Derartige Verfahren und Vorrichtungen, die üblicherweise als Giessverfahren bzw.

Giessanlagen bezeichnet werden, sind seit langem bekannt. Letztendlich geht es stets darum, das zunächst ohne definierte Form/Gestalt vorliegende flüssige oder pastöse Material in eine Giessform zu überführen, wobei das Material umgeformt wird und wäh- rend oder nach der Formgebung durch Erstarren in den festen Zustand gebracht wird.

Für den stofflichen Zusammenhalt des Gussteils ist es wichtig, dass dieses möglichst homogen ist. Deshalb müssen auch schon die flüssige oder pastöse Masse vor dem Erstarren und die Erstarrungsbedingungen bzw. Kristallisationsbedingungen möglichst homogen sein.

Wichtige Giessverfahren sind das Kokillengiessen, insbesondere das Niederdruck- Kokillengiessen, das Druckgiessen, das Schleudergiessen und das Stranggiessen.

Beim Kokillengiessen wird eine üblicherweise aus Stahl oder Gusseisen bestehende ruhende Dauerform im allgemeinen drucklos gefüllt. Die Gestalt des Gussstücks wird durch die Gussform bestimmt. Beim Vollkokillengiessen werden auch ebenfalls übli- cherweise aus Stahl oder Gusseisen bestehende Gussformkerne verwendet.

Beim Niederdruck-Kokillengiessen wird die Form über ein Steigrohr von unten mit ge- ringem Überdruck oder elektromagnetisch gefüllt. Nach dem relativ langsamen"ruhi- gen"Füllen erstarrt das Gussteil unter dem Überdruck.

Beim Druckgiessen wird die Schmelze oder Paste maschinell unter hohem Druck und mit grosser Geschwindigkeit in eine genau gefertigte metallische Dauerform gepresst.

Der Druck wird bis zum Ende des Erstarrens aufrechterhalten. Im Gegensatz zum Kokil- lengiessen eignet sich das Druckgiessen besonders gut für relativ dünnwandige Gussteile.

Beim Schleudergiessen wird die Schmelze in eine um ihre Achse rotierende rohr-oder ringförmige Kokille geführt, in der sie unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft erstarrt.

Übliche Gussteile sind Ringe, Rohre, Büchsen und Zylinder, insbesondere auch Rip- penzylinder.

Beim Stranggiessen werden Teile mit konstanter Querschnittsform und beliebiger Län- ge, wie z. B. Voll-oder Hohlprofile, hergestellt. Dabei wird die Schmelze in eine beidsei- tig offene Kokille gegossen. In der Kokille kühlt die Schmelze so weit ab, dass sich eine tragfähige Aussenschale am Gussteil bildet. Der teilerstarrte Strang wird kontinuierlich aus der Kokille gezogen.

Das Druckgiessen zeichnet sich unter den genannten Giessverfahren dadurch aus, dass es sich neben dem Giessen flüssiger Materialien auch besonders gut für das "Giessen"pastöser Materialien eignet, in denen feste Partikel, insbesondere im kristalli- nen oder teilkristallinen Zustand vorliegen. Das Druckgiessen eignet sich besonders gut zur Herstellung von Gussteilen aus Aluminium oder aus Aluminium/Magnesium- Legierungen.

Häufige Probleme bei den genannten Giessverfahren sind Entmischungs-und Sedi- mentationsvorgänge sowie die ungleichmässige Entgasung der Schmelze. Dies führt zu inhomogenen Gussteilen oder sogar zu Gussteilen mit unkontrollierten Hohlräumen.

Des weiteren ist die Kontrollierbarkeit der Konzentration, Verteilung und Grösse der Erstarrungs-bzw. Kristallisationskeime in der Regel nur mangelhaft, was zu einer un- gleichmässigen Kornstruktur, d. h. einer inhomogenen Kornfeinheit des Gussteils führt.

Ein weiteres Problem ist die Wandreibung des flüssigen oder pastösen Materials, die zu einer ungleichmässigen Geschwindigkeitsverteilung beim Eindosieren des Materials in die Gussform und somit zu einer Verungleichmässigung der Verweilzeit im Einfüll-und Dosierungsbereich, aber auch in den verschiedenen Bereichen der Gussform innerhalb der Giessanlage führt. Insbesondere beim Druckgiessen relativ dünnwandiger und zum Teil filigraner Gussteile hat die Wandreibung einen starken Einfluss auf das Fliessver- halten der Schmelze oder Paste innerhalb der Gussform. Um eine vollständige und ra- sche Befüllung der Gussform zu erzielen, ist daher ein relativ hoher Fülldruck erforder- lich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Probleme des Stands der Technik zu lösen oder ihre negativen Auswirkungen zumindest zu verringern.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung verfahrensmässig dadurch gelöst, dass man bei dem eingangs geschilderten Verfahren das Material vor und/oder während des Um- formens und/oder Erstarrens zumindest in Teilbereichen zu Schwingungen anregt.

