die Leitung
40b stets
ausreichend Kühlwasser
entnommen werden kann.
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Nachzutragen
ist noch, dass die Sprühelemente
gemäß
DE 44 20 679 A1 zu
ihrem Betrieb neben der zu versprühenden Flüssigkeit auch Blasluft benötigen. Diese
wird der Formensprühanlage
10 über eine
Druckluftleitung
42 zugeführt. Die längs des Roboterarms
30 verlaufenden
Versorgungsleitungen für
Druckluft, Temperierfluid und Formwandbehandlungsmittel sind in
1 der Übersichtlichkeit der
Zeichnung halber nicht dargestellt.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Außentemperierung
besteht darin, eine Wärmeübertragungsvorrichtung 44 mit
den Formwandoberflächen 12a, 12b bzw.
besonderer Kühlung
bedürfenden
Partie 12f dieser Formwandoberfläche in Wärmeübertragungskontakt zu bringen.
Hierzu umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung
einen Trägerkörper 44a und
wenigstens einen an diesen in Wärmeübertragungs kontakt
geführten
Wärmeübertragungskörper 44b,
dessen Oberfläche 44c der
zu temperierenden Partie 12f der Formwandoberfläche 12a, 12b entsprechend
formangepasst ausgebildet ist. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 44 kann
beispielsweise mittels eines weiteren, in 1 nicht
dargestellten Industrieroboters im Bedarfsfall zwischen die Formhälften 12c und 12d eingefahren
und mit der Formwandoberfläche 12a, 12b in
Kontakt gebracht werden.
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Um
einerseits eine Beschädigung
der Wärmeübertragungsvorrichtung 44 sowie
der Form 12 vermeiden zu können und um andererseits einen
guten Wärmeübertragungskontakt
zwischen dem Wärmeübertragungskörper 44b und
der zu temperierenden Partie 12f der Form 12 sicherstellen
zu können, ist
der Wärmeübertragungskörper 44b an
dem Träger 44a mittels
einer Feder 44d gepuffert. Um den Wärmeübertragungskörper 44b Wärme zu-
bzw. von diesem Wärme
abführen
zu können,
ist in dem Träger 44a ein
Fluidkanalsystem 44e vorgesehen, welches wiederum mit dem
Heiz-Kühl-Gerät 32 verbunden
sein kann. Eine weitere Möglichkeit,
der Wärmeübertragungsvorrichtung 44 Wärme zuführen bzw. von
dieser Wärme
abführen
zu können,
besteht darin, diese in Vorbereitung des Temperiervorgangs in ein
Heiz-Kühl-Bad 46 zu
tauchen.
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Bei
allen drei vorstehend diskutierten Möglichkeiten zur Temperierung
der Form 12 ist es erwünscht,
dieser Form nur soviel Wärme
zu entziehen bzw. nur soviel Wärme
zuzuführen,
wie zum Erreichen der für
den nächsten
Formungszyklus günstigen
Temperatur erforderlich ist. Der Betrieb des Heiz-Kühl-Geräts 32,
die Bewegung des Sprühwerkzeug 22 zwischen
den geöffneten
Formhälften 12c und 12d,
der Ausstoß an
Kühlflüssigkeit
aus den Sprühelementen 24,
die Dauer des Kontakts zwischen Wärmeübertragungsvorrichtung 44 und
Formwandoberfläche 12a, 12b und
dergleichen erfolgen daher unter der Steuerung durch die Steuereinheit 20 auf
Grundlage wenigstens eines der nachfolgend diskutierten Sensorsignale:
Beispielsweise
kann die Temperatur der Form 12 mittels eines Temperatursensors 48 ständig überwacht werden,
der an einer für
die Temperaturverteilung in der Form 12 repräsentativen
Stelle angeordnet ist. Der Temperatursensor 48 übermittelt
gemäß 2 ein
Formtemperatursignal TF1 an die Steuereinheit 20.
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Gewünschtenfalls
können
auch mehrere derartige Formtemperatur-Sensoren vorgesehen sein.
