[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessüberwachung beim Druckgiessen oder
Thixoformen von Metallen gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft
weiter eine Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung entsprechend dem Oberbegriff des
Anspruchs 12.
[0002] Insbesondere von der Automobilindustrie werden immer höhere Anforderungen an die
Toleranzen und an die mechanischen Eigenschaften von Druckguss- und Thixoformteilen
gestellt. Zur Erzielung dieser hohen Qualitätsanforderungen ist eine möglichst vollständige
Überwachung der Verfahrensparameter sowie deren Reproduzierbarkeit von grosser Bedeutung.
[0003] Für die Kontrolle eines Druckgiess- oder Thixoformprozesses sind einerseits der Zustand
des in die Giesskammer eingefügten Metalles und andererseits die Parameter des Druckgiess-
oder Thixoformprozesses massgebend. Um den Druckgiess- oder Thixoformprozess zu optimieren
bzw. allfällige, für die Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit kritischen Parameter
zu evaluieren, müssen möglichst alle Parameter erfasst werden, welche den Prozess
beeinflussen können.
[0004] Ein wesentlicher Faktor für die Erreichung einer hohen Reproduzierbarkeit und Prozessstabilität
ist der Zustand des thixotropen Metallbolzens bzw. der Druckgusslegierung beim Einführen
in die Giesskammer, wobei die Temperatur des thixotropen Bolzens bzw. der Druckgusslegierung
eine sehr wichtige Grösse darstellt.
[0005] Zur Kontrolle und Überwachung des Druckgiess- oder Thixoform-Prozesses können Temperaturmessungen
in der Legierungsschmelze bzw. im Innern des thixotropen Metallbolzens während dem
Aufheizprozess vorgenommen werden, wobei die Temperaturverteilung beispielsweise mittels
Thermoelementen an verschiedenen Schmelzen- bzw. Bolzen-Positionen (innerhalb des
Bolzens und am Bolzenrand) bestimmt wird. Dabei werden üblicherweise die für die einzelnen
Messpositionen relevanten Aufheizkurven, d.h. Temperatur in Funktion der Aufheizzeit,
ermittelt.
[0006] Während für die Überwachung von Legierungsschmelzen für das Druckgiessen im wesentlichen
die Temperaturmessung verwendet wird, bildet die Messung der während dem Vorheizen
zugeführten, elektrischen Heizenergie eine weitere Möglichkeit zur Überwachung des
Bolzenzustandes beim Thixoformen.
[0007] Für die Überwachung eines Thixoformprozesses können zudem am thixotropen Bolzen metallographische
Prüfungen zur Bestimmung der Verteilung des Flüssiganteils durchgeführt werden, beispielsweise
indem der Bolzen an verschiedenen Längspositionen quer zu seiner Längsachse aufgeschnitten
und der Flüssiganteil im Bolzenquerschnitt, beispielsweise in Funktion des Abstandes
von der Bolzenmitte, bestimmt wird. Ziel solcher Untersuchungen ist die Optimierung
der Aufheizkurven derart, dass in möglichst kurzer Zeit ein vorbestimmter Flüssiganteil
möglichst homogen im ganzen thixotropen Bolzen erreicht wird. Im Weiteren können zur
Bestimmung des gemittelten Flüssiganteils kalorimetrische Messungen durchgeführt werden.
[0008] Hinsichtlich der Parameter des Druckgiess- oder Thixoformprozesses werden üblicherweise
die Temperaturen der Giesskammer, der Eingusskanäle und der Formkavität gemessen,
sowie der Druck und die Feuchtigkeit in der evakuierten Formkavität ermittelt.
[0009] Die bisher übliche Bestimmung der Parameter bezüglich des Druckguss- bzw. Thixoform-Materials
und des Druckgiess- bzw. Thixoformprozesses sind aufwendig und eignen sich nicht für
die Überwachung des Druckgiess- oder Thixoformprozesses unter Produktionsbedingungen.
[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prozessüberwachung beim
Druckgiessen oder Thixoformen von Metallen zu schaffen, mit dem die Herstellung von
Druckguss- oder Thixoformteilen unter Produktionsbedingungen zuverlässig überwacht
werden kann.
[0011] Zur erfindungsgemässen Lösung dieser Aufgabe führt, dass der zeitliche Verlauf des
Pressdruckes p(t) gemessen und die zeitabhängige Geschwindigkeit des Giesskolbens
v(t) bestimmt wird, und die durch den Giesskolben zugeführte Energie E(t) in Funktion
der Prozesszeit t, sowie die während dem Druckgiess- bzw. Thixoformprozess durch den
Giesskolben zugeführte Gesamtenergie E
tot aufgrund des zeitabhängigen Verlaufes des Pressdruckes p(t) und der Giesskolbengeschwindigkeit
v(t) berechnet wird, und die Gesamtenergie E
tot als Kennwert für die Überwachung des Druckgiess- oder Thixoformprozesses verwendet
wird.
[0012] Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen
Ansprüchen 2 bis 10 beschrieben. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere
für das Druckgiessen oder Thixoformen von Aluminium, Aluminiumlegierungen oder Magnesiumlegierungen.
[0013] Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich besonders für Horizontal-Thixoformeinrichtungen
und Horizontal-Druckgiessanlagen, d.h. Vorrichtungen, bei welchen die Giesskammer
horizontal liegt.
[0014] Das erfindungsgemässe Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass die durch den Giesskolben
zugeführte Gesamtenergie einen sehr relevanter Kontrollparameter des ganzen Druckgiess-
oder Thixoformprozesses darstellt. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Bestimmung
der durch den Giesskolben zugeführten Energie und die Verwendung insbesondere des
Gesamtenergiewertes als Kenngrösse für die Prozessüberwachung wird auch als RTIM-Verfahren
(Real Time Injection Monitoring) bezeichnet.