Die Schwingungsanregung kann in einem Erhitzungs-bzw. Temperierbereich, in einem Entgasungsbereich oder in einem Filtrierbereich erfolgen.

Das Material kann eine Metallschmeize, insbesondere eine mindestens Aluminium oder Magnesium enthaltende Schmelze sein, die in einem Schmeizofenbereich hergestellt wurde, oder es kann eine Polymerschmeize, insbesondere eine PET aufweisende Schmelze sein, die in einem Extruderabschnitt geschmolzen wurde. Vorzugsweise er- folgt aber die Formgebung in einer Giessform. Das flüssige oder pastöse Material kann zusätzlich Partikel und/oder Blasen enthalten.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung erfolgt die Schwingungsanregung durch mindestens eine Schwingungsquelle für mechanische Schwingungen, wobei die Schwingungsanregung grossflächig über mindestens ein mit der Schwingungsquelle gekoppeltes grossflächiges Element erfolgt. Dadurch lässt sich eine relativ homogener Schwingungszustand über das gesamte Volumen des erstarrenden Gussteils erzielen.

Dies ermöglicht eine gezielte Beeinflussung des gesamten Volumens der erstarrenden Schmelze oder Paste. Zweckmässigerweise ist das grossflächige Element eine an das umzuformende Material grenzende Innenfläche (Grenzfläche) eines Anlagen-bzw. Ma- schinenteils der Giessanlage. Durch die Beeinflussung des gesamten Fluidvolumens erfolgt eine Kompaktierung des Materials, so dass die Masshaltigkeit beim Abkühlen verbessert wird, d. h. eine geringere Schrumpfung des Materials nach dem Erstarren erfolgt.

Die Schwingungsanregung kann dabei derart erfolgen, dass die Schwingung der Innen- fläche mindestens eine zur Grenzfläche tangentiale Komponente aufweist. Durch die tangentiale Komponente lässt sich der Einfluss der Wand, insbesondere die Wandhaf- tung bzw. Wandreibung verringern, was zu einer höheren Geschwindigkeit der Schmel- ze bzw. der Paste im Bereich der Wand führt, so dass man sich dem Ideal der reinen Pfropfenströmung annähert. Da sich diese Transversalwellen (Querwellen) in einem Fluid praktisch nicht ausbreiten können, sind sie auf den Wandbereich begrenzt.

Wenn hingegen die Schwingungsanregung derart erfolgt, dass die Schwingung der In- nenfläche mindestens eine zur Grenzfläche normale Komponente aufweist, erfolgt eine Ausbreitung von Longitudinalwellen (Längswellen) ins Innere der Schmelze oder Paste.

Indem man sowohl tangential und normal zur Wand jeweils mit spezifischen Schwin- gungsfrequenzen anregt, kann man gezielt sowohl auf die Grenzfläche der Schmelze oder Paste zur Gussform-Innenfläche als auch auf das Innere der Schmelze oder Paste einwirken.

Vorteilhafterweise erfolgt die Schwingungsanregung derart, dass an der Grenzfläche Oberflächenwellen gebildet werden. Ähnlich wie die Transversalwellen ermöglicht auch dies ein auf die Grenzfläche beschränkte lokale Einwirkung auf das Fluid (Schmelze oder Paste), wodurch die Wandhaftung bzw. Wandreibung des Fluids ebenfalls verrin- gert werden kann.

Die das umzuformende Material berührende Grenzfläche kann die Innenwand eines Transportkanals für das Material sein.

Die Schwingungsanregung kann aber auch punktuell über mindestens ein mit der min- destens einen Schwingungsquelle gekoppeltes punktuelles Element erfolgen. Eine der- artige punktuelle Schwingungsanregung ist z. B. in Totbereichen und anderen für das Fluid schwer zugänglichen Bereichen, wie z. B. spitzen Ecken, Kanten oder filigranen Verzweigungen der Gussform hilfreich, um dort das Fliessen des Fluids und somit ein vollständiges Füllen der Gussform zu erleichtern.

