Die Erfindung betrifft eine Gießkelle zum Schöpfen und Gießen flüssigen Metalls sowie ein Verfahren zum Gießen eines Werkstücks mit einer solchen.

Die Zuführung von flüssigen Gußmaterialien hochschmelzender Materialien in Gießereien erfolgt automatisch, halbautomatisch oder manuell über einen Schöpfvorgang mit anschließendem Abguss in eine Gießform. Bei einem Großteil der Leichtmetallgießereien, insbesondere bei der Anwendung technologischer Schwerkraftgießverfahren erfolgt das Schöpfen und/oder der Abguss häufig noch manuell durch einen Mitarbeiter. Somit hat der Mitarbeiter einen großen Anteil am Prozessverlauf.

Im Grunde wird das Metall in Schmelzaggregaten eingeschmolzen und über Transporttiegel zu Warmhalteöfen transportiert. Zur Ausübung des eigentlichen Gießprozesses steht beim manuellen Prozess dem Mitarbeiter (Gießer) die traditionelle und bewährte Schöpf- und Gießkelle (im Weiteren lediglich als Gießkelle bezeichnet) zur Verfügung. Der Gießer taucht die Gießkelle in die Schmelze des Warmhalteofens, lässt diese kurz im Schmelzbad, schöpft die erforderliche Schmelze aus dem Warmhalteofen, wartet dann häufig noch ein wenig, in dem er beispielsweise die Kelle nochmal (am Rand des Warmhalteofens) absetzt und beginnt gemäß seiner Erfahrung intuitiv "irgendwann" mit dem Formfüllprozess.

Dabei können Unregelmäßigkeiten im Prozess entstehen, was zu unterschiedlichen Eigenschaften während des Abgießens und letztlich im Produkt (Abguss) führen kann. Beispielsweise ist es bislang nicht möglich, die exakten Abgießbedingungen und die damit verbundenen Eigenschaften des flüssigen Materials während des Abgießens zu detektieren. Damit ist es wiederum nicht möglich, die Rückschlüsse zu führen, ob und inwieweit ein teilespezifischer Abgießvorgang ursächlich für Produktfehler ist. Darüber hinaus liegt bislang keine Möglichkeit vor, die alltäglichen, unter Umständen variierenden Umgebungsbedingungen mit dem gefertigten Gussteil in Zusammenhang zu bringen und entsprechende qualitätsrelevante Erkenntnisse zu gewinnen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Hilfsmittel oder ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Analyse beziehungsweise Vereinheitlichung des Gießprozesses von Gussteilen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Gießkelle und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Gießkelle zum Schöpfen und Gießen flüssigen Metalls. Die erfindungsgemäße Gießkelle weist eine Schöpfschale und einen mit der Schöpfschale verbundenem Stiel auf, wobei der Stiel ausgehend von der Schöpfschale längserstreckt ist. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Gießkelle eine einen Sensor zum Messen zumindest eines physikalischen Parameters aufweisende Messeinheit.

Somit ist die erfindungsgemäße Gießkelle eingerichtet während des Gießprozesses zumindest einen physikalischen Parameter zu detektieren. Bei dem Parameter kann es sich ebenso um einen Parameter des flüssigen Materials in der Schöpfschale, wie auch um einen einen Umgebungsparameter messenden Sensor handeln. Je nachdem, um welchen Wert es sich handelt, können durch Vergleichen des Parameters mir Qualitätsparametern des Gussteils Rückschlüsse auf die Zusammenhänge zwischen Qualität und Messwert gezogen werden. Dies ist die Voraussetzung, um einen einheitlichen Abgießprozess zu definieren und letztlich auch zu überwachen.