[0015] Besonders relevant ist die Vorheiztemperatur und die entsprechende Temperaturverteilung
im Metallbolzen sowie das Mass der durch den Giesskolben zugeführten Energie beim
Thixoformen, da dabei ein bestimmter, in einem engen Variationsbereich sich befindlicher
Flüssiganteil im thixotropen Material eingehalten werden muss. Beispielsweise kann
beim Thixoformen aus einer grossen, durch den Giesskolben zugeführten Gesamtenergie
geschlossen werden, dass die Viskosität des thixotropen Materials zu tief ist, was
entweder durch einen zu tiefen Flüssiganteil oder zu geringe Scherkräfte während dem
Thixoformprozess bedingt sein kann.
[0016] Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt eine bessere Prozessstabilität, eine Optimierung
der Prozessparameter, eine Verbesserung der Produktequalität und eine Verringerung
der Ausschussrate.
[0017] Besonders bevorzugt findet das erfindungsgemässe Verfahren für das Thixoformen Anwendung.
Dabei dient es insbesondere zur Festlegung des optimalen Flüssiganteils des thixotropen
Metallbolzens unter Produktionsbedingungen. Der optimale, gemittelte Flüssiganteil
im thixotropen Metallbolzen beträgt dabei 40-55 Gew.-%. Ist der Flüssiganteil zu hoch,
geschieht das Thixoformen von thixotropem Material beinahe unter den gleichen Bedingungen
wie das Druckgiessen von flüssigen Metalllegierungen, so dass beispielsweise der Vorteil
einer geringen Schrumpfung von thixotropem Material beim Abkühlen in der Formkavität
verloren geht, oder das Abscheren der den thixotropen Metallbolzen umgebenden Oxidhaut
erschwert oder verunmöglicht wird. Zudem ist das formstabile Einlegen eines thixotropen
Bolzens in die Giesskammer mit einem hohen Flüssiganteil schwierig und meistens nicht
reproduzierbar.
[0018] Ein weiterer wichtiger Faktor beim Thixoformen ist die Homogenität des thixotropen
Zustandes, d.h. die Verteilung des Flüssiganteils über die Bolzenlänge und den Bolzenquerschnitt,
wobei diese Homogenität im Allgemeinen besser ist, je langsamer der Vorheizprozess
durchgeführt wird; andererseits wird aus betriebswirtschaftlichen Gründen eine möglichst
kurze Aufheizzeit gewünscht.
[0019] Im Rahmen der erfinderischen Tätigkeit wurde nun für das Thixoformen gefunden, dass
mittels Bestimmung der durch den Giesskolben dem Thixoformmaterial zugeführten Gesamtenergie
während eines Thixoformprozesses der nach der Vorheizung vorliegende Flüssiganteil
sowie dessen Homogenität im thixotropen Bolzen indirekt überwacht werden kann.
[0020] Im weiteren eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren insbesondere zur Überwachung
der Vorheizöfen, d.h. durch die Bestimmung der Gesamtenergie für jeden Schuss, d.h.
für jeden vollständigen Druckgiess- oder Thixoformprozess, mit thixotropen Bolzen
oder Druckgussmaterial aus einem bestimmten Vorheizofen kann die Regelmässigkeit dieses
Ofens eruiert und kontrolliert werden. Zudem kann durch die Bestimmung der Gesamtenergie
für jeden Schuss mit thixotropen Bolzen oder Druckgussmaterial aus verschiedenen Vorheizöfen
die Regelmässigkeit der Heizleistung der entsprechenden Öfen miteinander verglichen
und überwacht werden.
[0021] Die Bestimmung der Gesamtenergie für jeden Schuss ermöglicht im Weiteren die Kontrolle
von Vorerstarrungen. Vorerstarrungen, d.h. frühzeitige Material-Erstarrungen, können
beispielsweise durch eine zu tiefe Giesskammer- und/oder Formtemperatur bedingt sein
und sind der dadurch bedingten, üblicherweise schlechten Formteileigenschaften wegen
unerwünscht. Durch die Möglichkeit der Eruierung von Vorerstarrungen lassen sich indirekt
auch die Temperaturen der Giesskammer und der Giessform kontrollieren. Zudem lassen
sich indirekt auch Aussagen über das Design der Formkavität machen.
[0022] Im Weiteren ermöglicht die Bestimmung der Gesamtenergie für jeden Schuss auch Untersuchungen
von Druckverlusten während dem Schuss infolge beispielsweise tribologischer Eigenschaften
und ermöglicht somit den Erhalt von Informationen über die Reibung vom Giesskolben,
den mechanischen Zustand von Giesskolben und/oder der Giesskammer, die Kolbenschmierung
und den Trennmitteleinfluss. Demnach dient die Bestimmung der durch den Giesskolben
dem System zugeführten Gesamtenergie während einem Schuss auch zur Überwachung der
tribologischen Verhältnisse bezüglich Giesskolben und Giesskammer.
[0023] Erfindungsgemäss kann die prozesszeitabhängige Geschwindigkeit v(t) des Giesskolbens
entweder direkt gemessen oder durch Messung der prozesszeitabhängigen Giesskolbenposition
s(t) ermittelt werden.