Bei der Schwingungsanregung kann mit vorbestimmten Frequenzen bzw. in vorbe- stimmten Frequenzbereichen gearbeitet werden. Ebenso kann auch mit vorbestimmten Amplituden bzw. in vorbestimmten Amplitudenbereichen gearbeitet werden. Insbeson- dere kann die Schwingungsanregung durch mindestens einen auf das Material einwir- kenden Schlagimpuls erfolgen. Dadurch erhält man ein breites Frequenzspektrum. Um eine ausreichende Intensität und Einwirkung über einen längeren Zeitraum zu gewähr- leisten, kann die Schwingungsanregung durch mehrere aufeinanderfolgende Schlagim- pulse z. B. pulsierend erfolgen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Falle einer pulsierend erfolgenden Umformung z. B. beim Druckgiessen die Pulsierung der Schwingungsanregung zu der Pulsierung der Umformung in einer vorbestimmten Beziehung steht. Zweckmässigerweise verlau- fen dabei die Pulsierung der Umformung und die Pulsierung der Schwingungsanregung synchron zueinander. Durch die Druckstösse und die gleichzeitigen Schwingungsstösse wird das Fluid während des Komprimierens"durchgeschüttelt". Dadurch lässt sich ein dichteres Gefüge im erstarrenden Material und somit eine bessere Qualität des Guss- teils erzielen. Die Pulsierung kann z. B. durch eine pulsierende Frequenzmodulation der Anregungsfrequenz und/oder eine pulsierende Amplitudenmodulation der Anregungs- amplitude erfolgen. Je nach Bedarf oder akzeptablem Aufwand verwendet man dabei kontinuierliche Frequenz-und Amplitudenverteilungen oder eine bzw. mehrere diskrete Frequenzen oder Amplituden.

Vorzugsweise erfolgt bei dem erfindungsgemässen Giessverfahren eine unterschiedli- che Schwingungsanregung je nach Verfahrensschritt bzw. Anlagenabschnitt. So kann z. B. örtlich spezifisch die Schwingungsbeeinflussung der Grenzfläche des Fluids beim Eindosieren in die Gussform dominieren, während in relativ grossräumigen Bereichen der Gussform die Schwingungsbeeinflussung im Fluidvolumen dominiert. In relativ engräumigen Bereichen der Gussform kann dann wieder die Beeinflussung der Flu- idgrenzfläche dominieren. Ähnlich kann auch zeitlich spezifisch, d. h. den Erstarrungs- bzw. Kristallisationsvorgang zeitlich"begleitend"die Schwingungsanregung der jeweili- gen Phase der Erstarrung bzw. Kristallisation angepasst erfolgen.

Als Schwingungsquelle kann auch eine Giessanlagen-Innenwand mit periodisch struk- turierter, z. B. gewellter, geriffelter oder gerippter Oberfläche verwendet werden, an der das Fluid entlang strömt. Dadurch entstehen durch"Selbstanregung"periodische Pulsa- tionen, die sich im ganzen Fluid ausbreiten. Es können auch verschiedene Innenwand- bereiche mit einer jeweils anderen periodischen Strukturierung (räumliche Frequenz) ausgestattet sein. Dadurch entsteht in dem Fluid eine Überlagerung aus Pulsationen mehrerer Frequenzen, die den jeweiligen räumlichen Frequenzen der entsprechenden Oberflächenstruktur entsprechen. Die periodischen Strukturierungen mit verschiedenen räumlichen Frequenzen können auch in ein und demselben Innenwandbereich überla- gert angeordnet sein. So kann z. B. eine grobe periodische Struktur (räumliche Grund- frequenz) für relativ niederfrequente Pulsationen zum Losreisen dendritischer Kristall- gebilde von temperierten Innenwandbereichen ausgelegt sein, während eine ihr überla- gerte feine periodische Struktur derart ausgelegt sein kann, dass die durch sie hervor- gerufenen relativ hochfrequenten Pulsationen für die Beeinflussung der rheologischen Eigenschaften des Fluids (Wandreibung, Scherviskosität, etc. ) in Frage kommen.

Als weitere, ebenfalls nach dem Prinzip der"Selbstanregung"wirkende Schwingungs- quelle können auch hydrodynamische Instabilitäten, wie z. B. zyklische Strömungsabris- se oder zyklische Wirbelabrisse des Fluids genutzt werden, wodurch ebenfalls zyklische Pulsationen entstehen. Hierfür können in das strömende Fluid ragende Hindernisse oder abgestufte, insbesondere asymmetrische Verengungen eines Strömungskanals in der Giessanlage vorgesehen sein.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird das Material während des Umformens und/oder Erstarrens zumindest in Teilbereichen mit Kristallisationskeimen geimpft. Auf diese Weise lässt sich die Kristallisation der Schmelze gezielt beeinflussen.

Die Kristallisationskeime können Kristallite des umzuformenden Materials aufweisen.

