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1. (WO2008055490) DISPOSITIF DE COULÉE VERTICALE POUR PRODUIRE DES PIÈCES MOULÉES
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Vertikalgussvorrichtung zur Herstellung von
Formteilen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vertikalgussvorrichtung zur
Herstellung von Formteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren hierzu gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 13.

Aus der DE 202004014 151 U1 und der DE 10039877 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen bekannt, die als Niederdruckgussvorrichtung ausgelegt ist und zur Herstellung Kraftfahrzeugteilen, insbesondere von Leichtmetallfelgen, eingesetzt wird. Dabei wird die Schmelze in einem als Druckkammer ausgebildeten Tiegel verflüssigt und zu gegebener Zeit so unter Druck gesetzt, dass die Schmelze durch ein Steigrohr nach oben gedrückt wird. Am oberen Ende des Steigrohres schließt sich die Gussform an, so dass die flüssige Schmelze über das Steigrohr in die Gussform gelangt. Am oberen Ende des Steigrohres ist ein Filter angeordnet, um in der Schmelze befindliche unerwünschte Materialien oder Gase auszufiltern, bevor die Schmelze in die Gussform gelangt und dort erkaltet.

Auf dem Weg vom Tiegel zum Filter kann es vorkommen, dass die
Schmelze Teile der Umgebungsluft aufnimmt und somit schon leicht verunreinigt am Filter ankommt. Auch kühlt sich die Schmelze auf dem Weg zum Filter leicht ab, so dass die im Filter zur Verfügung stehende Reaktionstemperatur nicht der Temperatur im Tiegel entspricht, so dass die am Filter ablaufenden Reaktionen zur Aufnahme der unerwünschten Materialien nicht optimal ablaufen können.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vertikalgussvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein verbessertes Ausfiltern unerwünschter Materialien oder Gase aus der Schmelze erreicht wird.

Als technische Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Vertikalgussvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Vertikalgussverfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 13 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Vertikalgussvorrichtung und dieses Ver-tikalgussverfahrens sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Eine nach dieser technischen Lehre ausgebildete Vertikalgussvorrichtung und ein nach dieser technischen Lehre betriebenes Vertikalgussverfahren haben den Vorteil, dass durch die schwimmende Anordnung des Filters im Steigrohr der Abstand zwischen der Schmelze und dem Filter auf ein Minimum reduziert ist, so dass die Schmelze auf dem Weg zum Filter keinerlei Beeinflussung durch die Luft erfährt und vor allem, dass auch keine Abkühlung der Schmelze auf dem Weg zum Filter erfolgt. Somit hat der Filter die gleiche Temperatur wie die Schmelze, so dass die beim Durchtritt der Schmelze durch den Filter ablaufenden chemischen Reaktionen nahezu optimal ablaufen können.

Bei einem auf der Oberfläche der Schmelze aufschwimmenden Filter, der nur zu einem sehr geringen Teil in die Schmelze eintaucht, besteht die Schwierigkeit, dass der Filter wegen des geringen Kontaktes zur Schmelze abzukühlen droht und dass zumindest ein Teil der Oberfläche der
Schmelze Kontakt zur Umgebung hat und in diesem Teil eine
Verunreinigung der Schmelze zu befürchten ist.

Aus diesem Grund ist die Dichte in einer bevorzugten Ausführungsform des Filters nur wenig niedriger ausgebildet, als die Dichte der den Filter umgebenden Schmelze, so dass der Filter an der Oberfläche schwimmt und überwiegend in die Schmelze eintaucht. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Dichte so zu wählen, dass der Filter zu 70 Vol.% bis 95 Vol.%, vorzugsweise 80 Vol.% bis 90 Vol.%, in die Schmelze eintaucht. Dies hat den Vorteil, dass der Filter überwiegend von der Schmelze umgeben ist und nicht abkühlen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Oberfläche der Schmelze vollständig vom Filter abgedeckt ist, so dass eine Verunreinigung der Schmelze zuverlässig vermieden wird.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist im Steigrohr ein
Anschlag ausgebildet, an dem der Filter zur Anlage kommt, sofern dieser von der flüssigen Schmelze hochgedrückt wird. Mit diesem Anschlag soll die Bewegungsfreiheit des Filters eingegrenzt werden und insbesondere soll verhindert werden, dass der Filter bis an die Gussform gedrückt wird und möglicherweise dort das korrekte Einströmen der Schmelze in die Gussform behindert.