[0024] Aufgrund der zeitabhängigen Positionsmessung s(t) des Giesskolbens lässt sich die
zeitabhängige Geschwindigkeit v(t) des Giesskolbens gemäss der Funktion

berechnen, d.h. durch Ableitung der zeitabhängigen Giesskolbenposition s(t) nach
der Zeit t. Die Berechnung der Geschwindigkeit des Giesskolbens aufgrund der Positionsmessung
s(t) wird zweckmässigerweise zu diskreten, beispielsweise äquidistanten Zeitpunkten
vorgenommen. Zweckmässigerweise wird die Geschwindigkeit an 50 bis 800, bevorzugt
an 180 bis 500 und insbesondere an 250 bis 400 diskreten Prozesszeitpunkten berechnet.
Die derart bestimmten, diskreten Geschwindigkeitswerte werden bevorzugt durch numerische
Verfahren gefiltert. Zudem wird vorzugsweise durch numerische Interpolationsmethoden
eine stetige Geschwindigkeitskurve v(t) berechnet.
[0025] Die durch den Giesskolben während zwei Prozesszeitpunkten t
x und t
y, wobei t
x<t
y, zugeführte, zeitabhängige Energie E
x,y(t) kann dann gemäss der Integral-Funktion

berechnet werden, wobei A die gegen das Strangguss- oder Thixoformmaterial gerichtete
Fläche des Giesskolbens bezeichnet.
[0026] Die durch den Giesskolben zugeführte Energie E(t) in Funktion der Prozesszeit t lässt
sich gemäss der Integral-Funktion

und die während dem Druckgiess- bzw. Thixoformprozess durch den Giesskolben zugeführte
Gesamtenergie E
tot durch die Integral-Funktion

berechnen, wobei A die gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial gerichtete Fläche
des Giesskolbens, t
0 den Anfangszeitpunkt t=0 des Druckgiess- oder Thixoformverfahrens und t
4 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem der Giesskolben zum ersten Mal nach t
0 die Geschwindigkeit v(t)=0 annimmt. Zum Zeitpunkt t
4 ist der eigentliche Druckgiess- bzw. Thixoformprozess abgeschlossen und die Formkavität
ist gefüllt. Um während dem Abkühlen des Formteils in der Formkavität eine Materialschrumpfung
auszugleichen und eine entsprechende, unvollständige Formfüllung zu vermeiden, wird
der Druck auf die Druckguss- bzw. Thixoformmasse üblicherweise auch nach t
4 noch für eine Weile aufrechterhalten, so dass der Giesskolben eine weitere translatorische
Bewegung ausführen kann, wobei dann die Giesskolbengeschwindigkeit ein weiteres Mal
auf Null fallen kann.
[0027] Anstelle der Messung der zeitabhängigen Giesskolbenposition s(t) kann der zeitabhängige
Geschwindigkeitsverlauf v(t) direkt gemessen und für die Berechnung der durch den
Giesskolben zugeführten Energie E(t) oder der Gesamtenergie E
tot verwendet werden.
[0028] Bevorzugt werden die Kolbenposition s(t) oder die Kolbengeschwindigkeit v(t) und
der Verlauf des Pressdruckes p(t) während des ganzen Druckgiess- oder Thixoformverfahrens
kontinuierlich gemessen.
[0029] Erfindungswesentlich ist weiter, dass die Messungen s(t) und p(t), oder v(t) und
p(t), sowie die Berechnung von v(t), E(t) und E
tot on-line während dem Prozessablauf vorgenommen werden, so dass die Kenngrössen unmittelbar
nach dem Schuss für entsprechende Korrekturmassnahmen zur Verfügung stehen, d.h. die
Messungen von s(t) oder v(t) und p(t), sowie die Bestimmung von v(t) und E(t) erfolgt
in Echtzeit. Zwischen zwei Schüssen steht ein Prozessfenster zur Verfügung, welches
ein Eingreifen durch die Vornahme von Korrekturmassnahmen erlaubt, denn unmittelbar
nach dem Schuss muss das Formteil weiter abgekühlt, die Form geöffnet, das Formteil
aus der Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung entnommen und die Giesskammer neu mit
dem Druckguss- oder Thixoformmaterial beladen werden. Das Beladen der Giesskammer
mit einem thixotropen Metallbolzen geschieht vorzugsweise mittels einem Roboter. Das
Beladen der Giesskammer mit einer flüssigen Metalllegierung zum Druckgiessen geschieht
beispielsweise durch Öffnen eines Ventils oder Stopfens in einer Giessrinne, so dass
das flüssige Metall in die Giesskammer fliessen kann.
[0030] Bevorzugt werden - neben der Gesamtenergie E
tot- auch die durch den Giesskolben zugeführten partiellen Energien E
1 bis E
4 für die folgenden Verfahrensschritte bestimmt:
- beim Thixoformen die durch den Giesskolben während der Dauer vom Zeitpunkt to bis
zum Zeitpunkt t1 zugeführte partielle Energie E1 für die Verschiebung des thixotropen Metallbolzens in der Giesskammer bis zum Anschlag
des Matallbolzens am formseitigen Ende der Giesskammer, wobei t1 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem der Metallbolzen am Ende der Giesskammer auftrifft;
für einen Druckgiessprozess beträgt die partielle Energie E1 stets Null;
- beim Druckgiessen oder Thixoformen die durch den Giesskolben während der Dauer vom
Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 zugeführte partielle Energie E2 für die Verformung des thixotropen Metallbolzens bzw. der Druckgussmaterials, wobei
t2 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem das Druckguss- oder Thixoformmaterial auf seiner
ganzen Länge den ganzen Giesskammerquerschnitt ausfüllt;
- beim Druckgiessen oder Thixoformen die durch den Giesskolben während der Dauer vom
Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 zugeführte partielle Energie E3 für die Füllung der Eingusskanäle, wobei t3 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem die zwischen der Giesskammer und der Formkavität
befindlichen Eingusskanäle allesamt vollständig gefüllt sind;
- beim Druckgiessen oder Thixoformen die durch den Giesskolben während der Dauer vom
Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 zugeführte partielle Energie E4 für die Füllung der Formkavität, wobei t4 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem alle Teile der Formkavität vollständig gefüllt sind
und die Geschwindigkeit des Giesskolbens auf Null gesunken ist, d.h. v(t4)=0.