Somit besteht der Vorteil der erfindungsgemäßen Gießkelle vor allem darin, die Wiederholgenauigkeit der Gieß-/Formfüllungsprozesse über das gesamte Serienlos deutlich zu erhöhen. Dabei kann eine gleichbleibende Qualität über alle Stückzahlen hinweg gewährleistet werden. Der Ausschuss, der aus diskutierenden Aktivbedingungen resultiert, kann mithin deutlich reduziert werden. Damit einher geht auch die Möglichkeit der chargenspezifischen, dokumentierbaren Temperatur-Prozessparameterüberwachung manueller Gieß Vorgänge. Dieser kann insbesondere zum Zeitpunkt der Formfüllung deutlich verbessert werden. Dies führt zu einer Qualitätssicherung und kann somit zum entscheidenden Wettbewerbsvorteil bei der Auftragsgewinnung werden. Aufgrund der Überwachungsmöglichkeiten eignet sich die erfindungsgemäße Gießkelle zudem besonders gut als Schulungswerkzeug und insbesondere als Werkzeug für die Prototypenfertigung. Bei der Prototypenfertigung kann der Bediener noch nicht zwingend auf das hohe Maß an Intuition und Erfahrung zurückgreifen, sodass eine Überwachung der Prozessparameter das Auffinden des besten Prozesses deutlich erleichtert.

Vorliegend handelt es sich bei der Gießkelle bevorzugt um eine manuelle Gießkelle, wobei die erfindungsgemäße Ausgestaltung auch bei halbautomatischen und automatischen Gieß- und Schöpfkellen Anwendung findet.

Der Stiel ist bevorzugt, wie bei einer herkömmlichen Gießkelle, ausgehend von der Schöpfschale als Griff längserstreckt. In anderen, insbesondere halbautomatischen und automatischen Ausgestaltungen ist jedoch teilweise vorgesehen, dass der Stiel als Halterung der Schöpfschale, beispielsweise in gabelförmiger Ausgestaltung oder aber als Standfuß ausgestaltet ist.

In bevorzugter Ausgestaltung ist eine Verbindung zwischen Schöpfschale und Stiel beweglich und/oder lösbar ausgestaltet. Dabei hat eine bewegliche Verbindung insbesondere den Vorteil, dass der Abgießvorgang durch Schwenken oder Kippen der Schöpfschale, beispielsweise durch Lösen einer Arretierung erfolgen kann, während die Position des Stiels unverändert ist. Dies kann insbesondere bei halbautomatischen oder automatischen Ausführungen vorteilhaft sein. Zudem führt der dadurch mögliche modulare Aufbau dazu, dass bei Verschließ nur einzelne Teile, insbesondere die höher beanspruchte Schöpfschale ausgetauscht werden müssen und somit die höher technisierten Module wieder- oder weiterverwendet werden.

Die Schöpfschale ist bevorzugt als regelmäßiger Hohlkörper mit einer offenen Seite ausgestaltet. Der regelmäßige Hohlkörper hat dabei beispielsweise die Grundform einer Halbkugel oder eines Zylinders, wobei Ecken zumindest an einer inneren Oberfläche des Hohlkörpers bevorzugt abgerundet sind, um Anhaftungen und Verunreinigungen zu vermeiden. Zur Erleichterung eines gezielten und örtlich begrenzten Abgießvorgangs weist die Schöpfschale bevorzugt einen Gießabschnitt, beispielsweise in Form einer Rille oder einer Tülle auf. Der Gießabschnitt ist bevorzugt als Ausformung einer Wandung der Schöpfschale im Bereich der Öffnung, also der offenen Seite des Hohlkörpers realisiert.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Sensor auszuwählen ist aus der Gruppe aus Temperatursensor, (Luft-)Drucksensor, (Luft-) Feuchtigkeitssensor, Neigungssensor, Lagesensor und/oder einem taktilen Sensor. Die Messung einer Temperatur der Schmelze in der Schale, insbesondere in regelmäßigen Abständen über den gesamten Prozess hinweg, ermöglicht die Detektion eines der wichtigsten Parameter, da durch die Temperatur der Schmelze wichtige Rückschlüsse auf den Zustand der Schmelze getroffen werden können. Bevorzugt wird die Temperatur der Schmelze, insbesondere im Zeitpunkt des Abgießvorgangs mehrerer Prozesse detektiert und in Hinblick auf die Qualität der im jeweiligen Prozess gefertigten Gussteile ausgewertet. So kann der ideale Abgießzeitpunkt bezogen auf die Temperatur der Schmelze bestimmt und letztlich geregelt werden.

