[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Profils aus einer Metalllegierung,
wobei die Metalllegierung im teilflüssigen Zustand verarbeitet wird.
[0002] Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Extruder zur Herstellung eines Profils
aus einer Metalllegierung, umfassend einen Zylinder und zumindest eine Schneckenwelle,
wobei die zumindest eine Schneckenwelle innerhalb des Zylinders angeordnet ist.
[0003] Für die Herstellung von Halbzeugen oder Werkstücken aus Metallen oder Legierungen
sind verschiedene Gießverfahren wie das Stranggießen oder der Kokillenguss bekannt.
Insbesondere Komponenten aus Leichtmetallen werden häufig auch endabmessungsnah im
Druckguss erstellt, wobei eine Schmelze in eine Kavität gegossen wird. In jüngerer
Zeit sind im weiteren Zusammenhang damit auch Verfahren entwickelt worden, bei welchen
das zu verarbeitende Material in einen teilflüssigen Zustand gebracht und in diesem
Zustand verarbeitet bzw. in eine Kavität gegossen wird, um ein Werkstück auszubilden.
Hierfür werden Legierungen in der Regel auf eine Temperatur gebracht, die zwischen
der Soliduskurve und der Liquiduskurve liegt, sodass im verarbeiteten Material sowohl
feste als auch flüssige Phasenanteile vorliegen. Die Verarbeitung von teilflüssigem
Material unter Einbringung einer Scherung führt zu einem rundlich eingeformten Gefüge,
wodurch üblicherweise auch gute Materialkennwerte erreicht werden.
[0004] Bei den bekannten Verfahren zur Verarbeitung von Material im teilflüssigen bzw. semisolid
Zustand handelt es sich um Thixomolding-Verfahren. Dabei wird ein Granulat einer Metalllegierung
in einem Barrel mit einer Schnecke teilweise aufgeschmolzen und mit der Schnecke einer
Scherbeanspruchung unterworfen, um das Material in einen thixotropen Zustand zu bringen.
Anschließend wird das Material in eine Form bzw. Kavität eingespritzt, indem mit der
Schnecke ein axialer Hub ausgeführt wird. Wenngleich mit einem Thixomolding-Verfahren
Bauteile endabmessungsnah hergestellt werden können, ist die Technologie aufwendig,
weil die Kavitäten gegenüber dem Barrel nach jedem Einspritzvorgang dicht sein müssen,
bis der nächste Einspritzvorgang folgt. Insbesondere ist eine kontinuierliche Herstellung
eines Stranges oder dergleichen nicht möglich. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren
der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem es möglich ist, Späne, Granulat
oder dergleichen aus einer Metalllegierung in nur einem Schritt zu einem festen oder
halbfesten Material zu verarbeiten.
[0005] Ein weiteres Ziel ist es, einen Extruder der eingangs genannten Art anzugeben, mit
welchem Späne, Granulat oder dergleichen aus einer Metalllegierung kontinuierlich
verarbeitbar sind.
[0006] Die verfahrensmäßige Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem
Verfahren der eingangs genannten Art die insbesondere in Form von Spänen vorliegende
Metalllegierung mit einem Extruder kontinuierlich extrudiert wird, wobei Korn feinende
Partikel eingearbeitet werden.
[0007] Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass bei
einem Extrusionsverfahren im Zweiphasengebiet hohe Festphasenanteile verarbeitet werden
können. Es werden somit die Vorteile einer Verarbeitung im thixotropen Zustand mit
den Vorteilen einer kontinuierlichen Verfahrensführung kombiniert. Durch die Zuführung
von Korn feinenden Partikeln wird zudem eine Festigkeit des durch das erfindungsgemäße
Verfahren hergestellten Profils erhöht. Die Späne und Partikel werden in nur einem
Schritt unter Aufbringung von Scherkräften kontinuierlich zu einem Profil verarbeitet.