Insbesondere die Bestimmung der partiellen Energie E
1 erlaubt die Feststellung von Vorerstarrungen von Druckguss- oder Thixoformmaterial
in der Giesskammer. Im weiteren gibt insbesondere E1 auch Auskunft über die allgemeinen
tribologischen Verhältnisse, d.h. beispielsweise Druckverluste aufgrund von Reibung,
Verschleisserscheinungen und Schmierung, und dient somit beispielsweise zur Beurteilung
des Trenn- und Schmiermitteleinflusses und ergibt zudem Informationen über die Reibung
des Giesskolbens und dessen Schmierung.
[0031] Üblicherweise wird der Giesskolben von Druckgiess- oder Thixoformeinrichtungen durch
hydraulische Mittel angetrieben. Bei derart ausgebildeten Druckgiess- oder Thixoformeinrichtungen
wird der zeitabhängige Pressdruckverlauf p(t) besonders vorteilhaft durch gleichzeitige
Messung des zeitabhängigen Pressdruckverlaufes p
GK(t) an der gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial gerichteten Giesskolbenfläche
und durch Messung des Pressdruckverlaufes p
hyd(t) in der Hydraulikflüssigkeit bestimmt, wobei für die Berechnung der durch den Giesskolben
dem Druckguss- oder Thixoformmaterial zugeführten Energie bevorzugt der Pressdruckverlauf
p
GK(t) verwendet wird.
[0032] Da für die erfindungsgemässe Überwachung des Druckgiess- oder Thixoformprozesses
und die entsprechende Prozesskontrolle nicht die absoluten Energiemengen E(t), E
tot, E
1 bis E
4 wichtig sind, sondern im wesentlichen die entsprechenden Energiewerte für verschiedene
Thixoformbolzen oder Druckgussmaterialmengen aus demselben Vorheizofen bzw. aus verschiedenen
Vorheizöfen miteinander verglichen werden, kann für die Berechnung der Energiewerte
E(t), E
1 bis E
4 und E
tot auch der Pressdruckverlauf p
hyd(t) verwendet werden.
[0033] p
hyd(t) beschreibt den auf den Giesskolben ausgeübte Gesamt-Pressdruck. Dieser entspricht
jedoch nicht dem auf das Druckguss- oder Thixoformmaterial ausgeübten Pressdruck,
da der Giesskolben selbst einer gewissen Reibung in der Giesskammer ausgesetzt ist.
[0034] Deshalb erlaubt die gleichzeitige Messung von p
hyd(t) und p
GK(t) die Bestimmung des Druckverlustes Δp=p
hyd(t)-p
GK(t) infolge der Reibung des Giesskolbens und erlaubt deshalb eine Aussage über den
mechanischen Zustand der Giesskammer bzw. des Giesskolbens und der Schmierung des
Giesskolbens.
[0035] Während Etot die globale Kontrolle des gesamten Thixoform- oder Druckgiessprozesses
erlaubt, liefern die partiellen Energiewerte E
1 bis E
4 Informationen über bestimmte Prozessparameter, wie dies im Falle von E1 beispielsweise
für vorstehend erläuterte tribologische Verhältnisse oder für die Feststellung von
Vorerstarrungen beschrieben wurde. E
2 eignet sich beispielsweise für den Erhalt von Information bezüglich der erforderlichen
Verformungsenergie und gibt beim Thixoformen beispielsweise Auskunft über den Bolzenzustand,
d.h. ob der thixotrope Bolzen zu hart bzw. zu weich ist, bzw. ob der Flüssiganteil
zu hoch oder zu tief ist. E
3 und E
4 andererseits eignen sich beispielsweise für die Überwachung des Einfüllverhaltens
der Eingusskanäle bzw. der Formkavität und geben damit beispielsweise Auskunft über
den Trennmittel-Einfluss und beim Thixoformen zusätzlich über die auf das thixotrope
Material wirkenden Scherkräfte.
[0036] Bei Thixoform- oder Druckgiessprozessen mit einer erfindungsgemässen RTIM-Prozessüberwachung
wird bevorzugt ein Protokoll pro Arbeitsschicht, welche üblicherweise in der Grössenordnung
von 8 Stunden liegt, ausgedruckt, wobei bevorzugt die Anzahl fabrizierter Guss- oder
Thixoformteile, d.h. die Schusszahl n, die partiellen Energien E1 bis E4 und die Gesamtenergie
E
tot für jeden Schuss berechnet und auf dem Protokollausdruck ausgewiesen werden. Weiter
bevorzugt werden die gemittelte Gesamtenergie E
tot,m und die Standartabweichung σ
n für alle n Schüsse mit Druckguss- oder Thixoformmaterial aus demselben Vorheizofen
ermittelt und ausgedruckt.
[0037] Die gemittelte Gesamtenergie E
tot,m für eine Anzahl n von Schüssen mit Thixoform- oder Druckgussmaterial aus demselben
Ofen k berechnet sich beispielsweise als arithmetischer Mittelwert zu:

[0038] Die Standartabweichung kann dann zu

berechnet werden.
[0039] Weiter bevorzugt kann auch das relative Streuungsmass gemäss

berechnet werden.