Hierzu ist daher in bevorzugter der Erfindung vorgesehen, dass zumindest ein Temperatursensor mit Messkontakt zu einer dem Schöpfraum der Schöpfschale zugewandten Oberfläche der Schöpfschale, also einer Oberfläche, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch mit dem flüssigen Metall in Kontakt steht, an der Gießkelle angeordnet ist. Zur gleichmäßigen Bestimmung der Temperatur für die gesamte in der Schöpfschale befindliche Schmelze weist die Oberfläche bevorzugt mehrere, insbesondere gleichmäßig verteilte Temperatursensoren auf.

Alternativ oder zusätzlich durchdringt, beispielsweise in Form eines Dorns zumindest ein Sensor die Oberfläche und hat somit bei bestimmungsgemäßem Gebrauch Kontakt zur Schmelze.

Mit Vorteil weist die erfindungsgemäße Gießkelle daher, insbesondere zusätzlich zum Temperatursensor einen Sensor auf, der eine Kellenbewegung und mithin den Abgießzeitpunkt detektiert. Ein solcher Sensor ist beispielsweise ein Neigungs-, ein Lage- oder ein taktiler Sensor.

Alternativ oder zusätzlich kann ein Mess- oder Bestätigungsmittel, beispielsweise am Stiel der Gießkelle vorgesehen sein, welches ein Signal, beispielsweise in Form des Drückens eines Tasters oder Knopfes detektiert, welches bei manueller Arbeitsweise mit der Gießkelle durch den Bediener betätigt wird.

Mit anderen Worten ist bevorzugt, dass der Stiel einen Griff oder Halteabschnitt aufweist, an dem eine zur Messeinheit zuordenbare Bestätigungseinheit zum Bestätigen eines Gießvorgangs angeordnet ist.

Es hat sich gezeigt, dass der ideale Abgießzeitpunkt nicht einzig durch die Temperatur der Schmelze bestimmt wird, sondern vielmehr durch weitere Faktoren, insbesondere Umgebungsfaktoren, beeinflusst wird. Daher ist es von Vorteil, wenn die Kelle, insbesondere auf einer von der Schmelze abgewandten Oberfläche der Schöpfschale und/oder des Stiels einen Luftdrucksensor und/oder einen Luftfeuchtigkeitssensor aufweist.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messeinheit eine Auswerteeinheit (umfassend eine Rechen- und/oder (Micro- )Controllereinheit), eine Anzeigeeinheit und/oder eine Speichereinheit aufweist, welche mit dem mindestens einen Sensor signalleitend verbunden ist oder sind und kontinuierlich oder in regelmäßigen zeitlichen Intervallen von dem mindestens einen Sensor gemessene Werte in der Speichereinheit gespeichert und/oder mittels der Ausgabeeinheit ausgegeben werden. Dies ermöglicht die Verarbeitung der Messwerte innerhalb der Gießkelle. Folglich ist es nicht erforderlich, während des gesamten Prozesses eine Verbindung zu einer externen Steuer- oder Speichereinheit vorzusehen. Zudem ermöglicht eine Ausgabeeinheit die zeitgenaue Überwachung des Prozesses durch den Bediener. Letztlich kann damit, je nach Ausgestaltung der Auswerte- und Ausgabeeinheit eine Warnung bei einem Über- und/ oder Unterschreiten eines vorbestimmten kritischen Werts, insbesondere einer vorbestimmten Temperatur, sowie eine Steuer- oder Regelung, insbesondere des Abgießvorgangs erfolgen. Die erfindungsgemäße Gießkelle ermöglicht eine Qualitätsüberwachung des Prozesses sowie die nachträgliche Nachvollziehbarkeit entstandener Produktmängel in Einheit mit einem Nachziehen des Prozesses. Zudem ist eine Archivierung der Messdaten möglich.

