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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen eines Bauteils.
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Beispielsweise im Fahrzeugbau werden Bauteile aus Leichtmetall, insbesondere aus Magnesium- oder Aluminiumwerkstoffen hergestellt. Es handelt sich beispielsweise um Tragrahmen, wie Cockpitträger, die die Verbindung zweier A-Säulen des Kraftfahrzeugs darstellen, ferner Türträgerstrukturen, Lehnenstrukturen, Sitzgestellstrukturen. Hierbei findet das Thixomolding-Verfahren Anwendung, bei dem der zu verarbeitende Werkstoff, insbesondere eine zu verarbeitende Legierung, bis zu einer Übergangstemperatur zwischen fest und flüssig erhitzt wird und sich damit im thixotropen Zustand befindet. Hierdurch ist gewährleistet, dass aufgrund des laminaren Füllprozesses das Material optimal gefördert und in eine Gussform eingebracht werden kann.
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Gefördert wird die Schmelze insbesondere mittels eines Extruders, in dem der Werkstoff auch aufgeheizt wird. Durch einen Heißkanaldüsenaustritt des Extruders gelangt die Schmelze in die Gussform. Es finden in diesem Zusammenhang auch Extruder Verwendung, bei denen zur Erhöhung der Fördermenge zwei oder mehr Förderschnecken parallel betrieben werden.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Thixospritzgießen zur Herstellung von Metallteilen ist beispielsweise in der
EP 1 281 459 A2 und der
US 6,745,818 B1 beschrieben.
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Nachteilig ist bei den bekannten Verfahren zum Spritzgießen eines Bauteils, bei denen sich die Leichtmetalllegierung in thixotropem Zustand befindet, dass, wegen der nur einen Zuspritzstelle des Werkstoffs zur Gussform, sich keine großflächigen Bauteile herstellen lassen. Bei einer großen Fließlänge des Werkstoffs kühlt dieser stärker ab und befindet sich damit nicht mehr im thixotropen Zustand.
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Bei einem Einspritzen der Schmelze in die Gussform mit hohem Druck, zur Erzeugung einer großen Fließgeschwindigkeit der Schmelze, müssen von der Schließeinheit für die Gussform große Kräfte aufgenommen werden; dies auch unter Berücksichtigung der großen Druckstöße in der Gussform infolge des hohen Drucks. Der apparative Aufwand, insbesondere betreffend die Schließeinheit für die Gussform, ist infolge des Erfordernisses, die Schließeinheit stärker zu dimensionieren, erheblich.
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Die
DE 196 39 052 C2 offenabrt ein Verfahren zum Spritzgießen eines Bauteils, bei welchem versetzt gegossene Tranchen über Nahtstreifen verbunden werden.
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Die
DE 196 06 806 C2 offenabrt ein Verfahren zum Spritzgießen eines Bauteils, bei welchem Gießantriebe für Gießkolben gleichzeitig in Gang gesetzt werden, um aus den Gießkammern Material auszupressen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem großflächige Bauteile bei relativ geringem Fließweg des im thixotropen Zustand befindlichen Werkstoffs, somit der teilflüssigen Schmelze hergestellt werden können. Das Verfahren soll signifikant dazu beitragen, dass der apparative Aufwand nachhaltig reduziert werden kann.
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Die Erfindung schlägt ein Verfahren zum Spritzgießen eines Bauteils gemäß Anspruch 1 vor. Die Erfindung betrifft somit die Anwendung eines Kaskaden-Spritzgussverfahrens bei Verwendung mindestens einer im thixotropen Zustand befindliche Leichtmetalllegierung. Zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingespritzte Teilströme der Schmelze der Leichtmetalllegierung treffen in der Gussform zusammen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das Magnesium-Thixomolding-Verfahren.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann wegen der diversen lokal unterschiedlich angeordneten Einspritzbereiche der Gussform die Schmelze mit niedriger Fließgeschwindigkeit eingespritzt werden. Durch dieses langsame Füllen der Gussform mit niedrigerem Druck und damit der Vermeidung von Druckstößen, muss die Schließeinheit nur niedrigere Schließkräfte aufbringen und kann damit kleiner dimensioniert werden. Durch die hiermit verbundene kleinere Maschinengröße ist der Kostenaufwand für eine verfahrensgemäß zu verwendende Maschine reduziert.
