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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren und System für einen Gießvorgang und spezieller ein
Füllstandserfassungssystem
und Verfahren zur Bestimmung einer Position eines leitfähigen Materials
in einem Formenhohlraum.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gießvorgänge werden
häufig
genutzt, um Gussgegenstände
zu produzieren, die eine komplexe Geometrie aufweisen. Präzisionssandgießen ist ein
solcher Gießvorgang,
der zum Herstellen von Gussgegenständen mit komplexen Geometrien
genutzt wird. Normalerweise erfordern die Gussgegenstände optimierte
mechanische Eigenschaften und eine Maßgenauigkeit. Durch Präzisionssandgießen geformte
Gussteile werden gebildet, indem eine Schmelze, wie beispielsweise
Metallschmelze, in einen aus Sand geformten Formenhohlraum gegossen wird.
Der Formenhohlraum wird gebildet, indem ein Duplikat des gewünschten
Gussteils, das als eine Schablone bezeichnet wird, in eine Gießform gelegt wird.
Die Gießform
wird anschließend
um die Schablone herum mit verdichtetem Sand gefüllt. Die Gießform wird
um die Schablone herum geschlossen und dann wieder geöffnet. Die
Schablone wird entnommen, so dass sich in dem verdichteten Sand
ein Formenhohlraum ergibt, der die Form der Schablone aufweist.
Sobald der Sand trocknen kann, ist die Gießform vorbereitet, um die Metallschmelze
aufzunehmen.
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Gussgegenstände, die Übergänge von
einem dicken Abschnitt zu einem dünnen Abschnitt, ausgedehnte
horizontale oder flache Oberflächen und
scharfe Ecken aufweisen, sind empfindlich gegen Gussfehler. Solche
Gussfehler werden in dem Gussteil beim Füllen des Formenhohlraums infolge eines
unruhigen Schmelzflusses und einer ungleichmäßigen Verteilung der Schmelze
durch den Formenhohlraum gebildet. Um einem unruhigen Fluss entgegenzuwirken,
kann die Durchflussgeschwindigkeit der Schmelze in den Formenhohlraum
geregelt werden. Wenn das Volumen des Formenhohlraums zunimmt, kann
zum Beispiel die Durchflussgeschwindigkeit der Schmelze eingestellt
werden, um der Erstarrung des Metalls in der Form entgegenzuwirken, wodurch
das Fließen
von zusätzlichem
geschmolzenem Metall in den Formenhohlraum erschwert wird. Umgekehrt
kann innerhalb der Form ein Gegendruck erzeugt werden, wenn bewirkt
wird, dass Schmelze zum Füllen
eines großen
Hohlraums mit einer hohen Durchflussgeschwindigkeit in den Formenhohlraum fließt und das
Volumen des Hohlraums dann abnimmt. Es wird verständlich,
dass die Formfüllgeschwindigkeit
konstant sein kann, selbst wenn sich der Formenquerschnitt ändert.
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Weil
der Formenhohlraum durch den verdichteten Sand gebildet und in der
Gießform
umschlossen ist, kann es schwierig sein, eine Stelle der Schmelze
innerhalb der Form zu einem gegebenen Zeitpunkt zu bestimmen. Darüber hinaus
können
sich Parameter wie beispielsweise Durchflussgeschwindigkeit, Schmelztemperatur,
Druckdichtheit und Luftdruck von einem Gießvorgang zum nächsten ändern. Beim
Versuch, die Position einer Schmelzespitze zu überwachen, nutzen allgemein
bekannte Sandgießvorgänge Thermoelemente
oder Kontaktsonden. Die Thermoelemente oder Sonden müssen innerhalb
der Gießform
und in Kontakt mit dem Gussteil angeordnet sein, was die Qualität des Gussteils
beeinflussen kann.
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Es
wäre wünschenswert,
ein nichtinvasives Schmelzefüllstandserfassungssystem
in Echtzeit und Verfahren zur Bestimmung des Füllstands einer Schmelze innerhalb
der Form zu entwickeln, bei dem einem Kontakt mit der Schmelze oder
der Gießform entgegengewirkt
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Entsprechend
und übereinstimmend
mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend ein nichtinvasives
Schmelzefüllstandserfassungssystem
in Echtzeit und Verfahren zur Bestimmung des Füllstands einer Schmelze innerhalb
der Form entdeckt worden, bei dem einem Kontakt mit der Schmelze oder
der Gießform
entgegengewirkt wird.