Dadurch wird eine in manchen Fällen ungewollte Verunreinigung des Gussteils verhin- dert. Alternativ können die Kristallisationskeime aber auch Partikel aus einem von dem umzuformenden Material unterschiedlichen Material aufweisen. Damit kann neben der Beeinflussung der Kristallisation auch eine gezielte Verunreinigung des Gussteils er- reicht werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die benötigten Kristallisationskeime in der Schmelze selbst z. B. an einer temperierten Innenwand (Temperaturgradient) der Giessanlage oder in einem Bereich hoher Scherung (Schergradient) in der Schmelze erzeugt wer- den. Zweckmässigerweise verwendet man für die Erzeugung der Kristallite eine Kombi- nation aus hohem Temperaturgradienten und hohem Schergradienten. Dies lässt sich z. B. erreichen, indem man im Bereich eines stark gekühlten Innenwandabschnitts der Giessanlage, vorzugsweise stromauf von der eigentlichen Gussform im Zudosierungs- bereich, eine stark gescherte Schmelzeströmung erzeugt. Durch die Scherwirkung wird einerseits die spontane Kristallisation im Schergradienten begünstigt, andererseits aber auch ein Abreissen und Zerkleinern dendritischer Kristallgebilde begünstigt, die im Temperaturgradienten von der temperierten Wand in die Schmelze wachsen. Das Los- reissen derartiger Dendriten von der Wand kann durch zusätzliches Pulsieren der Schmelzeströmung begünstigt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schmelze Fremdpartikel, insbesondere Fasern wie z. B. Kohlefasern, ggf. mit modifizierter Oberfläche, oder Nanopartikel, hinzugege- ben werden. Diese Suspension kann einen Volumenanteil an Fremdpartikeln im Bereich von etwa 0, 01% bis etwa 80% aufweisen. Die theoretische Obergrenze des Volumen- anteils der Fremdpartikel wird durch die dichteste Packung z. B. kugelähnlicher Partikel gebildet, wobei in diesem Grenzfall eine teilweise dünne Schicht des Schmelzemateri- als zwischen den Fremdpartikeln gerade noch die kontinuierliche Phase bildet. Je nach der Beschaffenheit der festen Partikel können sogar gelartige oder kolloidartige Fluid- zustände hergestellt werden. Anstelle fester Fremdpartikel können aber auch flüssige Fremdpartikel, d. h. Tröpfchen, in der Schmelze vorhanden sein (Emulsion), wie es z. B. bei nicht-mischbaren Legierungen der Fall ist. Durch Hinzugabe oberflächenaktiver spezifischer Substanzen, die sich an der Grenzfläche zwischen den Tröpfchen (diskon- tinuierliche Phase) und der Schmelze (kontinuierliche Phase) anlagern, kann der emul- gierte Zustand stabilisiert werden und einer Entmischung, d. h. Phasentrennung, vorge- beugt werden.

Die Kristallisationskeime können verkapselte Kristallite oder Kristallit-Agglomerate ent- halten, wobei die Verkapselung vorzugsweise aus einer Substanz besteht, die sich in dem kristallisierbaren flüssigen oder pastösen Material während des Umformens und/oder Erstarrens auflöst, so dass die Kristallite bzw. die Kristallit-Agglomerate in dem umzuformenden Material exponiert werden und zur Kristallisierung des Materials bei dessen Erstarrung beitragen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird dem Material vor und/oder während seiner Umformung zumindest zeitweise eine Dehnströmung mit einer Absenkung des Fluiddruckes im Dehnbereich aufgeprägt, und zwar vorzugsweise indem man das Mate- rial vor und/oder während seiner Umformung durch mindestens einen kanalartigen Be- reich mit mindestens einer Querschnittsverengung transportiert. Alternativ oder zusätz- lich kann dem Material vor und/oder während seiner Umformung auch zumindest zeit- weise eine Scherströmung aufgeprägt werden, und zwar vorzugsweise indem man das Material vor und/oder während seiner Umformung durch mindestens einen kanalartigen Bereich (z. B. Schlitz oder Düse) mit hohem Schergefälle transportiert. Als weitere Alter- native oder zusätzlich kann dem Material vor und/oder während seiner Umformung auch zumindest zeitweise eine Druckströmung mit einer Anhebung des Fluiddruckes im Druckbereich aufgeprägt werden, und zwar vorzugsweise indem man das Material vor und/oder während seiner Umformung durch mindestens einen kanalartigen Bereich mit mindestens einer Querschnittserweiterung transportiert. Durch die Dehnströmung, Scherströmung oder Druckströmung können Agglomerate, wie z. B. agglomerierte Fremdkörper oder agglomerierte Kristalle desagglomeriert oder dendritische Kristallge- bilde von einer Wand abgelöst werden. Hierdurch wird eine Vergleichmässigung der Partikeigrössen der Fremdkörper oder der Kristalle und gleichzeitig eine Erhöhung der Gesamtzahl derartiger Partikel in dem Fluid erzielt.