[0040] Anhand einer Begutachtung der resultierenden Formteile und dem entsprechenden Vergleich
der Energiewerte E
tot und E
1 bis E
4, sowie des Mittelwertes und der Standartabweichung kann dann geschlossen werden,
welcher Energiebereich für den Erhalt einer ausreichenden Formteilqualität zulässig
ist. Somit kann bezüglich der Energiewerte E
tot und E
1 bis E
4 je ein Sollwertbereich für den Thixoform- oder Druckgiessprozess festgelegt werden,
welcher als Kenngrösse beispielsweise für einen Prozessunterbruch, einen Wechsel eines
Vorheizofens, eine Kalibrierung der Heizleistung eines Vorheizofens, eine Korrektur
der Giesskurve oder die Auslösung eines Überwachungs-Alarms verwendet werden kann.
[0041] Hinsichtlich der Vorrichtung liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Thixoform- oder Druckgiessvorrichtung bereitzustellen, welche die Überwachung des
Herstellungsprozesses unter Produktionsbedingungen erlaubt.
[0042] Erfindungsgemäss wird dies durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäss Anspruch
12 erreicht. Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemässen Vorrichtung werden
in den abhängigen Ansprüchen 13 und 14 beschrieben.
[0043] Bevorzugt wird insbesondere eine erfindungsgemässe Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung,
bei welcher die Messvorrichtungen eine kontinuierliche Erfassung des zeitabhängigen
Pressdruckes p(t) und eine kontinuierliche Positionsmessung s(t) erlauben.
[0044] Die Messvorrichtung zur Bestimmung der Position s(t) kann weiter bevorzugt auch eine
Vorrichtung zur Messung der zeitabhängige Geschwindigkeit v(t) des Giesskolbens aufweisen,
wobei die Position des Giesskolbens s(t
x) zum Zeitpunkt t
x zu

bestimmt wird.
[0045] Die erfindungsgemässe Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Thixoformen oder Druckgiessen
unter Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Prozessüberwachung.
[0046] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der Figuren 1 bis 8 am Beispiel des Thixoformens, sowie anhand der Zeichnungen;
diese zeigen schematisch in
- Fig.1 bis 5 den zeitlichen Verfahrensablauf beim Thixoformen in einer Horizontal-Thixoformanlage;
- Fig. 6 und 7 Protokollausdrucke einer erfindungsgemässen RTIM-Prozessüberwachung;
- Fig. 8 eine graphische Protokolldarstellung der gemessenen und berechneten Werte für
das erfindungsgemässe RTIM-Verfahren.
[0047] Die Figuren 1 bis 5 zeigen einen vertikalen Längsschnitt entlang der Längsachse durch
die Giesskammer einer Horizontal-Thixoformeinrichtung. Dabei ist die zylinderförmige
Giesskammer 10 horizontal angeordnet und enthält einen Giesskolben 12, eine radialsymmetrische
Oxidtasche 22, eine Eingussöffnung 24, zwei Eingusskanäle 26 und 28 sowie zwei sich
daran anschliessende Formkavitäten 16 und 18.
[0048] Figur 1 zeigt die Thixoformeinrichtung zum Zeitpunkt t
0=0, wobei ein in einem Vorheizofen (nicht eingezeichnet) auf die erforderliche Temperatur
gebrachter, thixotroper Metallbolzen 14 in die horizontal liegende Giesskammer eingelegt
und der Giesskolben 12 an den Bolzen herangeführt ist. In Figur 1 ist beispielhaft
ein an die gegen den thixotropen Metallbolzen 14 gerichteten Giesskolbenfläche angebrachter
Drucksensor 30 gezeigt. Zudem zeigt Figur 1 eine Positions- oder Geschwindigkeitsmessvorrichtung
32.
[0049] Figur 2 zeigt die Thixoformeinrichtung zum Zeitpunkt t
1, an dem der thixotrope Metallbolzen 14 am formseitigen Ende 11 der Giesskammer 10
auftrifft. Da die Querschnittsfläche des zylinderförmigen, thixotropen Metallbolzens
14 kleiner als die Querschnittsfläche der Giesskammer 10 ist, füllt der thixotrope
Bolzen 14 zum Zeitpunkt t
1 noch nicht den ganzen Giesskammerquerschnitt aus.
[0050] Figur 3 zeigt die Thixoformeinrichtung zum Zeitpunkt t
2. Zu diesem Zeitpunkt hat der thixotrope Metallbolzen seine geometrische Gestalt verloren
und liegt nun in Form einer Thixoformmasse 15 vor. Der Zeitpunkt t
2 bezeichnet somit den Zeitpunkt, an dem die Thixoformmasse oder das Thixoformmaterial
15 auf seiner ganzen Länge den ganzen Giesskammerquerschnitt ausfüllt, d.h. die Thixoformmasse
15 füllt den gesamten Raum zwischen Giesskolben 12 und dem formseitigen Ende 11 der
Giesskammer 10 aus, wobei zum Zeitpunkt t
2 im wesentlichen noch kein thixotropes Material durch die Eingussöffnung 24, oder
oxidisches Randmaterial in die Oxidtasche 22 geflossen ist.
[0051] Figur 4 zeigt die Thixoformeinrichtung zum Zeitpunkt t
3. Der Zeitpunkt t
3 bezeichnet den Zeitpunkt, an dem die Eingussöffnung 24 sowie die Eingusskanäle 26
und 28 vollständig mit Thixoformmaterial 15 gefüllt sind. Die Oxidtasche 22, welche
das in der Randschicht des thxotropen Metallbolzens 14 befindliche Oxidmaterial aufnimmt,
ist bereits zum grössten Teil gefüllt.