Das Profil kann dabei fest oder halbfest hergestellt werden. Dabei kann eine halbfeste
bzw. nicht vollständig erstarrte Masse bzw. Profil als Vormaterial weiterverwendet
werden; beispielsweise kann das halbfeste und verformbare Profil anschließend in Masselformen
gebracht werden. Bei einer Herstellung eines Vormaterials werden z. B. Festphasenanteile
zwischen 2 % und 30 %, insbesondere zwischen 5 % und 35 %, besonders bevorzugt zwischen
8 % und 50 %, verarbeitet. Bei der Herstellung eines festen Profils werden hingegen
beispielsweise Festphasenanteile zwischen 70 % und 97 %, insbesondere zwischen 65
% und 95 %, besonders bevorzugt zwischen 60 % und 90 %, verarbeitet.
[0008] Es können beliebige nicht metallische, Korn feinende Partikel bzw. andere vorteilhafte
Additive zusammen mit den Spänen aus einer Metalllegierung verarbeitet werden. Es
versteht sich, dass die Metalllegierung in einer anderen Form vorliegen kann, beispielsweise
als Granulat. Die Partikel werden dabei entweder unmittelbar im Prozess zugeführt
oder schon vor Prozessbeginn mit den Spänen aus einer Metalllegierung vermischt und
anschließend als Gemisch dem Prozess zugegeben. Die Späne oder das Granulat können
insbesondere aus einer Magnesiumlegierung, Zinklegierung oder einem anderen Legierungssystem
gebildet sein. Ein Partikeltyp kann so gewählt werden, dass entweder die Legierungskomponente
bzw. Matrix selbst korngefeint oder ein Kornfeinervormaterial hergestellt wird. Ein
Kornfeinervormaterial wird in weiterer Folge bei der Herstellung eines anderen Werkstoffes
als Kornfeiner zugegeben. Es können beispielsweise Partikel aus Siliciumcarbid für
eine direkte Kornfeinung in eine Magnesiumlegierung eingearbeitet werden. Zur Herstellung
eines Kornfeinervormaterials kann z. B. Titanborid in eine Magnesiumlegierung eingearbeitet
werden. Ein dadurch hergestelltes Kornfeinervormaterial ist insbesondere für magnesiumhaltige
Aluminiumlegierungen verwendbar. Durch die Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind den zumischbaren Partikeln nahezu keine Grenzen gesetzt.
[0009] Es ist von Vorteil, wenn die Metalllegierung und Partikel durch zumindest eine in
einem Zylinder angeordnete Schneckenwelle bearbeitet werden, wobei ein entstehendes
teilflüssiges Material über die zumindest eine Schneckenwelle zu einer Matrize transportiert
wird. Insbesondere werden Späne aus einer Metalllegierung und Partikel von oben über
einen Trichter dem Zylinder mit der Schneckenwelle zugeführt, wo diese unter Aufbringung
von Scherkräften in einen thixotropen Zustand gebracht und verarbeitet werden. Besonders
bevorzugt werden die Korn feinenden Partikel direkt im Trichter den Spänen zugeführt
und anschließend in den Zylinder dosiert, wo diese in die Späne eingearbeitet werden.
Die Schneckenwelle ist insbesondere konisch ausgebildet und wird von einem Motor mit
bevorzugt geringen Drehzahlen zu einer Drehbewegung um deren Längsachse angetrieben.
Im Bereich der Matrize wird ein genügend hoher Staudruck aufgebaut, sodass durch das
Drücken des Materials durch die Matrize ein festes Profil mit einem homogenen Gefüge
entsteht. Soll ein als Vormaterial verwendbares halbfestes Profil hergestellt werden,
ist eine Matrize nicht zwingend notwendig, da zur Herstellung eines halbfesten Profils
nur ein geringer Staudruck notwendig ist.
[0010] Vorteilhaft ist es, wenn das Material kontinuierlich durch die Matrize gedrückt wird,
um das Profil herzustellen. Die Matrize ist hierfür so ausgebildet, dass diese eine
genügend hohe Härte zum Durchdrücken von Material aus einer Metalllegierung aufweist.