Bevorzugt sind Auswerte-, Speicher- und/oder Anzeigeeinheit am Stiel angeordnet, insbesondere abgewandt von der Schöpfschale angeordnet, da dies eine schädliche Einwirkung der hohen Schmelztemperaturen durch Wärmestrahlung verhindert oder zumindest reduziert.

Alternativ oder zusätzlich werden die elektrischen Komponenten bevorzugt thermisch abgeschirmt um schädliche Einflüsse zu verhindern oder zumindest zu reduzieren.

Die Ausgabeeinheit ist bevorzugt eingerichtet, ein visuelles, haptisches und/oder akustisches Signal auszugeben. Hierfür sind beispielsweise ein Display, ein Vibrations- und/oder ein Tongeber vorgesehen.

Mit besonderem Vorteil ist eine Position der Auswerte-, Speicher- und/ oder der Ausgabeeinheit frei verschiebbar ausgestaltet. Dies ermöglicht eine auf den jeweiligen Bediener abgestimmte ergonomische Positionierung.

Mit Vorteil ist die Messeinheit mit einer externen Speichereinheit und/oder einer externen Ladeeinheit verbunden. Dies ermöglicht eine Sammlung und komplexere Auswertung der Daten mehrerer Prozesse. Die Verbindung ist bevorzugt lösbar und beispielsweise in Form einer NFC- (near field communication)-Schnittstelle und/oder einer Steckverbindung wie USB- Anschlüssen realisiert oder realisierbar. Für die Ladeeinheit kann alternativ oder zusätzlich eine Induktionseinheit vorgesehen sein.

Insbesondere bei Kombination der zuvor genannten Ausführungsformen und Merkmale eignet sich die erfindungsgemäße Gießkelle besonders gut, um in eine bestehende betriebliche, insbesondere digitale Infrastruktur integriert zu werden, wobei die erfindungsgemäße Gießkelle ebenso in Form einer Insellösung autark einsetzbar ist. In weiter bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gießkelle ist vorgesehen, dass die Schöpfschale, insbesondere auf einer dem Innenraum der Schöpfschale abgewandten Oberfläche, also Oberfläche auf einer bei bestimmungsgemäßem Gebrauch dem flüssigen Metall abgewandten Seite eine vollflächig angeordnete Isolierung aufweist. Dies stellt in erster Linie eine homogene Temperaturverteilung innerhalb der Schmelze sowie eine verlangsamte und gleichmäßige Abkühlung derselben sicher. Zudem wird eine Wärmestrahlung in die Umgebung und mithin auf den Bediener und weitere Teile der Messeinheit reduziert.

Mit Vorteil umfasst die Isolierung ein keramisches Material, insbesondere eine technische Keramik. Bevorzugt sind Materialien welche Oxid- oder Silikatkeramiken, insbesondere Calciumsilikat aufweisen oder aus einer solchen bestehen, beispielsweise die als MonaLite ® erhältliche technische Keramik. Alternativ oder zusätzlich weist die Isolierung Keramikfasern auf. Geeignete Schichtdicken für die Isolierung liegen im Bereich von 5 bis 40mm, bevorzugt 10 bis 30 mm, weiter bevorzugt 1 5 bis 25mm.