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Die
Temperaturverteilung der Formwandoberfläche 12a, 12b kann
aber auch mittels einer Wärmebild-Messeinrichtung 50 ermittelt
werden, welche ein entsprechendes digitales, ortsaufgelöstes Temperatursignal
TF2 an die Steuereinheit 20 übermittelt. Die
Wärmebild-Messeinrichtung 50 kann
entweder fest installiert sein oder mittels einer Schwenkeinrichtung
oder eines Roboterarms in die für
die Wärmebildaufnahme
jeweils günstigste
Position gebracht werden. Eine alternative Variante besteht darin,
die Wärmeverteilung
der Formwandoberfläche 12a, 12b nicht
direkt zu ermitteln, sondern indirekt aus Wärmebildern eines gerade aus
der Form entnommenen Formteils abzuleiten.
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Zur
Berücksichtigung
von Temperaturschwankungen am Ort der Fertigungsanlage, welche beispielsweise
jahreszeit-bedingt sein oder von einem starken Einfall von Sonnenlicht
herrühren
können
und sich ebenfalls auf die Temperatur an der Formwandoberfläche auswirken,
kann die Steuereinheit 20 bei der Steuerung des Temperiervorgangs
ferner das Temperatursignal TU eines Umgebungstemperatursensors
berücksichtigen.
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Ferner
können
Informationen A über
den Arbeitsablauf für
die Steuerung des Temperierschritts von Interesse sein. Beispielsweise
kann eine Unterbrechung des Fertigungstaktes zu einem Auskühlen der
Form 12 führen,
so dass sie beim Wiederanfahren der Fertigung zunächst erwärmt werden
muss, später
bei voll laufender Fertigung hingegen wieder gekühlt werden muss. Derartige
Informationen über den
Arbeitsverlauf können
der Steuereinheit 20 von einer geeigneten Datenspeichereinrichtung 54 bereitgestellt
werden, welche in 2 lediglich beispielhaft mit
dem Schemazeichen für
ein Bandaufzeichnungsgerät
dargestellt ist.
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Aus
den vorstehend diskutierten Signalen TF1,
TF2, TU und A sowie
gewünschtenfalls
weiteren Sensorsignalen bestimmt eine Temperiersteuerung 20a der
Steuereinheit 20 Ausgangssignale für den das Sprühwerkzeug 22 bewegenden
Industrieroboter 30, insbesondere dessen Bahnverlauf, Stellung
und Bewegungsgeschwindigkeit, Betriebssignale für die Sprühelemente 24 bzw.
der diese Sprühelemente bedienenden
Vorrichtungen, wie Pumpen und Ventile für die Zufuhr von Kühlflüssigkeit
aus dem Tank 40, sowie Pumpen und Ventile für die Zufuhr
der Blasluft von der Druckluftleitung 42, Betriebssignale
für das Heiz-Kühl-Gerät 32 sowie
Betriebsignale für
die Wärmeübertragungsvorrichtung 44.
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Nach
der abgeschlossenen Temperierung der Formwandoberfläche 12a, 12b kann
mittels des Sprühwerkzeugs 22,
insbesondere mittels der Sprühelemente 26 die
temperierte Formwandoberfläche 12a, 12b mit
Formwandbehandlungsmittel beschichtet werden. Erfindungsgemäß wird dabei
ein im Wesentlichen lösungsmittelfreies
Formwandbehandlungsmittel verwendet, welches in der Lage ist, die Formwandoberfläche 12a, 12b auch
bei der für
den nächsten
Formungszyklus günstigen
Temperatur in der Größenordnung
von 350°C
bis 400°C
zu benetzen und auf dieser einen schmier- und trennwirksamen Film
mit einer Dicke von etwa 5 μm
bis 10 μm
zu bilden. Unter einem im Wesentlichen lösungsmittelfreien Formwandbehandlungsmittel
wird dabei ein Formwandbehandlungsmittel verstanden, welches mindestens
98 Gew.-% schmier- und trennwirksame Substanzen und allenfalls 2
Gew.-% Hilfsstoffe wie Bakterizide, Emulgatoren, Lösungsmittel
und dergleichen enthält.