Darüber hinaus wird die Matrize lösbar an einem Ende des Zylinders befestigt, wobei
zur Befestigung insbesondere Schrauben aus Hochtemperatur-Werkzeugstahl verwendet
werden. Eine Geometrie, insbesondere ein Querschnitt, des Profils wird durch eine
Form der Matrize bestimmt. Das Profil wird beispielsweise mit einem rechteckigen,
kreisförmigen oder ringförmigen Querschnitt hergestellt. Das hergestellte Profil kann
anschließend weiterverarbeitet werden, beispielsweise kann dieses in Stücke abgelängt
oder weiter umgeformt werden.
[0011] Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Metalllegierung und Partikel mit zwei im Zylinder
rotierenden Schneckenwellen bearbeitet und transportiert werden, wobei die Schneckenwellen
insbesondere gleichlaufend angetrieben werden. Die Schneckenwellen drehen sich dabei
um deren jeweilige Längsachse. Die Verwendung von zwei Schneckenwellen gewährleistet
eine gute Durchmischung der Materialbestandteile und es wird zudem eine für die Herstellung
eines thixotropen Zustandes notwendige Scherung in das Material eingebracht. Dadurch
wird ein Beimischen von verschiedenen Partikeln direkt im Trichter ermöglicht. Die
konisch ausgebildeten Schneckenwellen werden insbesondere gleichlaufend angetrieben,
können jedoch auch gegenlaufend angetrieben werden. Konische Schneckenwellen weisen
einen großen Achsenabstand auf, weshalb ein Drehmoment ohne Weiteres eingebracht werden
kann. Ferner ist eine Scherung in Richtung eines Austragsbereiches aufgrund einer
abnehmenden Schneckenumfangsgeschwindigkeit gering, weshalb auch scherempfindliche
Rezepturen verwertet werden können. Gleichlaufend angetriebene Schneckenwellen reinigen
sich selbst, da diese sich gegenseitig abstreifen. Darüber hinaus wird das Material
durch die Schneckenwellen in Längsrichtung in einem offenen System transportiert,
wobei Schneckengänge durchgehende Kanäle bilden. Ein Transport des Materials basiert
hauptsächlich auf Schleppströmung, weshalb ein Durchsatz stark gegendruckabhängig
ist.
[0012] Gleichlaufende Schneckenwellen können zum Plastifizieren, Mischen, Homogenisieren
und Granulieren verwendet werden. Des Weiteren können damit teils mit regulären Mitteln
unbenetzbare Additive wie Partikeln, Fasern und/oder Pigmenten dispergiert sowie Produkte
mit unterschiedlicher Viskosität homogenisiert werden. Die Schneckenwellen werden
von einem Antrieb mit niedrigen Drehzahlen angetrieben, um eine ausreichende Durchmischung
und ein Aufbringen von Scherkräften sicherzustellen. Bei zu hohen Drehzahlen wird
das Material nicht ausreichend durchmischt, sondern nur weitergeschoben. Eine Drehgeschwindigkeit
der Schneckenwellen kann beispielsweise etwa 10 Umdrehungen/min bis 40 Umdrehungen/min,
insbesondere 12 Umdrehungen/min bis 35 Umdrehungen/min, besonders bevorzugt 15 Umdrehungen/min
bis 30 Umdrehungen/min, betragen. Die Drehgeschwindigkeit ist abhängig von einer Größe
des Extruders. Eine Austrittsmasse des Profils aus dem Zylinder bzw. der Matrize des
Extruders kann bei einer Herstellung eines festen Profils pro Zeiteinheit mindestens
etwa 8 kg/h, insbesondere etwa mindestens 10 kg/h, besonders bevorzugt mindestens
etwa 13 kg/h, und bei der Herstellung eines halbfesten Vormaterials mindestens etwa
30 kg/h, insbesondere mindestens etwa 40 kg/h, besonders bevorzugt mindestens etwa
45 kg/h, betragen.