Vorzugsweise werden dem Material vor und/oder während seiner Umformung nachein- ander abwechselnd Dehnströmungen, Scherströmungen oder Kompressionsströmun- gen, insbesondere durch mindestens eine Querschnittsverengung, durch mindestens einen Bereich mit hohem Schergefälle (Spalt) bzw. durch mindestens einen Bereich mit Querschnittserweiterung, aufgeprägt. Durch dieses verschiedenartige"Strapazieren" des Fluids können auch verschiedenartige Agglomerate in dem Fluid weitgehend de- sagglomeriert werden.

Wenn das Material ein mehrphasiges Fluid mit mindestens einer kompressiblen Kom- ponente ist, kann ihm eine Kompressionsströmung oder eine Expansionsströmung auf- geprägt werden, bei der eine Kompression bzw. Expansion der kompressiblen Kompo- nente erfolgt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung erfolgt die Schwingungsanregung derart, dass zumindest im Bereich der Giessform vor und während des Erstarrens ein Interfe- renzmuster mit Schwingungsbauch-Bereichen und Schwingungsknoten-Bereichen ent- steht, wobei das Interferenzmuster vorzugsweise über das gesamte Volumen der Giessform dreidimensional ausgebildet wird. Auf diese Weise kann eine gezielte Anrei- cherung oder Abreicherung bestimmter Partikel in den Bereichen der Schwingungsbäu- che erfolgen, solange das Fluid noch nicht erstarrt ist. So können z. B. Kristallite des Fluidmaterials oder Fremdpartikel in einer Metall-oder Kunststoffschmelze oder ver- schiedene Metallatome in einer Legierung umverteilt und insbesondere in gewissen Be- reichen angereichert bzw. abgereichert werden. Dem Gussteil können dadurch ähnlich wie bei Verbundmaterialien gezielt Eigenschaften aufgeprägt werden ("Quasi- Verbundmaterial").

Vorzugsweise wird das Interferenzmuster vor dem Erstarren des Fluids, z. B. durch Ver- änderung der relativen Phasen mehrerer Schwingungsquellen, örtlich verschoben und/oder verzerrt. Dadurch wird ein Mischeffekt erzeugt. Zumindest wird aber eine Entmischung weitgehend verhindert. Zweckmässigerweise wird darauf geachtet, dass das Interferenzmuster zumindest zu Beginn und während des Erstarrens örtlich unver- ändert bleibt. Dadurch wird zumindest verhindert, dass das Gefüge des erstarrenden Fluids unkontrolliert geschwächt wird. Eine gezielte Schwächung des Gefüges in be- stimmten Bereichen des Gussteils kann aber durchaus gewollt sein und wird durch die- se Massnahme ermöglicht. Alternativ oder ergänzend kann auch die Amplitude der An- regungsschwingungen der mehreren Schwingungsquellen während des Umformens und/oder Erstarrens verändert werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wer- den stromab von den Anregungs-Teilbereichen, in denen eine Schwingungsanregung des Materials erfolgt, an mindestens einem Erfassungsbereich rheologische Eigen- schaften (Fliess-und Materialeigenschaften) des Materials erfasst. Vorzugsweise er- folgt in einem ersten Erfassungsbereich stromauf von den Anregungs-Teilbereichen. eine erste Erfassung rheologischer Eigenschaften des Materials und in einem zweiten Erfassungsbereich stromab von den Anregungs-Teilbereichen eine zweite Erfassung rheologischer Eigenschaften des Materials. Dies erlaubt eine Beurteilung der Ergebnis- se und somit der Wirksamkeit der Schwingungsanregung durch Vergleich der rheologi- schen Eigenschaften vor und nach der Schwingungsanregung in den Anregungs- Teilbereichen.

Die Erfassung rheologischer Eigenschaften erfolgt vorzugsweise nicht-intrusiv, z. B. in- dem man zunächst die Fluid-Geschwindigkeitsprofile mittels Ultraschall-Doppler- Methode bestimmt und zusätzlich den Druckunterschied im Bereich des erfassten Ge- schwindigkeitsprofils entlang der Strömungsrichtung misst oder die Fluid- Wandschubspannung mit einem geeigneten Sensor misst. Hieraus lassen sich dann wichtige rheologische Parameter wie z. B. der Strömungsindex beim Potenzgesetz- Modell des Fluids oder die Fliessgrenze des Fluids bestimmen. Zweckmässigerweise werden all diese Schritte während des Umformens und/oder Erstarrens des Materials durchgeführt.