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Das
Formwandbehandlungsmittel wird in gebrauchsfertiger Konsistenz in
Transportbehältern 56 und 58 bereitgestellt,
welche unmittelbar an die Sprüheinrichtung 10 angeschlossen
sind, und aus welchen das Formwandbehandlungsmittel unmittelbar
den Sprühelemente 26 zugeführt wird,
d.h. ohne vorherige Verdünnung
mit Wasser oder einem anderen Lösungsmittel.
Die Entnahme erfolgt durch eine druckluftbetriebene Entnahmevorrichtung 64.
Diese unmittelbare, verdünnungsfreie
Entnahme hat zum einen den Vorteil, dass die Anschaffungs- und Wartungskosten
für eine
Verdünnungsanlage
eingespart werden können,
und zum anderen den Vorteil, dass die mit der Verdünnung einhergehende
Gefahr eines Befalls durch Bakterien oder Pilze nahezu vollständig ausgeschlossen
werden kann. Die Zuordnung zweier Transportbehälter 56 und 58 hat
den weiteren Vorteil, dass nach vollständiger Leerung des einen Behälters 56 automatisch
unter der Steuerung der Steuereinheit 20 oder manuell auf
die Entnahme aus dem jeweils anderen Behälter 58 umgeschaltet
werden kann, ohne hierfür
den Fertigungsbetrieb unterbrechen zu müssen. Vielmehr kann der leere
Behälter 56 bei laufendem
Betrieb gegen einen neuen, mit Formwandbehandlungsmittel gefüllten Transportbehälter ausgetauscht
werden.
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Auch
dieser Beschichtungsvorgang wird unter der Steuerung der Steuereinheit 20 vorgenommen.
Gemäß 2 werden
die Bewegungsbahn, die Bewegungsgeschwindigkeit und die Stellung
des Sprühwerkzeugs 22,
d.h. der Betrieb des Industrieroboters 30, sowie die pro
Zeiteinheit von den Sprühelementen 26 ausgestoßene Menge
an Formwandbehandlungsmittel von einer Beschichtungssteuerung 20b der
Steuereinheit 20 gesteuert. Um sicherstellen zu können, dass
an jedem Punkt der Bewegungsbahn B des Sprühwerkzeug 22 eine
der Bewegungsgeschwindigkeit und Stellung des Sprühwerkzeug angemessene
Menge an Formwandbehandlungsmittel auf die Formwandoberfläche 12a, 12b aufgebracht
wird, d.h. um sicherzustellen, dass die gesamte Formwandoberfläche 12a, 12b mit
einer möglichst homogenen
gleichmäßigen Schicht
an Formwandbehandlungsmittel überzogen
wird, ist im Sprühwerkzeug 22 eine
Ausstoßmengensensor 60 vorgesehen, beispielsweise
ein Volumenstrom-Messgerät
oder ein Massenfluss-Sensor, der einen entsprechendes Durchflusssignal
V an die Steuereinheit 20 übermittelt. Selbstverständlich ist
bevorzugt jedem der Sprühelemente 26 ein
gesonderter Durchflusssensor 60 zugeordnet. Auf Grundlage
der Erfassungssignale dieser Durchflusssensoren 60 kann
mittels der Steuereinheit 20 bzw. deren Beschichtungssteuerung 20b eine
automatische Schichtdickenregelung realisiert werden.
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Das
Sprühwerkzeug 22 umfasst,
wie vorstehend bereits erläutert
worden ist, ferner Blasdüsen 28 zum
Ausstoß von
Druckluft. Diese Druckluft kann beispielsweise dazu genutzt werden,
die Form 12 nach Entnahme des zuletzt gefertigten Formteils
vor der Temperierung von Metall- und Behandlungsmittel-Rückständen zu
befreien und/oder vor dem Beschichten mit Formwandbehandlungsmittel
die Form trockenzublasen. Auch diese Blasluft-Reinigung bzw. -Trocknung
kann unter der Steuerung der Steuereinheit 20 erfolgen.