[0013] Günstig ist es, wenn das Material im Zylinder erwärmt und teilweise aufgeschmolzen
wird. Dadurch werden die Partikel und das teilweise geschmolzene Material benetzt.
Zur Erwärmung können beispielsweise Heizmanschetten oder andere Heizelemente auf dem
Zylinder angeordnet sein. Darüber hinaus können beispielsweise Isoliermatten auf den
Zylinder gelegt werden, sodass ein Aufheizen beschleunigt und eine austretende Strahlungswärme
minimiert wird. Insbesondere wird das Material durch die Temperatureinwirkung so teilweise
aufgeschmolzen, dass dieses im teilflüssigen Zustand vorliegt. In weiterer Folge wird
das Material unter Aufbringung von Scherkräften in Richtung der Matrize befördert
und kontinuierlich durch die Matrize gedrückt, wodurch das Profil geformt wird. Durch
die beim erfindungsgemäßen Verfahren auftretenden hohen Scherkräfte und erhöhten Temperaturen
werden die eingearbeiteten Korn feinenden Partikel deagglomeriert und von den teilweise
aufgeschmolzenen Legierungsspänen bzw. Legierungsgranulat zwangsbenetzt. Darüber hinaus
wird der Matrixwerkstoff zwangsbenetzt, was besondere Vorteile für die Korn feinende
Wirkung der Partikel bringt. Ferner ist es günstig, wenn am Ende des Zylinders eine
Kühlung vorgesehen ist, beispielsweise eine Luftkühlung, sodass das Material vor einem
Durchtritt durch die Matrize abgekühlt wird. Mit einer Luftkühlung wird eine Brandgefahr
so gering wie möglich gehalten.
[0014] Es ist von Vorteil, wenn das Profil durch einen vor einer Matrize vorgesehenen Schutzgasvorhang
vor Oxidation geschützt wird. Nach einem Austritt aus dem Zylinder bzw. Durchtritt
durch die Matrize ist das Profil noch heiß. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein,
dass für mehrere Bestandteile des Extruders eine Schutzbegasung vorgesehen ist, sodass
das Material bei der Herstellung des Profils durchgehend vor Oxidation geschützt wird.
[0015] Das weitere Ziel wird erreicht, wenn ein Extruder der eingangs genannten Art zur
Verarbeitung der Metalllegierung im teilflüssigen Zustand ausgebildet ist, wobei eine
Heizeinrichtung vorgesehen ist.
[0016] Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass die insbesondere
als Späne vorliegende Metalllegierung durch die Heizeinrichtung teilweise aufschmelzbar
ist, wobei Korn feinende Partikel zuführbar sind, wodurch in weiterer Folge ein teilflüssiges
Material entsteht, welches aufgrund entsprechender Ausbildung des Extruders unter
Aufbringung von Scherkräften mit diesem verarbeitbar ist. Die Späne und Partikel sind
insbesondere über einen Trichter dem Zylinder mit der Schneckenwelle zuführbar, wo
diese unter teilweiser Aufschmelzung und Aufbringung von Scherkräften vermischbar
sind. Durch die Temperatureinwirkung der Heizeinrichtung und Scherkräfte der zumindest
einen rotierenden Schneckenwelle sind die Späne und Partikel effizient teilweise aufschmelzbar.
Zur Erwärmung können Heizelemente wie Heizmanschetten auf dem Zylinder angeordnet
sein. Darüber hinaus können beispielsweise Isoliermatten auf den Zylinder vorgesehen
sein, sodass ein Aufheizen des Materials beschleunigbar und eine austretende Strahlungswärme
einschränkbar ist.