Das Material der Schöpfschale stellt hohe Anforderungen an eine thermische Stabilität, zeigt einen hohen Schmelzpunkt und ist nicht verformbar. Geeignete Materialien umfassen einen Eisenguss, Stahl und oder spezielle Kunststoffe. Vorliegend hat sich ein Hybrid aus Gusseisen und Kunststoff als besonders geeignet erwiesen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Fertigen eines Gussteils, insbesondere eines Metallgussteils unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Gießkelle. Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf, welche bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden.

Zum einen umfasst das Verfahren ein Schöpfen des zu gießenden Materials, also ein Füllen der Schöpfschale mit flüssigem Metall oder Kunststoff durch Tauchen der Schöpfschale in eine Schmelze. Diese befindet sich bevorzugt in einem Warmhaltegefäß. Dabei wird die Temperatur der Schmelze in der Schöpfschale, insbesondere wiederholt, aber zumindest zum Zeitpunkt des Abgusses detektiert.

Die gemessene Temperatur wird in einer internen oder externen Speichereinheit gespeichert und/oder ausgegeben. Bevorzugt erfolgt die Ausgabe sekundengenau.

Mit Vorteil wird der Abgießvorgang durch Betätigung einer Bestätigungseinheit oder durch einen Lage- und/oder Neigungssensor detektiert.

Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Ausgabe eines akustischen, haptischen und/oder visuellen Signals bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur (Solltemperatur) der in der Schöpfschale befindlichen Metallschmelze und/oder beim Über- oder Unterschreiten einer solchen.

Dabei wird die Solltemperatur unter anderem in Abhängigkeit von durch weitere Sensoren bestimmte Umgebungsbedingungen wie Luftdruck und Luftfeuchtigkeit ermittelt und mithin die vorbestimmte Temperatur bei Variation der Umgebungsbedingungen neu bestimmt.

Die beschriebenen Ausführungsformen sind, sofern im Einzelfall nicht anders beschrieben mit Vorteil miteinander kombinierbar. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer exemplarischen Figur genauer beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Gießkelle in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gieß-oder Schöpfkelle 10 in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Gießkelle 10 ist in der gezeigten Ausführung als längserstreckte, manuell verwendbare Gießkelle 10 ausgestaltet. An einem Ende weist die Gießkelle 10 eine Schöpfschale 3 auf. Ausgehend von dieser Schöpfschale 3 erstreckt sich ein Stiel 6.

Die Schöpfschale 3 weist in der gezeigten Ausführungsform eine halbkugelförmige äußere Form auf, welche an einer Kante einen rinnenförmigen Ausguss aufweist. An einer dem Innenraum der Halbschale zugewandten Oberfläche, also im konkreten Fall auf der konkaven Seite der Schöpfschale 3, ist eine Mehrzahl an Temperatursensoren 1 angeordnet. Diese Temperatursensoren sind bevorzugt gleichmäßig verteilt. Je nach verwendeten Sensortyp sind diese derart in die Oberfläche integriert, dass sie bei bestimmungsgemäßem Gebrauch direkten, oder nur mittelbaren Kontakt mit der Schmelze haben. Mit anderen Worten wird die Temperatur der Schmelze entweder durch direkten Kontakt der Schmelze mit dem Temperatursensoren 1 oder Übermessung der Temperatur des Oberflächenmaterials auf der konkaven Seite der Schöpfschale 3 gemessen. Die Schöpfschale 3 weist zudem auf einer der Schmelze abgewandten Seite, also auf der konvexen Außenseite bevorzugt eine Isolierung 2 auf. Die Isolierung 2 umfasst ein keramisches Material, beispielsweise ein keramisches Oxid oder ein keramisches Silikat, wie Calciumsilikat, welches auch bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise metallische Schmelzen aufweisen aufgrund ihres sehr niedrigen Wärmeleitwertes eine hohe thermische Isolierung ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich weist die Isolierung 2 keramische Fasern und/oder thermisch isolierende Kunststoffe auf. Als besonders effizient für die Anwendung im Leichtmetallguss hat sich eine Mischung aus Calciumsilikat und einem thermisch isolierenden Kunststoff erwiesen.