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Durch das Spritzgießen des Bauteils mit mehreren Anspritzpunkten werden bei der Herstellung von großflächigen Bauteilen Kaltfließstellen signifikant reduziert.
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Die Einspritzung erfolgt in mindestens zwei lokal unterschiedlichen Bereichen der Gussform. Vorzugsweise sind maximal zehn lokal unterschiedliche Bereiche der Gussform vorgesehen, im Bereich derer die Einspritzung geschieht. In der Regel beginnt das Füllen des Werkzeugs ausschließlich in einem der Bereiche. Das Einspritzen in die Gussform ist zweckmäßig in einem Bereich unterbrochen oder beendet, wenn in mindestens einem anderen Bereich der Gussform das Einspritzen in diese erfolgt. Demzufolge kann in den unterschiedlichen Bereichen die Einspritzung nur einmal erfolgen, oder durchaus auch mindestens zweimal, somit nach einer Unterbrechung. Ein erneutes Einspritzen im selben Bereich dient insbesondere den Zweck, im Einspritzbereich einen Nachdruck aufzubringen.
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Zum Einspritzen der mindestens einen Leichtmetalllegierung in die Gussform werden zweckmäßig Düsen sukzessive geöffnet und wieder verschlossen. Das Einspritzen der mindestens einen Leichtmetalllegierung in die Gussform erfolgt vorzugsweise durch zeitabhängiges Ansteuern der Düsen. Die Düsen werden insbesondere in Abhängigkeit von der Entfernung zu derjenigen Düse, durch die das anfängliche Einspritzen in die Gussform erfolgt, geöffnet und/oder geschlossen. Diejenige der anderen Düsen, die weiter entfernt von derjenigen Düse ist, durch die das anfängliche Einspritzen in die Gussform erfolgt, wird später geöffnet und/oder geschlossen als eine der anderen Düsen.
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Die Erfindung schlägt somit die Kombination des Kaskadenverfahrens mit dem Thixomolding-Verfahren vor. Es können besonders großflächige Bauteile mit sehr geringen Fließwegen der teilflüssigen Schmelze bei geringen Schließkräften zum Schließen der Formhälften der Gussform umgesetzt werden. In der Regel beginnt das Füllen des Werkzeugs über eine Düse. Die nächsten Düsen werden nach Bedarf sukzessiv geöffnet und wieder verschlossen. Somit können Bindenähte in bestimmte Bereiche verschoben werden, insbesondere in solche Bereiche, die niedrig belastete Bauteilbereiche oder Nicht-Sichtbereiche sind. Das Verfahren wird insbesondere bei relativ großen Bauteilen mit geringen Wandstärken angewendet.
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Durch die Anwendung des Kaskadenverfahrens im Thixomolding-Verfahren können Legierungen eingesetzt werden, die in anderen Prozessen keine Anwendung finden würden. Da durch die kurzen Fließwege das Risiko des Abbrandes deutlich reduziert ist, können durchaus Legierungen Anwendung finden, die eine hohe Schmelztemperatur besitzen oder eine hohe Affinität zu Sauerstoff besitzen. Weiterhin können Legierungen mit hohem Dampfdruck verarbeitet werden. Auch können im Semi-Solid-Bereich Legierungselemente mit begrenzter oder keiner Löslichkeit oder Legierungselemente mit deutlich abweichendem Atomgewicht verarbeitet werden.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorzugsweise eine Leichtmetalllegierung in die Gussform eingespritzt oder aber werden zwei unterschiedliche Leichtmetalllegierungen in die Gussform eingespritzt. Hierbei ist die Leichtmetalllegierung vorzugsweise eine Magnesiumlegierung. Bei unterschiedlichen Leichtmetalllegierungen finden insbesondere verschiedene Magnesiumlegierungen Verwendung. Durch diese unterschiedlichen Materialien, zusammen mit unterschiedlichen Angüssen bzw. Düsen, kann in einem einzigen Gussschritt ein Bauteil mit Bereichen, die unterschiedliche Eigenschaften besitzen, hergestellt werden. Hierbei werden mehrere Spritzeinheiten für die unterschiedlichen Legierungen verwendet.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung eines anhand der Zeichnung verdeutlichten Ausführungsbeispiels der Erfindung, ohne auf dieses beschränkt zu sein.