[0052] Figur 5 zeigt die Thixoformeinrichtung zum Zeitpunkt t
4. Der Zeitpunkt t
4 bezeichnet den Endzustand des eigentlichen Thixoformprozesses, d.h. den Zeitpunkt
vor dem Öffnen der Form. Zum Zeitpunkt t
4 sind die Formkavitäten 16 und 18 vollständig mit Thixoformmasse 15 gefüllt und die
Geschwindigkeit des Giesskolbens 12 ist auf Null gesunken. Während der nachfolgenden
Abkühlungs- und Verfestigungsphase des Thixiformteiles kann der Giesskolbendruck für
kurze Zeit aufrechterhalten werden, um eine Schrumpfung während dem Abkühlvorgang
durch Nachschub von thixotropem Material auszugleichen, so dass der Giesskolben nach
dem Zeitpunkt t
4 noch eine zusätzliche Bewegung ausführen kann. Zum Zeitpunkt t
4 ist in vorliegendem Beispiel auch die radialsymmetrisch ausgebildete Oxidtasche 22
vollständig mit oxidischen Bestandteilen der ursprünglichen Randschicht des thixotropen
Bolzens 14 gefüllt.
[0053] In Figur 6 sind beispielhaft die berechneten Gesamtenergie-Werte von Thixoformprozessen
einzelner thixotroper Metallbolzen aus demselben Vorheizofen, d.h die Gesamtenergie-Werte
einzelner Schüsse, derart dargestellt, dass auf der Ordinate die jeweilige Gesamtenergie
und auf der Abszisse die Schussnummer in Form der entsprechenden Schusszeiten aufgetragen
sind; die Schussnummer eines Schusses entspricht einem bestimmten Zeitpunkt t
x, so dass die Ordinate einer Zeitachse entspricht. Der bestimmte Zeitpunkt t
x kann dabei beliebig vordefiniert werden, d.h. er kann beispielsweise als Anfangszeitpunkt,
an dem der Giesskolben für den Thixoformprozess gestartet wird, definiert werden.
Als bestimmter Zeitpunkt t
x kann auch jeder beliebige andere, genau definierbare Zeitpunkt während eines Thixoformprozesses
definiert werden. Für die in Figur 6 dargestellten Werte wurde der Start des Giesskolbens
zu Beginn eines jeden Thixoformprozesses gewählt.
[0054] Die Teilfiguren a bis h von Figur 6 geben jeweils die ermittelten Gesamtenergie-werte
für eine Anzahl von Schüssen wieder, wobei die Werte für die thixotropen Metallbolzen
eines bestimmten Vorheizofens getrennt dargestellt sind, d.h. die Darstellungen a
bis h geben jeweils die Werte für thixotrope Metallbolzen aus demselben Vorheizofen
wieder.
[0055] In Figur 6 a sind die Gesamtenergien von 32 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche
in einem Ofen Nr. 1 aufgeheizt wurden, dargestellt. Als bestimmter Zeitpunkt t
x wurde der Start des Giesskolbens zu Beginn eines jeden Thixoformprozesses gewählt.
Die Darstellung umfasst Schüsse in einem Zeitraum von 19.47 Uhr abends bis um 2.37
Uhr des folgenden Tages. Die über alle 32 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt
26.01 kJ mit einem relativen Streuungsmass von ± 16 %.
[0056] In Figur 6 b sind die Gesamtenergien von 46 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche
in einem Ofen Nr. 5 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse
in einem Zeitraum von 19.06 Uhr abends bis um 2.51 Uhr des folgenden Tages. Die über
alle 46 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 31.97 kJ mit einem relativen Streuungsmass
von ± 10 %.
[0057] In Figur 6 c sind die Gesamtenergien von 47 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche
in einem Ofen Nr. 6 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse
in einem Zeitraum von 18.59 Uhr abends bis um 2.34 Uhr des folgenden Tages. Die über
alle 47 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 23.91 kJ mit einem relativen Streuungsmass
von ± 9 %.
[0058] In Figur 6 d sind die Gesamtenergien von 48 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche
in einem Ofen Nr. 7 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse
in einem Zeitraum von 19.00 Uhr abends bis um 2.36 Uhr des folgenden Tages. Die über
alle 48 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 30.58 kJ mit einem relativen Streuungsmass
von ± 15 %.
[0059] In Figur 6 e sind die Gesamtenergien von 42 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche
in einem Ofen Nr. 9 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse
in einem Zeitraum von 19.01 Uhr abends bis um 2.28 Uhr des folgenden Tages. Die über
alle 42 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 23.53 kJ mit einem relativen Streuungsmass
von ± 16 %.
[0060] In Figur 6 f sind die Gesamtenergien von 49 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche
in einem Ofen Nr. 10 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse
in einem Zeitraum von 19.03 Uhr abends bis um 2.47 Uhr des folgenden Tages. Die über
alle 49 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 23.03 kJ mit einem relativen Streuungsmass
von ± 12 %.
[0061] In Figur 6 g sind die Gesamtenergien von 47 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche
in einem Ofen Nr. 11 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse
in einem Zeitraum von 19.04 Uhr abends bis um 2.39 Uhr des folgenden Tages. Die über
alle 47 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 20.38 kJ mit einem relativen Streuungsmass
von ± 8 %.
[0062] In Figur 6 h sind die Gesamtenergien von 51 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche
in einem Ofen Nr. 12 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse
in einem Zeitraum von 19.05 Uhr abends bis um 2.32 Uhr des folgenden Tages. Die über
alle 51 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 46.15 kJ mit einem relativen Streuungsmass
von ± 7 %.