Alternativ oder ergänzend kann die Erfassung rheologischer Eigenschaften des Materi- als mittels eines Kapillar-Rheometers und/oder mittels eines Rotations-Rheometers off- line erfolgen. Dies stellt eine Kontrolle für die in-line durchgeführte nicht-intrusive Vor- gehensweise des vorhergehenden Absatzes dar.

Die Erfassung der rheologischen Eigenschaften des Materials kann auch durch Erfas- sen der Ausbreitungseigenschaften (Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption) mechani- scher Wellen (Erfassungswellen) in dem Material erfolgen. Auf diese Weise kann z. B. die Kristallit-Konzentration in der Schmelze erfasst werden.

Zweckmässigerweise verwendet man für die mechanischen Wellen zur Erfassung der rheologischen Eigenschaften eine andere Frequenz bzw. andere Frequenzen als für die mechanischen Wellen zur Schwingungsanregung in den Anregungs-Teilbereichen. Da- durch lassen sich Verwechslungen am Sensor (Ultraschall-Empfänger) vermeiden.

In Ausnahmefällen können aber die mechanischen Wellen (Ultraschall-Wellen) zur Er- fassung der rheologischen Eigenschaften dieselbe Frequenz bzw. dieselben Frequen- zen haben wie die mechanischen Wellen zur Schwingungsanregung in den Anregungs- Teilbereichen. Dadurch kann der apparative Aufwand (Zahl der Ultraschall-Sender) ge- ring gehalten werden.

Zur Bestimmung rheologischer Eigenschaften des Materials kann die Ausbreitungsge- schwindigkeit der Erfassungswellen bestimmter Frequenz gemessen werden. Inhomo- genitäten oder Eigenschaftsgradienten in dem Material können durch Erfassen des Re- flexionsverhaltens und/oder Beugungsverhaltens der Erfassungswellen bestimmt wer- den. Inhomogenitäten oder Eigenschaftsgradienten in dem Material können auch durch Erfassen des Dämpfungsverhaltens der Erfassungswellen bestimmt werden. Zur Mes- sung der Konzentration von Kristalliten und oder Kristallisationskeimen in dem Material führt man eine Messung der Ultraschall-Geschwindigkeit in dem Material durch und nutzt den Zusammenhang mit der Ultraschall-Geschwindigkeit.

Besonders vorteilhaft erfolgt die Lokalisierung von Kristallisationsfronten in dem erstar- renden Material durch Erfassen des Reflexionsverhaltens und/oder Beugungsverhal- tens der Ultraschallwellen in dem Material.

Zur Bestimmung der Viskositätsfunktion (Scherviskosität) des Materials wird eine Be- stimmung des Geschwindigkeitsfeldes quer zur Transportrichtung in einem Bereich des Materials und eine Bestimmung der Druckdifferenz entlang der Transportrichtung des Materials in dem Bereich und/oder am Rand des Bereichs des Materials durchgeführt (Kombination von Ultraschall-Doppler-Methode und Druckdifferenz-Messung).

Alternativ kann die Bestimmung der Viskositätsfunktion (Scherviskosität) des Materials durch eine Bestimmung des Geschwindigkeitsfefdes quer zur Transportrichtung in ei- nem Bereich des Materials und eine Bestimmung der Schubspannung entlang der Transportrichtung des Materials in dem Bereich und/oder am Rand des Bereichs des Materials durchgeführt werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgt in Abhängigkeit von den erfassten rheologischen Eigenschaften des Fluids eine An- steuerung mindestens einer der folgenden Massnahmen oder physikalischen Grössen zumindest in den Anregungs-Teilbereichen : 1) Schwingungsanregung ; 2) Impfkristallisation ; 3) Förder-Druckdifferenz ; 4) absoluter Druck ; 5) Temperatur.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführung werden die in dem ersten Erfassungsbe- reich stromauf von den Anregungs-Teilbereichen erfassten rheologischen Eigenschaf- ten des Materials und die in dem zweiten Erfassungsbereich stromab von den Anre- gungs-Teilbereichen erfassten rheologischen Eigenschaften des Materials miteinander und/oder mit jeweiligen rheologischen Referenzeigenschaften verglichen, wobei in Ab- hängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs bzw. der Vergleiche eine Rückkopplung innerhalb eines Regelkreises zur Ansteuerung der Schwingungsanregung in den Anre- gungs-Teilbereichen erfolgt.