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Nachzutragen
ist noch, dass die Steuereinheit 20 darüber hinaus auch noch andere
Steuerungsaufgaben übernehmen
kann, beispielsweise die Steuerung des Öffnens und Schließens der
Formhälften 12c und 12d,
die Entnahme eines gerade gefertigten Formteils aus der Form 12 und
dergleichen anfallende Steuerungs aufgaben, was in 2 zusammenfassend
mit Z bezeichnet ist.
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Festzuhalten
ist, dass der Betrieb der Fertigungsanlage 10 programm-gesteuert
ablaufen kann. Zur Eingabe bzw. zum Abrufen derartiger Steuerungsprogramme
ist die Steuereinheit 20 mit einem Dateneingabe/Ausgabegerät 62 verbunden.
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Mit
der vorstehend beschriebenen Steuerung können Abweichungen von vorbestimmten Soll-Temperaturen
zu jedem Zeitpunkt des Formungszyklus erfasst und daraufhin die
Steuerung mit Hilfe entsprechender Daten bzw. mit Hilfe einer entsprechenden
vorzugsweise automatisch ablaufenden Software angepasst werden.
Somit kann das prozesstechnisch jeweils günstigste thermische Gleichgewicht
stets in engen Toleranzgrenzen eingehalten werden, was sich auf
die Qualität
der gefertigten Formteile vorteilhaft auswirkt.
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In 3 ist
ein Sprühelement 26 zum
Versprühen
von Formwandbehandlungsmittel im Detail dargestellt. Das Sprühelement 26 ist
zum Versprühen
im Wesentlichen lösungsmittelfreien
Formwandbehandlungsmittels mit Hochtemperatur-Benetzungseigenschaften ausgebildet.
Derartiges Formwandbehandlungsmittel, d.h. Formwandbehandlungsmittel,
welches einen Anteil von mindestens 98 Gew.-% schmier- und trennwirksamen
Substanzen und allenfalls 2 Gew.-% Hilfsstoffe, wie Bakterizide, Emulgatoren,
Lösungsmittel
und dergleichen umfasst und in der Lage ist, eine etwa 350°C bis 400°C aufweisende
Formwandoberfläche
zu benetzen und auf dieser eine gleichmäßige Formwandbehandlungsmittel-Schicht
zu bilden, weist bei einer Temperatur von 20°C eine Viskosität in der
Größenordnung von
etwa 50 mPa·s
bis etwa 2500 mPa·s
(mit einem Brookfield-Viskosimeter
bei 20 U/min bestimmt) auf.
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Das
Sprühelement 26 umfasst
einen Rotor 110 mit einer sich um eine Drehachse R drehenden Rotorwelle 112 und
einer mit der Rotorwelle 112 einstückig ausgebildeten oder an
dieser befestigten (siehe schematisch dargestellte Schraube S) Zerstäuberscheibe 114.
Der Rotor 110 ist in einem Basiskörper 116 des Sprühelements,
genauer gesagt in einem Wellendurchgang 116a dieses Basiskörpers 116 um
die Drehachse R drehbar aufgenommen, wobei eine Lageranordnung 118 für die drehbare
Lagerung des Rotors 110 sorgt. An dem der Zerstäuberscheibe 114 entgegengesetzten
Ende der Rotorwelle 112 ist ein Antriebsaggregat 120 vorgesehen,
welches den Rotor 110 mit einer Drehzahl in der Größenordnung
von etwa 10.000 U/min bis etwa 40.000 U/min antreibt.