Die Anordnung des Anschlages noch im Steigrohr hat weiterhin den Vorteil, dass sich der Filter stets in der heißen Zone aufhält und nicht abkühlt.
Somit ist gewährleistet, dass die Reinigung durch den Filter bei hohen Temperaturen stattfindet, was die Katalyse und andere chemische
Reaktionen zur Reinigung der Schmelze begünstigt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Anschlag als Querschnittsverengung im Steigrohr ausgebildet. Diese Querschnittsverengung ist vorteilhafterweise gleichmäßig umlaufend ausgebildet und kann als konische Querschnittsverengung oder in Form einer Venturidüse ausgebildet sein. Eine solche Querschnittsverengung dient als Anschlag für den Filter und beeinträchtigt das Schließverhalten der Schmelze nur unwesentlich. Insbesondere bei einer Ausbildung der Querschnittsver- engung als Venturidüse werden die strömungsbedingten Einflüsse durch die Querschnittsverengung auf die Schmelze auf ein Minimum reduziert.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Filter korrespondierend zu der Querschnittsverengung ausgebildet, so dass der Filter vorn an der Querschnittsverengung zur Anlage kommen kann. Hierdurch erfährt der Filter eine größtmögliche Anlagefläche, so dass beim Durchströmen des Filters auftretenden Kräfte auf eine größtmögliche Fläche verteilt werden, so dass der Flächendruck geringgehalten werden kann.

In einer anderen, besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Querschnittsverengung nahe eines am Steigrohr ausgebildeten Flansches angeordnet. Hierdurch erfährt die Wandung des Steigrohres im Bereich des Flansches eine Verstärkung, so dass die durch den Flansch auftretende Kerbwirkung durch die erhöhte Materialstärke zumindest teilweise kompensiert werden kann. Dies führt letztendlich zu einer höheren Standfestigkeit des Steigrohres.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist der Filter derart dimen-sioniert, dass der zwischen dem Filter und dem Steigrohr verbleibende Spalt auf weniger als 3 mm, vorzugsweise auch weniger als 1 mm begrenzt ist. Hierdurch kann der Filter relativ passgenau im Steigrohr geführt werden, so dass die Gefahr einer Verkantung minimiert wird.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Filter oben konisch und unten zylindrisch auszuführen, so dass der zylindrische Teil eine Führung innerhalb des Steigrohres bildet und der konische Teil an einer entsprechend konisch ausgeführten Querschnittsverengung zur Anlage kommen kann, so dass die auf den Filter wirkende Flächenpressung minimiert wird.

Alternativ hierzu kann der Filter auch als Kugel oder Kegel ausgebildet sein.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist am Steigrohr, vorzugs-weise oberhalb der Schmelze, eine Steigrohrheizung angebracht. Dies hat den Vorteil, dass das Steigrohr auch außerhalb der Schmelze auf Schmelztemperatur gebracht werden kann, so dass die Schmelze im Inneren des Steigrohres nicht abkühlt. Dies führt wiederum zu einem guten und zügigen Durchfluss der Schmelze durch den Filter. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass hierdurch auch eine gute Filterung der Schmelze erreicht wird, so dass nach dem Filter nahezu alle Fremdstoffe ausgefiltert sind.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vertikalgussvorrichtung und des erfindungsgemäßen Vertikalgussverfahrens ergeben sich aus der beigefüg-ten Zeichnung und den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter. Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vertikalgussvorrichtung in
geschnittener Ansicht;
Fig. 1 b eine Detailvergrößerung der Vertikalgussvorrichtung aus Fig.
1a gemäß Linie Ib in Fig. 1a;
Fig. 2a eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vertikalgussvorrichtung in
geschnittener Ansicht;
Fig. 2b eine Detailvergrößerung der Vertikalgussvorrichtung aus Fig.
2a gemäß Linie IIb in Fig. 2a;