Die Aufgabe der Erfindung wird gemäss der Erfindung vorrichtungsmässig dadurch ge- löst, dass der eine Heizeinheit, eine Formeinheit, eine Giesseinheit und eine Dosierein- heit aufweisenden Vorrichtung zumindest in Teilbereichen mindestens eine Einheit zur Erzeugung mechanischer Schwingungen zugeordnet ist.

Vorzugsweise weist die Einheit zur Erzeugung mechanischer Schwingungen eine in Schwingungen versetzbare Fläche auf, die mit dem kristallisierbaren flüssigen oder pastösen Material in Wirkverbindung steht, wobei insbesondere die in Schwingungen versetzbare Fläche der Schwingungserzeugungseinheit unmittelbar oder mittelbar an das kristallisierbare flüssige oder pastöse Material angrenzt. Das unmittelbare Angren- zen der in Schwingungen versetzbaren Fläche an das Material ermöglicht das Einleiten von Schwingungen in das Material in einem örtlich definierten und begrenzten Bereich des Materials, während die mittelbare Anordnung Teile der Vorrichtung in Schwingung versetzt (Körperschall), so dass in der Regel eine weniger definierte und örtlich weniger begrenzte Einleitung mechanischer Schwingungen in das Material erfolgt.

Zweckmässigerweise ist bei der erfindungsgemässen Vorrichtung mindestens der Heizeinheit oder der Giesseinheit oder der Formeinheit oder der Dosiereinheit eine Ein- heit zur Erzeugung mechanischer Schwingungen zugeordnet.

Der erfindungsgemässen Vorrichtung kann zumindest in Teilbereichen auch eine Ein- heit zur Einleitung von Kristallisationskeimen in das Material zugeordnet sein. Beson- ders vorteilhaft ist dies im Heizbereich und im Dosierbereich der Vorrichtung, bevor das Material in den Giessbereich und den Formbereich der Vorrichtung gelangt, in denen hohe Drücke auftreten.

Weiterhin kann die erfindungsgemässe Vorrichtung in ihren kanalartigen Bereichen mindestens eine Querschnittsverengung oder eine Querschnittserweiterung entlang der Strömungsrichtung des Materials aufweisen und/oder einen Schlitz oder eine Düse aufweisen. Dies ermöglicht die Erzeugung der weiter oben erwähnten Dehnströmun- gen, Druckströmungen oder Scherströmungen in dem Material.

Bei einer weiteren Ausführung können dem mindestens einen Teilbereich der Vorrich- tung, insbesondere aber der Formeinheit, mehrere voneinander beabstandete Einheiten zur Erzeugung mechanischer Schwingungen zugeordnet sein. Dadurch lassen sich z. B. die weiter oben erwähnten Interferenzmuster bzw. dreidimensionale stehenden Wellen in dem mit Material gefüllten Formhohlraum vor der Verfestigung des Materials erzeu- gen.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemässe Vorrichtung in mindestens einem ihrer Teil- bereiche auch noch eine Einheit zur Erfassung rheologischer Eigenschaften des in ihr befindlichen Materials auf. Dies ermöglicht eine Überwachung und bei Bedarf eine Steuerung und/oder Regelung der rheologischen Eigenschaften des Materials während seiner Verarbeitung in der erfindungsgemässen Vorrichtung.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine der Formhälften Ausstossstifte auf- weist, von denen mindestens einer durch eine Schwingungserzeugungseinheit in me- chanische Schwingungen versetzbar ist. Da die Ausstossstifte sowieso mit der Schmel- ze in Berührung stehen und in manchen Fällen sogar in die Schmelze und somit in das später erstarrte Gussteil hineinragen, kann eine besonders gute Verteilung der mecha- nischen Schwingungsenergie in der Schmelze erzielt werden.

Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung, insbesondere bei einer Druckgiessanlage, ist ein Angusssystem zwischen der Schusseinheit und dem Formhohlraum angeordnet, wobei dem Angusssystem mindestens eine Schwingungserzeugungseinheit zugeordnet ist, mit der eine Konditionierung der Schmelze kurz vor dem Eintritt in den Formhohl- raum möglich ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend aufzufassenden erfin- dungsgemässen Ausführungsbeispiels anhand einer einzigen Figur.

In der Figur ist eine Kaltkammer-Druckgiessmaschine als veranschaulichendes Beispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung schematisch gezeigt.