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Das
Antriebsaggregat 120 ist in der Ausführungsform gemäß 3 von
einer Druckluftturbine 120a gebildet, welche über eine
Druckluft-Zuführleitung 122 mit
Druckluft versorgt wird. Die Druckluftturbine 120a und
die Druckluft-Zuführleitung 122 sind
in einem in 3 lediglich schematisch dargestellten Gehäuse 116e aufgenommen,
welches an dem Basisteil 116a befestigt ist, und zwar lösbar befestigt
ist, was den Vorteil erleichterter Wartung hat. Gemäß der in 4 dargestellten
Ausführungsvariante
kann das Antriebsaggregat 122 aber auch von einem Elektromotor 120b gebildet
sein. Die Druckluftturbine 120a hat dabei den Vorteil,
dass die zu ihrem Antrieb erforderliche Druckluft, wie sich aus
der nachfolgenden Diskussion noch ergeben wird, ohnehin dem Sprühelement 26 zugeführt werden
muss, während
eine Stromversorgungsleitung für
einen Elektromotor 120b zusätzlich zu dem Sprühelement 26 verlegt werden
muss.
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In
dem Basiskörper 116 ist
eine erste, zu dessen Stirnende 116b führende Zuführleitung 124 ausgebildet.
Und in die stirnseitige Mündung 124a dieser
Zuführleitung 124 ist
ein Düsenkörper 126 eingesetzt,
der das über
die Zuführleitung 124 zugeführte Formwandbehandlungsmittel
an die Zerstäuberscheibe 114 abgibt,
und zwar im Bereich deren Verbindung mit der Rotorwelle 112.
Das mit der Zerstäuberscheibe 114 in
Kontakt tretende Formwandbehandlungsmittel wird von dieser infolge
deren Drehung orthogonal zur Drehachse R nach außen geschleudert und dabei
fein zerstäubt.
Die Zerstäubungswirkung
kann noch durch nicht dargestellte, bezüglich der Drehachse R radial
verlaufende (nicht dargestellte) Schlagrippen verstärkt werden.
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Auf
einem Zylinderabschnitt 116c des Basisteils 116 ist
ein Kopfteil 116d in Richtung der Drehachse R bewegbar
gelagert. Beispielsweise kann ein rotationssymmetrisches Kopfteil 116d auf
den Zylinderabschnitt 116c aufgeschraubt sein. Es ist jedoch auch
möglich,
dass das Kopfteil 116d mittels eines Stellantriebs, beispielsweise
unter der gegebenenfalls programmierten Steuerung der Steuereinheit 20, in
Richtung der Drehachse R verschiebbar ist. In diesem Kopfteil 116d ist
eine Druckluft-Zuführleitung 128 ausgebildet,
welche dem stirnseitigen Ende 116b des Sprühelementkörpers 116 nahe
in einen Ringkanal 130 mündet, der im Bereich seines
stirnseitigen Endes 130a sich zur Rotorachse R hin verjüngt und
dort in einem ringförmigen
Austrittsschlitz 130b endet. Der Ringkanal 130 ist
in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 nach
radial außen
hin von dem Kopfteil 116d begrenzt und ist nach radial innen
hin von dem Zylinderteil 116c begrenzt. Der Ringkanal 130 dient
zur Vergleichmäßigung des
am Austrittsschlitz 130b anstehendem Drucks der über die
Zuführleitung 128 zugeführten Druckluft.
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Die
aus dem Austrittsschlitz 130b ausgestoßene Druckluft lenkt das bezüglich der
Drehachse R radial nach außen
weggeschleuderte, zerstäubte Formwandbehandlungsmittel
um, so dass sich ein um die durch die Verlängerung der Drehachse R gegebene
Hauptsprührichtung
H öffnender
Sprühkegel 132 ergibt.