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Es zeigt die 1 einen Schmelzeaufnahmeraum einer Gussform mit diversen Heißkanaldüsenaustritten für in thixotropem Zustand befindliches Material zum Spritzgießen eines Bauteils.
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Die Gussform 10 dient dem Spritzgießen eines Bauteils, bei dem es sich insbesondere um ein Leichtmetallbauteil zur Verwendung im Fahrzeugbau handelt, beispielsweise bei einem Personenkraftwagen eine Türträgerstruktur, eine Lehnenstruktur, eine Sitzgestellstruktur oder ein Tragrahmen für einen Cockpitträger. Das Bauteil ist relativ groß, sodass bei Vorhandensein einer einzigen Schmelzeneintrittsstelle in die Gussform in aller Regel ohne aufwendige Zusatzmaßnahmen nicht gewährleistet ist, dass die Schmelze in zuspritzferne Bereiche der Gussform sicher gelangt.
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Gemäß der Erfindung ist deshalb vorgesehen, dass die Gussform in unterschiedlichen Bereichen Heißkanaldüsenaustritte aufweist, durch die die Schmelze in die Gussform 10 eintritt, wobei gemäß 1 bei der veranschaulichten Gussform 10 fünf Heißkanaldüsenaustritte vorgesehen sind, die mit den Bezugsziffern 1, 2, 3, 4 und 5 bezeichnet sind.
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Wie der in 1 veranschaulichten projizierten Bauteilgeometrie zu entnehmen ist, weist der Hohlraum 6 der Gussform 10 zwei zueinander versetzt angeordnete Teilhohlräume 7 und 8 auf, wobei der Teilhohlraum 7 im Bereich eines Endes mit einem mittleren Bereich des anderen Teilhohlraums 8 verbunden ist. Im Bereich dieses Endes des Teilhohlraums 7 ist der Heißkanaldüsenaustritt 1 angeordnet, in etwa in der Mitte des zweiten Teilhohlraums 8 der Heißkanaldüsenaustritt 2. Etwa im Bereich der halben Länge des Teilhohlraums 7 befindet sich der Heißkanaldüsenaustritt 3 und im Bereich des dem Heißkanaldüsenaustritt 1 abgewandten Endes des Teilhohlraumes 7 der Heißkanaldüsenaustritt 5. Im Bereich des dem Heißkanaldüsenaustritt 5 abgewandten Endes des Teilhohlraums 8 befindet sich der Heißkanaldüsenaustritt 4.
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Befüllt wird die Gussform 10 mittels einer Magnesiumlegierung, die im thixotropen Zustand durch die Heißkanaldüsenaustritte 1 bis 5 in den Hohlraum 6 eintritt. Die Schmelze ist somit auf eine Temperatur zwischen der Solidus-Temperatur der Liquidus-Temperatur der Legierung erwärmt.