[0017] Endseitig am Zylinder kann zweckmäßigerweise eine Matrize angeordnet sein. Über die
im Zylinder angeordnete Schneckenwelle ist das teilflüssige Material in Richtung der
Matrize beförderbar, welche lösbar am Ende des Zylinders angeordnet sein kann. Insbesondere
ist die Matrize mit Schrauben aus Hochtemperatur-Werkzeugstahl lösbar am Zylinder
befestigt. Ferner ist es günstig, wenn am Ende des Zylinders eine Kühlung vorgesehen
ist, beispielsweise eine Luftkühlung, sodass das Material vor einem Durchtritt durch
die Matrize abkühlbar ist. In weiterer Folge ist das Material kontinuierlich durch
die Matrize drückbar, wodurch das Profil geformt wird. Darüber hinaus ist es von Vorteil,
wenn ein Wärmetauscher bzw. ein Wärmeübertrager vorgesehen ist. Der Extruder ist dazu
ausgebildet entweder ein festes Profil oder ein halbfestes bzw. nicht vollständig
erstarrtes Profil herzustellen. Dies ist insbesondere abhängig von einem Verhältnis
von festen zu flüssigen Anteilen im Material, einem vor der Matrize bzw. Ende des
Zylinders aufgebauten Staudruck und einer Austrittsgeschwindigkeit des Profils aus
dem Extruder. Folglich ist zur Herstellung eines halbfesten Profils eine Matrize nicht
zwingend notwendig, da nur ein geringer Staudruck aufgebaut werden muss. Ein halbfestes
Profil tritt teigig aus dem Extruder aus, wo dieses aufgrund der Schwerkraft in einen
am Boden angeordneten Behälter fällt. In weiterer Folge ist ein halbfestes Profil
als Vormaterial weiterverwendbar.
[0018] Es ist von Vorteil, wenn zwei Schneckenwellen und ein Antrieb zum Antreiben derselben
vorgesehen sind. Der Antrieb ist insbesondere als frequenzgeregelter Wechselstrommotor
ausgebildet. Dieser treibt die Schneckenwellen gleichlaufend oder gegenlaufend mit
niedriger Drehzahl an, um die Späne aus einer Metalllegierung sowie die Korn feinenden
Partikel unter teilweiser Aufschmelzung zu vermischen.
[0019] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus dem nachfolgend dargestellten
Ausführungsbeispiel. In der Zeichnung, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigt:
- Fig. 1
- einen erfindungsgemäßen Extruder.
[0020] Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Extruder E zur Durchführung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens. Der Extruder E ist zur Herstellung eines Profils 1 aus einer Metalllegierung
ausgebildet und umfasst einen Zylinder 2, in welchem zumindest eine Schneckenwelle
3 angeordnet ist. Am Ende des Zylinders 2 ist eine Matrize 4 vorgesehen, durch welche
ein Material aus einer Metalllegierung und Korn feinenden Partikeln gedrückt wird.
Die Matrize 4 ist mit Schrauben aus Hochtemperatur-Werkzeugstahl lösbar am Zylinder
2 befestigt. Darüber hinaus ist eine Heizeinrichtung 5 vorgesehen, mit welcher das
Material im Zylinder 2 erwärmt und teilweise aufgeschmolzen wird. Die Schneckenwelle
3 wird von einem Antrieb 6 angetrieben, welcher insbesondere als frequenzgeregelter
Wechselstrommotor ausgebildet ist. Dieser treibt die Schneckenwelle 3 mit geringer
Drehzahl an. Weiter umfasst der Extruder E einen Trichter 7 sowie einen Wärmetauscher
8 bzw. Wärmeübertrager, wobei der Wärmetauscher 8 insbesondere als Öl-Luft-Wärmetauscher
ausgebildet ist.
[0021] Besonders bevorzugt sind zwei Schneckenwellen 3 vorgesehen, wodurch der Extruder
E als sogenannter Zweischneckenextruder ausgebildet ist. Die Schneckenwellen 3 sind
konisch ausgebildet und werden gleichlaufend oder gegenlaufend angetrieben, wobei
die Schneckenwellen 3 im Zylinder 2 angeordnet sind. Für Wartungszwecke können die
Schneckenwellen 3 aus dem Zylinder 2 entnommen werden. Die Verwendung von zwei Schneckenwellen
3 erlaubt eine gute Durchmischung des Materials sowie das Eindringen der notwendigen
Scherung in dasselbe.