Durch Verlagerung des Kopfteils 116d in Richtung der Drehachse
R kann die Weite des Austrittsschlitzes 130b und somit
die aus diesem Austrittsschlitz 130b ausgestoßene Leitluftmenge
variiert werden. So ist in 3 oben ein
sehr weiter Austrittsschlitz dargestellt, aus dem sehr viel Leitluft
ausgestoßen
wird, während
in 3 unten ein sehr schmaler Austrittsschlitz dargestellt
ist, aus dem nur sehr wenig Leitluft austritt. Je mehr Druckluft
aber aus dem Austrittsschlitz 130b ausgestoßen wird,
umso stärker
ist aber die Mitnahmewirkung, die diese Druckluft auf das zerstäubte Formwandbehandlungsmittel
ausübt
und umso kleiner ist der Öffnungswinkel des
Sprühkegels.
Entsprechend ergibt sich für
die in 3 oben dargestellte Stellung des Kopfteils 116d ein
sehr enger Sprühkegel 132,
während
sich für
die in 3 unten dargestellte Stellung des Kopfteils 116d ein
sehr weiter Sprühkegel 132' ergibt.
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Nachzutragen
ist noch, dass eine Mehrzahl von Zuführleitungen 124 für Formwandbehandlungsmittel
vorgesehen sein kann, über
die gemäß einer ersten
Alternative ein und dasselbe Formwandbehandlungsmittel zugeführt wird
bzw. über
die gemäß einer
zweiten Alternative unterschiedliche Formwandbehandlungsmittel zur
Abgabe durch das Sprühelement 26 zugeführt werden
können.
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Beispielsweise
zum Beschichten konkaver Formenpartien wie Bohrungen, Rippen, Spalten
und dergleichen kann es von Vorteil sein, den Sprühstrahl 132 aus
der durch die Verlängerung
der Drehachse R gegebenen Hauptsprührichtung H seitlich abzulenken,
was in 3 durch den Pfeil H' angedeutet ist. Hierzu kann beispielsweise
eine zusätzliche
Zuführleitung 136 für Ablenkluft
am Kopfteil 116d des Sprühelementkörpers 116 angeordnet
bzw. ausgebildet sein.
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Es
ist jedoch auch möglich, über den
Umfang des Kopfteils 116d verteilt eine Mehrzahl von Leitluft-Zuführleitungen 128 vorzusehen,
deren Leitluft-Durchsatz unabhängig
voneinander gesteuert werden kann. Diese können entweder unmittelbar am
ausstoßseitigen
Ende des Sprühelementkörpers 116 münden, oder
analog der Ausführungsform
gemäß 3 in
einen Ringkanal, wobei die Länge
dieses Ringkanals so kurz gewählt
werden muss, dass bis zum Austrittsschlitz 130b ein Druckausgleich
in Umfangsrichtung nicht oder zumindest nicht vollständig erfolgen
kann.
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Eine
weitere Ausführungsalternative
ist in den 5 und 6 dargestellt.
Bei diesem Sprühelement 26' ist am Kopfteil 116d' des Sprühelementkörpers 116' eine Blendenscheibe 138 mit
kreisförmigem
Querschnitt und einer bezüglich
der Drehachse R exzentrisch angeordneten, kreisscheibenförmigen Blendenöffnung 138a angeordnet.
Die Blendöffnung 138a ist
derart dimensioniert, dass zwischen der Zerstäuberscheibe 114' und der Blende 138 ein
Austrittsschlitz 130b' in
Umfangsrichtung variierender Weite gebildet ist. So weist der Austrittsschlitz 130b' in 5 oben
maximale und in 5 minimale Weite auf. Folglich
tritt in 5 oben mehr Leitluft aus, was eine
entsprechend stärkere
Mitnahmewirkung auf das zerstäubte
Formwandbehandlungsmittel zur Folge hat und somit insgesamt zu einer
Ablenkung des Sprühkegels
in 5 nach unten führt.
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Die
Blende 138 kann an dem Kopfteil 116d' in Umfangsrichtung
drehbar angebracht sein, um die Ablenkrichtung des Sprühkegels
variieren zu können.
Sie kann darüber
hinaus in Radialrichtung bezüglich
der Drehachse R verlagerbar angeordnet sein, um die Exzentrizität ihrer
Anordnung bezüglich der
Zerstäuberscheibe 114' variieren zu
können. Schließlich kann
die Blende 138 als Irisblende ausgebildet sein, um den
Durchmesser der Blendenöffnung und
somit die Weite des Blendespalts 138a variieren zu können.