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In
einer Ausführungsform
umfasst ein Füllstandserfassungssystem
eine Treiberschaltung und ein mit der Treiberschaltung gekoppeltes
induktives Bauelement, bei dem ein durch das induktive Bauelement
erzeugtes Magnetfeld die Änderung
einer elektrischen Eigenschaft der Treiberschaltung hervorruft,
wenn bewirkt wird, dass ein leitfähiges Material durch das Magnetfeld
fließt.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst ein Füllstandserfassungssystem
für eine
Gießform: eine
Gießform,
die einen Formenhohlraum zur Aufnahme eines leitfähigen Materials
darin bildet; eine Treiberschaltung und ein mit der Treiberschaltung gekoppeltes
induktives Bauelement, wobei ein durch das induktive Bauelement
erzeugtes Magnetfeld die Änderung
einer elektrischen Eigenschaft der Treiberschaltung hervorruft,
wenn bewirkt wird, dass ein leitfähiges Material durch das Magnetfeld
fließt.
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Die
Erfindung stellt außerdem
Verfahren zur Bestimmung der Position eines leitfähigen Materials in
einer Gießform
bereit.
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Ein
Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen einer Gießform, die
einen Formenhohlraum zur Aufnahme eines leitfähigen Materials dann bildet; Bereitstellen
einer Treiberschaltung, die ein Magnetfeld in dem Formenhohlraum
erzeugen soll und benachbart zu der Gießform angeordnet ist, wobei
ein Fluss des leitfähigen
Materials durch das Magnetfeld die Änderung einer elektrischen
Eigenschaft der in Resonanz befindlichen Treiberschaltung bewirkt; Einführen eines
leitfähigen
Materials in den Formenhohlraum der Gießform; und Messen einer Änderung der
elektrischen Eigenschaften der in Resonanz befindlichen Treiberschaltung,
wenn das leitfähige
Material den Formenhohlraum ausfüllt,
wobei die Änderung
der elektrischen Eigenschaften eine Position des leitfähigen Materials
innerhalb des Formenhohlraums angibt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Sowohl
das oben Erwähnte
als auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich dem
Fachmann ohne weiteres aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen der
Erfindung, wenn sie angesichts der begleitenden Zeichnungen betrachtet
wird, in denen:
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1 eine
Darstellung im Schnitt eines Füllstandserfassungssystems
und einer Form nach einer Ausführungsform
der Erfindung ist; und
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2 eine
perspektivische Ansicht einer C-förmigen, elektromagnetischen
Wicklung nach der vorliegenden Erfindung ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Die
folgende ausführliche
Beschreibung und die beigefügten
Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung. Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, dem Fachmann
Herstellung und Gebrauch der Erfindung zu ermöglichen und sollen den Umfang
der Erfindung in keiner Weise beschränken. Bezüglich der offenbarten Verfahren
sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur, und somit
ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder entscheidend.
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1 stellt
ein Füllstandserfassungssystem 10 nach
einer Ausführungsform
der Erfindung dar. Das Füllstandserfassungssystem 10 umfasst
eine Ansteuerungs- oder Treiberschaltung 14, die benachbart
zu einer Gießform 12 angeordnet
ist. Es wird verständlich,
dass eine größere Anzahl
von Treiberschaltungen 14 benachbart zu der Gießform 12 des
Füllstandserfassungssystems 10 angeordnet sein
kann. Die Treiberschaltungen 14 können wie gewünscht benachbart
zu einem beliebigen Abschnitt der Gießform 12 angeordnet
sein.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Treiberschaltung 14 eine
LC-Oszillatorschaltung mit einem induktiven Bauelement 16,
das auch als ein elektromagnetischer Sensor bezeichnet wird. Das
induktive Bauelement 16 ist benachbart zu einer Außenwand 18 der
Gießform 12 angeordnet. Es
wird verständlich,
dass die Treiberschaltung 14 zum Beispiel auch ein automatischer
Verstärkungsregelungs-
oder Schwundaus gleichskreis mit einem LC-Schwingkreis und eine Abstimmschaltung
mit einem LC-Schwingkreis sein kann.