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Bei diesem Magnesium-Thixomolding-Verfahren wird die im thixotropen Zustand befindliche Legierung zu unterschiedlichen Zeitpunkten über die Heißkanaldüsenaustritte 1 bis 5 in den Hohlraum 6 eingespritzt. Somit erfolgt eine Kaskadeneinspritzung in die Gussform 10. Zunächst wird der Heißkanaldüsenaustritt 1 geöffnet, womit die Schmelze einerseits in den Teilhohlraum 7 in Richtung des Heißkanaldüsenaustritts 3 fließt, andererseits in den Teilhohlraum 8 fließt, und zwar vorrangig in Richtung des Heißkanaldüsenaustritts 2 und nachrangig in Richtung des Heißkanaldüsenaustritts 4. Zeitabhängig gesteuert wird nach dem Öffnen des Heißkanaldüsenaustritts 1 der Heißkanaldüsenaustritt 2 geöffnet, womit die Schmelze einerseits der aus dem Heißkanaldüsenaustritt 1 austretenden Schmelze entgegenfließt, andererseits die aus dem Heißkanaldüsenaustritt 2 gelangende Schmelze auch in Richtung der beiden Enden des Teilhohlraums 8 fließt. Nach dem Öffnen des Heißkanaldüsenaustritts 2 wird der Heißkanaldüsenaustritt 3 geöffnet und es strömt Schmelze durch diesen einerseits in Richtung des Heißkanaldüsenaustritts 1, somit der aus diesem ausgegebenen Schmelze entgegen, andererseits in Richtung des Heißkanaldüsenaustritts 5. Ein sich hierbei ergebendes Austrittsbild der Schmelze in der Gussform 10 ist in der 1 veranschaulicht. So verdeutlicht der von der geschlossenen Linie 9 umschlossene Bereich die Ausbreitung der Schmelze nach dem Öffnen der Heißkanaldüsenaustritte 1, 2 und 3. Innerhalb der Linie 9 befindet sich somit die teilflüssige Schmelze 11, wobei die Teilströme der Schmelze, die aus den Heißkanaldüsenaustritten 1 und 2 bzw. 1 und 3 austreten, zusammentreffen, dort, wo zwei Schmelzfronten aufeinandertreffen.
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Nach dem Öffnen des Heißkanaldüsenaustritts 3 wird der Heißkanaldüsenaustritt 4 geöffnet, womit die Schmelze, die aus dem Heißkanaldüsenaustritt 4 austritt, den Schmelzfronten der Heißkanaldüsenaustritte 1 und 2 entgegenläuft. Nach dem Öffnen des Heißkanaldüsenaustritts 4 wird der Heißkanaldüsenaustritt 5 geöffnet, womit die Schmelzfront der aus dem Heißkanaldüsenaustritt 5 austretenden Schmelze der Schmelzfront der aus dem Heißkanaldüsenaustritt 3 ausgegebenen Schmelze entgegenläuft. Auf diese Art und Weise wird die gesamte Gussform 10 gefüllt.
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Wie lange der jeweilige Heißkanaldüsenaustritt geöffnet bleibt, bzw. ob dieser nach dem Schließen erneut geöffnet wird, hängt von dem Fließverhalten der Schmelze zur Erzeugung einer vollständigen Füllung der Gussform 10 ab. So kann durchaus vorgesehen sein, den Heißkanaldüsenaustritt 2 erst dann zu öffnen, wenn der Heißkanaldüsenaustritt 1 bereits geschlossen ist. Entsprechendes gilt für die anderen Heißkanaldüsenaustritte.
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Die Schmelze tritt somit zuerst aus dem Heißkanaldüsenaustritt 1 aus. Wenn der Heißkanaldüsenaustritt 2 nahezu von der aus dem Heißkanaldüsenaustritt 1 ausgegebenen Schmelze erreicht wird, wird der Heißkanaldüsenaustritt 2 geöffnet usw..
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Die Erfindung schlägt somit die Anwendung des Kaskaden-Spritzgussverfahrens auf ein Semi-Solid-Verfahren, insbesondere auf das Magnesium-Thixomolding-Verfahren vor. Ziel des Kaskaden-Spritzgießens von Leichtmetalllegierungen ist die Herstellung von großflächigen Bauteilen mit den mehreren Anspritzpunkten im Bereich der Heißkanaldüsenaustritte 1 bis 5 mit der Reduktion von Kaltfließstellen. Durch die mehreren zeitabhängig gesteuerten Düsen des Heißkanalsystems wird die Gussform 10 bzw. das Werkzeug nach Vorgabe befüllt. In der Regel beginnt das Füllen der Gussform 10 über eine Düse, vorliegend die dem Heißkanaldüsenaustritt 1 zugeordnete Düse. Die nächsten Düsen werden nach Bedarf sukzessiv geöffnet und wieder verschlossen. Somit können Bindenähte des durch Gießen erzeugten Bauteils in bestimmte Bereiche verschoben werden, insbesondere in niedrig belastete Bauteilbereiche oder in Nicht-Sichtbereiche des Bauteils.