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In
den 7 und 8 ist ein Teil einer weiteren
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sprühelements 26'' dargestellt, welches im Wesentlichen
jenem der Darstellung gemäß 3 entspricht. Daher
sind in 7 und 8 analoge
Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in 3,
jedoch zweifach gestrichen. Darüber
hinaus wird das Sprühelement 26'' gemäß 7 und 8 im
Folgenden nur insoweit beschrieben werden, als es sich von dem Sprühelement 26 gemäß 3 unterscheidet, auf
dessen Beschreibung hiermit ansonsten ausdrücklich verwiesen sei.
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Bei
dem Sprühelement 26'' gemäß 7 ist das
Antriebsaggregat 120'' in den zentralen
Durchgang 116'' des Basiskörpers 116'' eingeschoben und dort mittels
nicht dargestellter Vorrichtungen befestigt. Ein Abtriebselement 110'' des Antriebsaggregats 120'' umfasst eine Ausnehmung 110a'', in welcher der Schaft 114a'' des Zerstäuberelements 114'' mittels eines Schraubkeilelements 170'' drehfest aufgenommen ist. Diese
Keilbefestigung ist eine an sich bekannte Art einer Schnellverbindung.
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An
den Schaft 114a'' schließt sich,
wie dies im Detail in 8 dargestellt ist, in Hauptsprührichtung
H ein zur Drehachse R im Wesentlichen orthogonal verlaufendes Scheibenelement 114b'' einstückig an, wobei der Übergang 114c'' zwischen dem Schaft 114a'' und der Scheibe 114b'' abgerundet ausgebildet ist. Am
radial äußeren Ende 114d'' der Scheibe 114b'' ist ein Ringansatz 114e'' vorgesehen, der sich entgegen
der Hauptsprührichtung
H, also auf das Sprühelement 26'' zu, erstreckt. Die innere Umfangsfläche 114e1'' des Ringansatzes 114e'', ein Teil der Zylinderoberfläche 114a1'' des Schafts 114a'', der abgerundete Bereich 114c'' sowie eine zur Drehachse R im
Wesentlichen orthogonal verlaufende Begrenzungsfläche 114b1'' der Scheibe 114b'' begrenzen gemeinsam eine Verteilkammer 114f'', in welche das Formwandbehandlungsmittel
mittels des Düsenelements 126'' durch die dem Schaft 114a'' benachbarte Öffnung 114g'' eingebracht werden kann (siehe 7).
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Das
Formwandbehandlungsmittel bewegt sich aufgrund der auf es ausgeübten Zentrifugalkräfte an dem
abgerundetem Bereich 114c'' und der Begrenzungsfläche 114b1'' entlang zum äußeren Umfangsrand 114f1'' der Verteilkammer 114f'' bzw. wird zur Begrenzungsfläche 114e1'' des Ringansatzes 114e'' geschleudert. Diese Begrenzungsfläche 114e1'' ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
konisch ausgebildet, wobei der halbe Öffnungswinkel α des Konus
etwa 45° beträgt. Der
Konus weitet sich in Sprührichtung
H, so dass die Fläche 114e1'' auftreffendes Formwandbehandlungsmittel
aufgrund der Zentrifugalkräfte
zum äußeren Umfangsrand 114f1'' der Verteilkammer 114f'' gedrängt wird.