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Wie
es in 2 deutlicher dargestellt wird, ist das induktive
Bauelement 16 der Treiberschaltung 14 eine elektromagnetische
Einzelspule 40, die eine C-Form besitzt. Die Zuleitungen 46, 48 der
elektromagnetischen Einzelspule 40 befinden sich mit der Treiberschaltung 14 in
elektrischer Verbindung. Die elektromagnetische Einzelspule 40 ist
aus einem Ferritkern 42 gebildet, der eine Wicklung aus
Magnetdraht 44 mit einer gewünschten Anzahl von Windungen
aufweist. Es wird verständlich,
dass das induktive Bauelement 16, wie gewünscht, andere
Formen wie eine zylindrische Spule aufweisen kann. Ferner kann das
induktive Bauelement 16 mit einer beliebigen Anzahl von
Windungen aus Magnetdraht 44 gewickelt werden, um eine
gewünschte
elektrische Eigenschaft des induktiven Bauelements 16 zu erlangen.
Eine Öffnung,
magnetische Permeabilität, die
Anzahl von Windungen von Magnetdraht 44, die Stärke des
Magnetdrahtes 44 und die Form des induktiven Bauelements 16 können selektiv
verändert werden,
um die gewünschte
elektrische Eigenschaft zu erzielen.
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Die
Gießform 12 umfasst
eine erste Hälfte 20 und
eine zweite Hälfte 22.
Die erste Hälfte 20 und
die zweite Hälfte 22 enthalten
jeweils eine innere Wand 26, die einen Formenhohlraum 24 zur
Aufnahme eines geschmolzenen, leitfähigen Materials (nicht gezeigt)
bilden. In der dargestellten Ausführungsform ist das geschmolzene
leitfähige
Material ein geschmolzenes Metall wie zum Beispiel Aluminium. Die Gießform 12 enthält ein in
Fluidverbindung mit dem Formenhohlraum 24 befindliches
Anschnittsystem 28. In der dargestellten Ausführungsform
umfasst das Anschnittsystem 28 einen Eingusstrichter 30,
einen Einguss 32 und eine Gießrinne 34. Das Anschnittsystem 28 kann
außerdem
eine Einrichtung zur Regelung einer Durchflussmenge von leitfähigem Material
wie beispielsweise ein Ventil, einen Absperrschieber und eine elektromagnetische
Pumpe umfassen. Der Formenhohlraum 24 kann aus beliebigem
herkömmlichem,
nichtmetallischen Material wie zum Beispiel Natursand und synthetischer
Sand gebildet sein. Der Formenhohlraum 24 kann wie gewünscht von
beliebiger Größe oder
Form sein, um ein gewünschtes
Gussteil zu produzieren. Der Formenhohlraum kann außerdem wie
gewünscht
Kerne von beliebiger Größe und Form
enthalten.
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Bei
Verwendung wird das leitfähige
Material in den Eingusstrichter 30 des Anschnittsystems 28 eingegossen.
Das leitfähige
Material fließt
durch den Einguss 32, durch die Gießrinne 34 und in den
Formenhohlraum 24. Wenn das leitfähige Material den Formenhohlraum 24 ausfüllt, bewegt
es sich in ein wirkendes Magnetfeld, das von dem induktiven Bauelement 16 der
Treiberschaltung 14 ausgeht, in den Formenhohlraum 24.
Es wird verständlich,
dass das wirkende Magnetfeld durch beliebige herkömmliche Mittel
wie zum Beispiel Verwendung einer Tabelle der Linearbewegung zum
Bewegen eines Aluminiumblechs mit konstanter Geschwindigkeit in
das Magnetfeld und Aufzeichnen eines linearen Bereichs, bei dem
das Metall die elektrischen Eigenschaften der Treiberschaltung 14 beeinflusst,
berechnet werden kann. Das Magnetfeld des induktiven Bauelements 16 induziert
in dem leitfähigen
Material Wirbelströme. Die
Wirbelströme
erzeugen Magnetfelder, die dem angelegten Magnetfeld des induktiven
Bauelements 16 entgegenwirken. Die Wechselwirkung der Wirbelströme in dem
leitfähigen
Material und das angelegte Magnetfeld des induktiven Bauelements 16 beeinflussen
elektrische Eigenschaften des induktiven Bauelements 16 und
der Treiberschaltung 14. Die elektrische Eigenschaft kann
eine beliebige Eigenschaft sein, wie zum Beispiel eine Spannung,
eine Frequenz, ein ohmscher Blindwiderstand und ein induktiver Blindwiderstand.