[0063] Figur 7 zeigt ein Balkendiagramm der gemittelten Gesamtenergien E
tot,i (1=1...12, wobei i die Ofen-Nr. kennzeichnet) für die in Figur 6 dargestellten Thixoformversuche
während einer Arbeitsschicht von ca. 8 Stunden, wobei jeweils noch die Standartabweichungen
eingetragen sind. Jeder Balken in Figur 7 stellt somit die über alle Schüsse einer
Arbeitsschicht gemittelte Gesamtenergie E
tot,i pro Schuss für thixotrope Metallbolzen aus Ofen-Nr. i dar.
[0064] Anhand der Begutachtung der resultierenden Formteile und dem entsprechenden Vergleich
mit der gemittelten Gesamtenergie E
tot,i bzw. E
tot kann dann geschlossen werden, welcher Energiebereich für eine ausreichende Formteilqualität
zulässig ist. Die Begutachtung der resultierenden Formteile kann beispielsweise durch
optische oder mikroskopische Beurteilung, oder durch Werkstoffprüfung, materialspezifische
Untersuchungen mittels beispielsweise Schliffbilder, Material-Analysen, Gefügeuntersuchungen
u.s.w. vorgenommen werden. Aufgrund der Begutachtung der Formteile und der für ihre
Herstellung bekannten Gesamtenergiewerte E
tot, sowie der Werte für die partiellen Energien E
1 bis E
4, kann beispielsweise bezüglich E
tot ein Gesamtenergie-Sollwertbereich als Kenngrösse für den Thixoform- oder Druckgiessprozess
festgelegt werden. Der Sollwertbereich kann dann als weitere Kenngrösse verwendet
werden, wobei bei Über- oder Unterschreiten des Gesamtenergiewertes eines Schusses
bzw. einer Anzahl von Schüssen beispielsweise ein Prozessunterbruch, ein Wechsel eines
Vorheizofens oder eine Neukalibrierung der Heizleistung eines Vorheizofens vorgenommen
werden kann.
[0065] Die Begutachtung der Formteile, welche mit den die Figur 6 betreffenden Thixofomverfahren
hergestellt wurden, zeigt, dass für diesen Fall die Gesamtenergie pro Schuss zwischen
35 kJ ≥ Etot ≥ 10 kJ liegen muss, damit die erforderliche Formteilqualität erreicht
werden kann. Nahe der derart ermittelten Energieschwellen können sowohl Formteile
mit den erforderlichen Formteileigenschaften wie auch Formteile mit unzureichenden
Formteileigenschaften resultieren. Befindet sich der Gesamtenergiewert eines Schusses
ausserhalb des ermittelten Energiebandes, erhöht sich das Risiko für die Herstellung
eines nicht konformen Formteiles, d.h. eines Formteiles, welches nicht die erforderlichen
Formteileigenschaften hinsichtlich Gefüge, Abmessungen u.s.w. aufweist. Demgemäss
stellt die Bestimmung der Gesamtenergie für einen Schuss ein Mass dar für die Wahrscheinlichkeit
einer guten bzw. schlechten Formteilherstellung, d.h. ein Mass für die Ausschuss-Wahrscheinlichkeit.
[0066] Figur 8 zeigt beispielhaft eine graphische Protokolldarstellung der gemessenen und
berechneten Werte für das erfindungsgemässe RTIM-Verfahren, wobei einerseits der durch
den Giesskolben 12 zurückgelegte, gemessene Weg s(t) und andererseits der gemessene,
durch den Giesskolben 12 ausgeübte, zeitabhängige Pressdruck p(t) während eines Thixoformprozesses,
d.h. während eines Schusses, dargestellt sind, sowie die durch Punkte dargestellten,
zu diskreten Zeitpunkten ermittelten Geschwindigkeitswerte v(t)=ds(t)/dt des Giesskolbens
12 eingetragen sind. Im Weiteren enthält die in Figur 8 gezeigte Protolldarstellung
auch eine Geschwindigkeitskurve v(t), welche durch numerische Filterung und Glättung
der diskreten Geschwindigkeitswerte ds(t)/dt berechnet ist.
1. Verfahren zur Prozessüberwachung beim Druckgiessen oder Thixoformen von Metallen (14,
15) in einer Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung, welche eine Giesskammer (10),
einen Giesskolben (12) und eine Form mit einer Formkavität (16, 18) enthält,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zeitliche Verlauf des Pressdruckes p(t) gemessen und die zeitabhängige Geschwindigkeit
des Giesskolbens v(t) bestimmt wird, und die durch den Giesskolben zugeführte Energie
E(t) in Funktion der Prozesszeit t, sowie die während dem Druckgiess- bzw. Thixoformprozess
durch den Giesskolben (12) zugeführte Gesamtenergie Etot aufgrund des zeitabhängigen Verlaufes des Pressdruckes p(t) und der Giesskolbengeschwindigkeit
v(t) berechnet wird, und die Gesamtenergie Etot als Kennwert für die Überwachung des Druckgiess- oder Thixoformprozesses verwendet
wird.
2. Verfahren zur Prozessüberwachung einer Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Pressdruck-Verlaufes p(t)
durch Messung des Druckes pGK(t) an der gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial (14, 15) gerichteten Giesskolben-Fläche
erfolgt.