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An
das äußere Ende 114f1'' der Verteilkammer 114f'' schließen sich radiale Verteildurchgänge 114h'' an, durch welche das Formwandbehandlungsmittel
aus der Verteilkammer 114f'' austreten kann und
so auf die Zerstäuberfläche 114i1'' eines mit dem Ringansatz 114e'' durch Presssitz verbundenen Trichterelement 114i'' gelangt. Die Zerstäuberfläche 114i1'' ist nach Art einer sich in Sprührichtung
H öffnenden,
konischen Trichterfläche
ausgebildet, wobei der halbe Öffnungswinkel β dieser Trichterfläche im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
etwa 45° beträgt. Die
sich in Sprührichtung
H erweiternde Ausbildung der Fläche 114i1'' hat den Vorteil, dass das Formwandbehandlungsmittel
durch die auftretenden Zentrifugalkräfte gegen die Zerstäuberfläche 114i1'' gepresst und dort aufgrund der
mit zunehmenden Radius ansteigenden Zentrifugalkräfte und
der Reibung mit der Zerstäuberfläche 114i1'' fein zerstäubt wird. Nach Überschreiten
der Abrisskante 114i2'' wird das zerstäubte Formwandbehandlungsmittel
radial weggeschleudert, bevor es von der aus dem Austrittsspalt 130b'' austretenden Luft erfasst und
als Sprühkegel 132'' zur Formwand hin mitgerissen wird.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass sich aufgrund der vorstehend beschriebenen
Ausführung des
Zerstäuberelements 114'' bei leer drehendem Zerstäuberelement,
d.h. dann, wenn kein Formwandbehandlungsmittel in die Verteilkammer 114f'' eingeführt wird, aufgrund der Zentrifugalkräfte und
der Mitnahmewirkung, die die verschiedenen Oberflächen auf
die angrenzenden Luftschichten ausüben, sich ein Gebläseeffekt
einstellt, der Luft aus der Verteilkammer 114f'' durch die Verteilkanäle 114h'' und entlang der Zerstäuberfläche 114i1'' strömen lässt. Diese Gebläsewirkung
wird bei der Ausführung
des Zerstäuberelements 114'' gemäß 8 dadurch
verstärkt,
dass die äußere Begrenzungsfläche 114b2'' des Scheibenelements 114b'' und des Ringansatzes 114e'' im Wesentlichen parallel zur Zerstäuberfläche 114i1'' und in geringen Abstand von dieser
verläuft, so
dass sich zwischen diesen beiden Flächen ein enger, sich in Sprührichtung
H konisch erweiternder Ringspalt bildet. Die Mitnahmewirkung dieses
Ringspalts auf die darin enthaltene Luft verstärkt die Gebläsewirkung,
so dass dann, wenn kein weiteres Formwandbehandlungsmittel mehr
in die Verteilkammer 114f'' eingeleitet
wird, das restliche in dieser Verteilkammer enthaltene Formwandbehandlungsmittel aufgrund
der Zentrifugalkräfte
und aufgrund der Gebläsewirkung
vollständig
aus der Verteilkammer 114f'' ausgetrieben
wird. Das Zerstäuberelement 114'' ist somit im Betrieb selbstreinigend
ausgebildet.
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Nachzutragen
ist noch, dass bei der Ausführungsform
des Sprühelements 26'' gemäß 7 der Austrittsspalt 130b'' unveränderlich ausgebildet ist durch
Zusammenwirken des Basisteils 116'' und
eines Spaltbildungsrings 172'', welcher eine
an die Leitluftzuführleitungen 128'' anschließende Verteilkammer 130'' begrenzt. Entsprechend der Ausführungsform
gemäß 3 kann
der Austrittsspalt 130b'' der Ausführungsform
gemäß 7 jedoch auch
veränderlich
ausgebildet sein. Eine Zuführleitung
für Formwandbehandlungsmittel
ist in 7 mit 142'' bezeichnet.
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Nachzutragen
ist noch, dass das erfindungsgemäße Sprühelement
und somit die gesamte Formsprühanlage
auch zum Versprühen
herkömmlichen wasserverdünnten Formwandbehandlungsmittels geeignet
ist. Die Anpassung an die niedrigere Viskosität des Behandlungsmittel-Wasser-Gemischs
kann beispielsweise durch entsprechende Wahl der Drehzahl des Antriebsaggregats
und entsprechende Einstellung des Leitluftdurchsatzes erfolgen.