Die beeinflusste elektrische Eigenschaft wird dann durch eine Bedienperson des
Systems 10 gemessen, indem zum Beispiel eine beliebi ge
herkömmliche
elektrische Messeinrichtung wie ein Oszilloskop verwendet wird.
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Wenn
die Treiberschaltung 14 ein Schwundausgleichskreis ist,
wird die Treiberschaltung 14 eine Festfrequenz aufrechterhalten.
Für das
durch die Treiberschaltung 14 und das induktive Bauelement 16 erzeugte
Magnetfeld wird ein Wirkungsfeld berechnet. Wenn das leitfähige Material
in das magnetische Wirkungsfeld eintritt, zeigt das induktive Bauelement 16 eine
Spannungsveränderung
wie beispielsweise eine Spannungsabnahme an dem induktiven Bauelement 16 an.
Wenn sich das leitfähige Material
durch das von der Treiberschaltung 14 erzeugte, angelegte
Magnetfeld bewegt, fällt
die Spannung an dem induktiven Bauelement 16 weiter ab,
bis sich das leitfähige
Material jenseits des magnetischen Wirkungsfeldes befindet. Weil
die Position des induktiven Bauelements 16 relativ zu dem
Formenhohlraum 24 bekannt ist, wird der Spannungsabfall an
dem induktiven Bauelement 16 gemessen und zur Bestimmung
der Position des leitfähigen
Materials in dem Formenhohlraum 24 verwendet. Es wurde
zum Beispiel durch Experimentieren bestimmt, dass, wenn das Wirkungsfeld
des Magnetfeldes 178 mm (7 Zoll) beträgt, ein an dem induktiven Bauelement 16 gemessener
anfänglicher
Spannungsabfall anzeigt, dass sich die Position des leitfähigen Materials
89 mm (3,5 Zoll) vom Mittelpunkt des induktiven Bauelements 16 befindet.
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Wenn
die Treiberschaltung 14 wie eine Abstimmschaltung funktioniert,
wird sich die Frequenz des von der Treiberschaltung 14 erzeugten,
wechselnden Magnetfelds verschieben, so wie sich das leitfähige Material
in dem angelegten Magnetfeld bewegt. In elektrischer Verbindung
mit der Treiberschaltung 14 befindliche Messausrüstung, wie
beispielsweise ein Oszilloskop, wird zum Überwachen der elektrischen
Eigenschaften der Treiberschaltung 14 genutzt. Für das durch
die Treiberschaltung 14 und das induktive Bauelement 16 erzeugte
Magnetfeld wird ein Wirkungsfeld berechnet. Dadurch, dass man die
Position des induktiven Bauelements 16 im Verhältnis zu
dem Formenhohlraum 24 kennt und die Frequenzverschiebung
der Treiberschaltung 14 überwacht, wenn das leitfähige Material
in das magnetische Wirkungsfeld eintritt, kann die Bedienperson die
Position des leitfähigen
Materials in dem Formenhohlraum 24 bestimmen.
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Dadurch,
dass der Füllstand
des leitfähigen Materials
in der Gießform 12 mit
dem Materialfüllstandserfassungssystem 10 bestimmt
wird, ohne mit dem Fluss des leitfähigen Materials oder der Gießform 12 in
Kontakt zu kommen, kann die Bedienperson die Durchflussgeschwindigkeit
des leitfähigen Materials
durch die Gießform 12 regeln.
Es wird verständlich,
dass eine Steuereinheit gebildet werden kann, um die Durchflussgeschwindigkeit
des leitfähigen
Materials als Reaktion auf Änderungen
der elektrischen Eigenschaften der Treiberschaltung 14 zu regeln.
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Die
nichtinvasive Echtzeit-Regelung der Durchflussmenge von leitfähigem Material
wirkt einem unruhigen Fluss entgegen, wodurch die Qualität der Gussteile
erhöht
wird, eine gleichmäßige Verteilung
der Füllung
erzeugt und eine Ausschussmenge, die durch beschädigte Gussteile in Ausschussteilen erzeugt
wird, minimiert werden.
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Aus
der vorhergehenden Beschreibung kann ein normaler Fachmann die wesentlichen
Eigenschaften dieser Erfindung leicht feststellen und verschiedene Änderungen
und Modifizierungen an der Erfindung vornehmen, ohne von Geist und
Umfang derselben abzuweichen, um sie an verschiedene Verwendungen
und Bedingungen anzupassen.