Je nach verwendetem Material ist die Isolierung 2 als Beschichtung bevorzugt vollflächig auf der Schöpfschale 3 mit einer Schichtdicke im Bereich von 5 bis 40 mm, insbesondere 10-30 mm aufgetragen.

Die Schöpferschale 3 ist mit dem Stiel 6 bevorzugt über eine lösbare und oder dreh-, bzw. schwenkbare Verbindung 9 verbunden. Für die Benutzung im manuellen Betrieb, wie es in der gezeigten Ausführungsform der Fall ist, ist die Verbindung lösbar, aber fest ausgeführt. Bei der automatischen oder halbautomatischen Fertigung hingegen können auch dreh- oder schwenkbaren Verbindungen sinnvoll sein, insbesondere, wenn der Abgießprozess automatisiert stattfindet. Die Verbindung weist in beweglicher Ausführung bevorzugt eine Arretierung auf. Der Stiel 6 und/oder die Verbindung 9 sind bevorzugt aus einem Material gefertigt oder zumindest mit einem Material beschichtet, welches eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Die Gießkelle 10 weist eine Meßeinheit 4 auf, zu der auch die bereits beschriebenen Temperatursensoren 1 zählen. Die Meßeinheit 4 weist bevorzugt neben den Temperatursensoren weitere Sensoren, wie beispielsweise taktile Sensoren, Neigungssensoren zur Detektion einer Kellenbewegung sowie Sensoren zur Messung von Umgebungsparametern, die beispielsweise Luftdrucksensoren und/oder Feuchtigkeitssensoren auf. Diese sind beispielsweise am Griff, also am in Bezug auf die Schöpfschale 3 anderen Ende des Stiels 6 angeordnet. Zur Speicherung und/oder Verarbeitung der gemessenen Werte kann die Gießkelle 10 eine interne Auswerte- und Speichereinheit 4 aufweisen, die dann bevorzugt im Stiel 6 angeordnet ist. Alternativ können die gemessenen Parameter direkt an eine externe Auswerte-und Speichereinheit übergeben werden. Eine derartige Übergabe erfordert eine signalleitende Verbindung, wie sie beispielsweise in Form einer elektrischen Steckverbindung oder aber einer kabellosen Verbindung 7, insbesondere auf Basis der NFC erfolgt. Gleiches gilt für eine elektrische Beladung der technologischen Einheiten der Meßeinheit 4 und im Besonderen auch für eine Speichereinheit 8. Bei der Speichereinheit 8 handelt es sich bevorzugt um eine externe Speichereinheit 8, da dies die Erfassung und insbesondere visuelle Aufbereitung der Sicherung der Daten ermöglicht. Dies ist insbesondere bei halbautomatischen und automatischen Gießkellen vorteilhaft, da sie somit an den Arbeitsplätzen zeitgenau ausgegeben werden können.

Zudem umfasst die Meßeinheit 4 bevorzugt eine Ausgabeeinheit, beispielsweise in Form eines Displays. Insbesondere im manuellen Betrieb der Gießkelle 10 ist die Ausgabeeinheit an der Gießkelle 10 direkt angeordnet oder aber in einem für den Bediener visuell leicht zugänglichen Bereich, wie beispielsweise einem auf Augenhöhe angeordneten Monitor oder aber in einer AR-Bril le . Bezugszeichenliste

10 Gieß- oder Schöpfkelle

1 Temperatursensoren

2 Isolierung, isolierende Beschichtung

3 Schöpfschale

4 Meßeinheit

4a Anzeige-/Auswerteeinheit

5 Bestätigungseinheit/taktile Sensor, Druckknopf

6 Stiel

7 signalleitende Verbindung, drahtlose Verbindung, NFC-

Verbindung

8 externe Steuereinheit

9 Verbindung zwischen Schöpferschale und Stil