Fig. 3a eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vertikalgussvorrichtung in
geschnittener Ansicht;
Fig. 3b eine Detailvergrößerung der Vertikalgussvorrichtung aus Fig.
3a gemäß Linie IMb in Fig. 3a;
Fig. 4a eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vertikalgussvorrichtung in
geschnittener Ansicht;
Fig. 4b eine Detailvergrößerung der Vertikalgussvorrichtung aus Fig.
4a gemäß Linie IVb in Fig. 4a;
Fig 5a eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vertikalgussvorrichtung in
geschnittener Ansicht;
Fig. 5b eine Detailvergrößerung der Vertikalgussvorrichtung aus Fig.
5a gemäß Linie Vb in Fig. 5a.

In den Figuren 1a und 1 b ist in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vertikalgussvorrichtung abgebildet, welche in geschnittener Ansicht gezeigt ist. Diese Vertikalgussvorrichtung umfasst einen Ofen 10, in dem ein Tiegel 12 zur Aufnahme einer Schmelze 14 angeordnet ist, während an der Außenseite des Ofens 10 eine spiralförmig umlaufende Ofenheizung 16 angebracht ist. In den Tiegel 12 reicht ein vertikal angeordnetes Steigrohr 18 hinein, welches an seinem oberen Ende ein Mündungselement 20 aufweist. Das Steigrohr 18 liegt mit seinem Mündungselement 20 an einer Gussform 22 an, in dem das herzustellende Formteil erstellt wird. Im Inneren des Steigrohres 18 ist ein Filter 24 vorgesehen, der auf der Schmelze 14 schwimmt. Dieser Filter 24 ist aus Keramik hergestellt und offenporig ausgestaltet, damit die Schmelze 14 durch den Filter 24 hindurchtreten kann.

Der Filter 24 hat ein spezifisches Gewicht, welches nur wenig niedriger als das der Schmelze 14 ist, und taucht deshalb zu 90 Vol.% in die Schmelze 14 ein, so das nur 10 Vol.% des Filters aus der Schmelze 14 herausragen.

Im Inneren des Steigrohrs 18 ist eine konisch ausgebildete Querschnittsverengung 26 vorgesehen, die im Bereich des Flansches 28 voll ausgebildet ist und bis an das obere Ende des Steigrohrs 18 reicht. Der Filter 24 ist in seinem unteren Bereich zylindrisch und in seinem oberen Bereich konisch ausgebildet, wobei die Konizität des Filters 24 der Konizität der Querschnittsverengung 26 gleicht, so dass der Filter 24 passgenau an der Querschnittsverengung 26 zur Anlage kommen kann. Dabei ist der Filter 24 so dimensioniert, dass der Spalt zwischen dem Filter 24 und dem Steigrohr 18 zirka 1 mm beträgt.

Das eigentliche Herstellen des Formteils aus einer Aluminium- und/oder Magnesiumlegierung erfolgt dann im Nieder- oder Gegendruckverfahren. In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsform kann das Formteil auch im Vakuumverfahren hergestellt werden.

Zur Herstellung des Formteils wird zunächst einmal im Tiegel 12 die

Legierung zur einer Schmelze 14 aufgeschmolzen. Anschließend wird im Ofen 10 ein Druck aufgebaut, der die Schmelze 14 aus dem Tiegel 12 in das Steigrohr 18 drückt. Dabei wird der an der Oberfläche der Schmelze 14 schwimmende Filter 24 nach oben bewegt und kommt an der Quer-schnittsverengung 26 zur Anlage. Wird der Druck weiter erhöht, so wird die Schmelze 14 durch den Filter 24 hindurch gedrückt und gelangt über das Mündungselement 20 in die Gussform 22, wo die Schmelze 14 erkaltet und aushärtet. Sobald die Gussform 22 vollständig befüllt ist, wird der Druck im Ofen 10 wieder abgebaut und die verbleibende Schmelze fließt zurück in den Tiegel 12. Dabei wandert auch der auf der Schmelze 14 aufliegende Filter 24 von der Querschnittsverengung 26 nach unten und verbleibt schwimmend auf der Schmelze 14.