[0022] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Profils 1 aus einer Metalllegierung
werden Späne aus einer Metalllegierung einen Extruder E zugeführt, wobei Korn feinende
Partikel eingearbeitet werden. Die Partikel werden insbesondere direkt in einem Trichter
7 mit den Spänen vermischt. Über den Trichter 7 wird das Material aus Spänen und Partikel
in den Zylinder 2 geführt. Im Zylinder 2 sind insbesondere zwei Schneckenwellen 3
angeordnet, welche das Material durchmischen und eine notwendige Scherung einbringen.
Das Material wird weiter über die Schneckenwellen 3 zu einer Matrize 4 transportiert.
Der Zylinder 2 mit den Schneckenwellen 3 wird erwärmt, sodass das Material teilweise
aufgeschmolzen wird und ein teilflüssiger Zustand vorliegt. Das vermischte und teilweise
aufgeschmolzene Material wird unter Einwirkung von Scherkräften durch die Matrize
4 gedrückt, wodurch das Profil 1 hergestellt wird. Ein Querschnitt des Profils 1 wird
durch eine Form der Matrize 2 bestimmt. Die Schneckenwellen 3 rotieren insbesondere
gleichlaufend im Zylinder 2. Am Ausgang der Matrize 4 bzw. vor derselben ist ein Schutzgasvorhang
vorgesehen, um das am Austrittspunkt noch heiße Profil 1 vor Oxidation zu schützen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist ein festes oder halbfestes Profil 1 herstellbar,
abhängig davon, wie hoch die Festphasenanteile sind.
[0023] Es kann auch vorgesehen sein, dass der Extruder E ohne Matrize 4 ausgebildet ist.
Dabei wird der Staudruck an einem anderen Ort des Extruders E aufgebaut. Folglich
kann das Material in einem halbfesten Zustand aus dem Extruder E entnommen und als
Vormaterial weiterverwendet werden.
1. Verfahren zur Herstellung eines Profils (1) aus einer Metalllegierung, wobei die Metalllegierung
im teilflüssigen Zustand verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die insbesondere in Form von Spänen vorliegende Metalllegierung mit einem Extruder
(E) kontinuierlich extrudiert wird, wobei Korn feinende Partikel eingearbeitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung und Partikel durch zumindest eine in einem Zylinder (2) angeordnete
Schneckenwelle (3) bearbeitet werden, wobei ein entstehendes teilflüssiges Material
über die zumindest eine Schneckenwelle (3) zu einer Matrize (4) transportiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material kontinuierlich durch die Matrize (4) gedrückt wird, um das Profil (1)
herzustellen.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung und Partikel mit zwei im Zylinder (2) rotierenden Schneckenwellen
(3) bearbeitet und transportiert werden, wobei die Schneckenwellen (3) insbesondere
gleichlaufend angetrieben werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material im Zylinder (2) erwärmt und teilweise aufgeschmolzen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (1) durch einen vor einer Matrize (4) vorgesehenen Schutzgasvorhang vor
Oxidation geschützt wird.
7. Extruder (E) zur Herstellung eines Profils (1) aus einer Metalllegierung, insbesondere
zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend einen
Zylinder (2) und zumindest eine Schneckenwelle (3), wobei die zumindest eine Schneckenwelle
(3) innerhalb des Zylinders (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder (E) zur Verarbeitung der Metalllegierung im teilflüssigen Zustand ausgebildet
ist, wobei eine Heizeinrichtung (5) vorgesehen ist.
8. Extruder (E) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schneckenwellen (3) und ein Antrieb (6) zum Antreiben derselben vorgesehen sind.