3. Verfahren zur Prozessüberwachung einer Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung nach
Ansprüche 1, wobei der Giesskolben (12) hydraulisch angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestimmung des Pressdruck-Verlaufes p(t) durch Messung des Druckes phyd(t) in der Hydraulikflüssigkeit erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch
den Giesskolben (12) zugeführte Energie E(t) in Funktion der Prozesszeit t gemäss
der Integral-Funktion

und die während dem Druckgiess- bzw. Thixoformprozess durch den Giesskolben (12)
zugeführte Gesamtenergie E
tot durch die Integral-Funktion

berechnet wird, wobei A die gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial (14, 15)
gerichtete Fläche des Giesskolbens (12), t
0 den Anfangszeitpunkt t=0 des Druckgiess- oder Thixoformverfahrens und t
4 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem der Giesskolben zum ersten Mal nach t
0 die Geschwindigkeit v(t)=0 annimmt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitabhängige
Position des Giesskolbens s(t) gemessen und die Geschwindigkeit des Giesskolbens v(t)
als Ableitung der zeitabhängigen Giesskolbenposition s(t) nach der Zeit t zu diskreten
Zeitpunkten gemäss der Funktion

bestimmt wird, wobei die Geschwindigkeit v(t) bevorzugt an 180 bis 500, insbesondere
an 250 bis 400 diskreten Prozesszeitpunkten während dem Druckgiess- bzw. Thixoformprozess
bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch
den Giesskolben (12) während zwei Prozesszeitpunkten t
x und t
y, wobei t
x<t
y, zugeführte, zeitabhängige Energie E
x,y(t) gemäss der Integral-Funktion

berechnet wird, wobei A die gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial (14, 15)
gerichtete Fläche des Giesskolbens (12) bezeichnet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die partiellen Energien E
1 bis E
4 für die folgenden Verfahrensschritte berechnet werden:
a) beim Thixoformen die durch den Giesskolben (12) während der Dauer vom Zeitpunkt
t0 bis zum Zeitpunkt t1 zugeführte partielle Energie E1 für die Verschiebung des thixotropen Metallbolzens (14) in der Giesskammer (10) bis
zum Anschlag des Matallbolzens (14) am formseitigen Ende (11) der Giesskammer (10),
wobei t1 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem der thixotrope Metallbolzen (14) am Ende der Giesskammer
(11) auftrifft;
b) beim Druckgiessen und Thixoformen die durch den Giesskolben (12) während der Dauer
vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 zugeführte partielle Energie E2 für die Verformung des thixotropen Metallbolzens (14) bzw. des Druckgussmaterials
(15), wobei t2 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem das Druckguss- oder Thixoformmaterial (15) auf seiner
ganzen Länge den ganzen Giesskammerquerschnitt ausfüllt;
c) beim Druckgiessen und Thixoformen die durch den Giesskolben (12) während der Dauer
vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 zugeführte partielle Energie E3 für die Füllung der Eingusskanäle (26, 28), wobei t3 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem die zwischen der Giesskammer (10) und der Formkavität
(16, 18) befindlichen Eingusskanäle (26, 28) allesamt vollständig gefüllt sind;
d) beim Druckgiessen und Thixoformen die durch den Giesskolben (12) während der Dauer
vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 zugeführte partielle Energie E4 für die Füllung der Formkavität (16, 18), wobei t4 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem die Formkavität (16, 18) vollständig gefüllt ist
und die Geschwindigkeit des Giesskolbens (12) auf Null gesunken ist, d.h. v(t4)=0.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtenergie Etot zu Etot=E1+ E2+ E3+ E4 berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Giesskolben (12) hydraulisch
angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der PressdruckVerlauf p(t) durch Messung
des Druckes p
hyd(t) in der Hydraulikflüssigkeit und gleichzeitig durch Messung des Druckes p
GK(t) an der gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial (14, 15) gerichteten Giesskolben-Fläche
erfolgt, wobei für die Berechnung der durch den Giesskolben (12) zugeführten Energiewerte
der Pressdruckverlauf p
GK(t) verwendet wird, und der durch die Reibung verursachte Energieverlust bis zum Zeitpunkt
t durch Berechnung der Integral-Funktion

bestimmt wird, wobei A die gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial (14, 15) gerichtete
Fläche des Giesskolbens (12) und t
0 den Anfangszeitpunkt des Druckgiess- oder Thixoformprozesses bezeichnen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtenergie
Etot für eine Vielzahl von Druckgiess- oder Thixoformprozessen mit Druckguss- oder Thixoformmaterial
(14, 15) eines bestimmten Vorheizofens ermittelt und daraus der entsprechende Mittelwert
und die Standartabweichung berechnet werden, wobei der Mittelwert und die Standartabweichung
als weitere Kennwerte verwendet werden.
11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für das Druckgiessen oder
Thixoformen von Aluminium- oder Magnesiumlegierungen.
12. Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung, insbesondere eine Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung
zum Druckgiessen oder Thixoformen von Aluminiumlegierungen, wobei die Druckgiess-
oder Thixoformeinrichtung eine Giesskammer (10), einen Giesskolben (12) und eine Form
mit wenigstens einer Formkavität (16, 18) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die
Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung entweder Messvorrichtungen (30, 32) zur gleichzeitigen
Bestimmung des prozesszeitabhängigen Pressdruckes p(t) und der prozesszeitabhängigen
Positionsbestimmung s(t) des Giesskolbens (12) oder Messvorrichtungen (30, 32) zur
gleichzeitigen Bestimmung des prozesszeitabhängigen Pressdruckes p(t) und der prozesszeitabhängigen
Geschwindigkeitsbestimmung v(t) des Giesskolbens (12) aufweist.
13. Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Messvorrichtung zur Bestimmung des prozesszeitabhängigen Pressdruckes p(t) einen
an der gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial (14, 15) gerichteten Giesskolben-Fläche
angebrachten oder eingebauten Drucksensor (30) enthält.
14. Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei welcher
der Giesskolben (12) hydraulisch angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die
Messvorrichtung zur Bestimmung des prozesszeitabhängigen Pressdruckes p(t) einen Drucksensor
zur Bestimmung des Druckes in der Hydraulikflüssigkeit enthält.