In den Figuren 2a und 2b ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungs-gemäßen Vertikalgussvorrichtung abgebildet, die bis auf die Ausgestaltung der Querschnittsverengung 26' identisch mit der ersten Ausführungsform ist. Bei der ersten Ausführungsform gemäß den Figuren 1a und 1b ist die Querschnittsverengung 26 von dem Bereich des größten Durchmessers des Steigrohres 18 bis zum kleinsten Durchmesser des Steigrohres 18 konisch ausgebildet, wobei von dieser Stelle an das Steigrohr 18 die Verengung beibehält und lediglich dieser kleine Durchmesser verbleibt. Bei der zweiten Ausführungsform gemäß den Figuren 2a und 2b ist die Querschnittsverengung 26' nur kurz ausgeführt, das heißt nur etwa 1 cm lang und anschließend erweitert sich der Querschnitt des Steigrohres 18 wieder auf seinen ursprünglichen Durchmesser.

Auch die in den Fig. 3a und 3b dargestellte dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vertikalgussvorrichtung ist bis auf die Ausgestaltung der Querschnittsverengung identisch mit den beiden vorherigen. In dieser dritten Ausführungsform weist das Steigrohr 18 keinerlei Querschnittsverengung auf. Hier ist die Querschnittsverengung 26" im Mündungselement 20' ausgebildet, wobei die Querschnittsverengung 26" im wesentlichen die Form einer Venturidüse angenommen hat, wobei aber der dem Filter 24' zugewandte Teil der Querschnittsverengung 26" kugelsegmentförmig aus-gebildet ist. Im Gegenzug ist der Filter 24' gemäß der dritten Ausführungsform zwar im unteren Bereich ebenfalls zylindrisch ausgebildet, jedoch ist der Filter 24' in seinem oberen Bereich halbkugelförmig ausgebildet und kann sich somit passgenau an die Querschnittsverengung 26" anlegen.

Die vierte in den Figuren 4a und 4b dargestellte Ausführungsform ist bis auf die Ausgestaltung des Filters 24" identisch mit der in den Figuren 3a und 3b dargestellten dritten Ausführungsform. Bei dieser vierten Ausführungsform kommt ein kugelförmiger Filter 24" zum Einsatz, der sich ebenso gut an die Querschnittsverengung 26" im Mündungselement 20" anlegt, wie der Filter 24' gemäß der dritten Ausführungsform. Dieser kugelförmige Filter 24" hat im Vergleich zum Filter der vorhergehenden Ausführungsformen ein etwas niedrigeres spezifisches Gewicht und taucht nur zu 70 Vol.% in die Schmelze 14 ein, so dass 30 Vol.% aus der Schmelze 14 herausragen.

Die fünfte in den Figuren 5a und 5b dargestellte Ausführungsform ist im Wesentlichen identisch mit der in den Fig. 1a und 1 b dargestellten ersten Ausführungsform. Ergänzender Weise ist diese fünfte Ausführungsform mit einer elektrischen Steigrohrheizung 30 ausgestattet, welche auf der
Außenseite des Steigrohres 18 oberhalb der Schmelze 14 angebracht ist. Mit dieser als Widerstandsheizung ausgebildete Steigrohrheizung 30 kann derjenige Teil des Steigrohres 18, der aus der Schmelze 14 herausragt individuell erwärmt werden und verhindert ein Abkühlen der Schmelze 14 im Steigrohr 18, während die Schmelze 14 durch den Filter 24 hindurchtritt. Somit wird ein guter Durchfluss der Schmelze 14 durch den Filter 24 gewährleistet.

Auch die anderen Ausführungsformen können mit einer Steigrohrheizung ausgestattet sein.

In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsform kann die
Steigrohrheizung auch als Gasheizung ausgebildet sein.

Es versteht sich, dass die Steigrohrheizung auch an den anderen
Vertikalgussvorrichtungen anbringbar ist.

Bezugszeichenliste:

10 Ofen
12 Tiegel
14 Schmelze
10 16 Ofenheizung
18 Steigrohr
20, 20' Mündungselement
22 Gussform
24, 24', 24" Filter
15 26, 26', 26" Querschnittsverent
28 Flansch
30 Steigrohrheizung