In einem Schmelztiegel 1 befindet sich ein kristallisierbares geschmolzenes Material, wie z. B. eine Leichtmetall-Legierung, insbesondere eine Al-Mg-Legierung. Mittels elekt- rischer Heizelemente 2, die den Schmeiztiegel umgeben, wurde sie in den flüssigen Zustand gebracht und wird in diesem Zustand gehalten (temperiert). Der Schmeiztiegel 1 und die elektrischen Heizelemente 2 bilden zusammen die Heizeinheit der erfin- dungsgemässen Vorrichtung.

Ein zylindrischer Giesskolben 3 ist in einer zylindrischen Giesskammer 4 gleitend gela- gert. Zusammen 3,4 bilden sie die Schusseinheit der erfindungsgemässen Vorrichtung.

Eine erste Formhälfte 5 und eine an ihr anliegende zweite Formhälfte 6 bestimmen ge- meinsam einen Formhohlraum 7. Die beiden Formhälften 5,6 bilden zusammen die Formeinheit der erfindungsgemässen Vorrichtung.

Eine pneumatische Druckleitung 8 ermöglicht die Zufuhr von Druckluft von einer pneu- matischen Druckquelle 19 in die Schmelztiegelkammer 10. Eine Steigleitung 9 für das geschmolzene Material verbindet den Schmeiztiegelinhalt mit der Giesskammer 4. Je nach der Grösse des über die pneumatische Druckleitung 8 angelegten Drucks wird mehr oder weniger viel geschmolzenes Material in die Giesskammer 4 befördert. Die pneumatische Druckleitung 8, die pneumatische Druckquelle 19, die Steigleitung 9 und die Schmelztiegelkammer 10 bilden gemeinsam die Dosiereinheit der erfindungsge- mässen Vorrichtung.

Die erste Formhälfte 5 ist mit einer beweglichen Aufspannplatte 13 verbunden, während die zweite Formhälfte 6 mit einer feststehenden Aufspannplatte 14 verbunden ist. Ober- halb der durch die beiden Formhälften 5,6 gebildeten Formeinheit befindet sich ein Trennmittel-Sprühelement 12.

Der Giesskolben 3 der Schusseinheit ist über ein Gestänge 18 mit einem Hydraulik- Kolben 15 verbunden, der in einem Hydraulik-Zylinder 16 gleitend gelagert ist. Eine hydraulische Druckleitung 17 verbindet den Hydraulik-Zylinder 16 mit einer hydrauli- schen Druckquelle 11.

Die Kaltkammer-Druckgiessmaschine weist mehrere Schwingungserzeugungsgeinhei- ten S1-S11 auf, die im folgenden kurz als"Einheit"bezeichnet werden. Eine solche Einheit kann z. B. ein piezoelektrisches Element für die Erzeugung mechanischer Schwingungen im Ultraschallbereich sein. Je nach Bedarf können grossflächige oder punktuelle Einheiten verwendet werden.

Die Einheiten S1 und S2 sind mit der Oberseite bzw. der Unterseite der beweglichen ersten Formhälfte 5 verbunden. Ähnlich sind die Einheiten S3 und S4 mit der Oberseite bzw. der Unterseite der festen zweiten Formhälfte 6 verbunden. Die Einheit S5 ist der Giesskammer 4 zugeordnet, während die Einheit S6 der Steigleitung 9 zugeordnet ist.

Die Einheit S7 ist mit der Schmelztiegelkammer 10 verbunden, und die Einheit S8 ist mit der hydraulischen Druckleitung 17 verbunden. Im Gegensatz zu den Einheiten S1- S8 stehen die temperatur-und druckbeständigen Einheiten S9 und S10 unmittelbar mit dem geschmolzenen Material im Formhohlraum 7 in Berührung. Alternativ können auch die Einheiten S5, S6 und S7 so ausgelegt sein, dass sie mit der Schmelze unmittelbar in Berührung stehen.

Ähnlich wie die Einheit S10 kann auch die Einheit S9 unmittelbar an die Schmelze an- grenzend angeordnet sein. Vorzugsweise verwendet man hierfür die (nicht gezeigten) Ausstossstifte an der beweglichen Formhälfte 5. Ergänzend können auch an der festen Formhälfte 6 (nicht gezeigte) Schwingungserzeugungseinheiten, z. B. ebenfalls in Ver- bindung mit Ausstossstiften (nicht gezeigt), angebracht sein.

Auch dem die Giesskammer 4 mit dem Formhohlraum 7 verbindenden Angusssystem 20 ist mindestens eine Einheit S11 zugeordnet. So kann die Schmelze kurz vor ihrem Eintritt in den Formhohlraum 7 konditioniert werden. Bei einem aus mehreren parallelen Kanälen bestehenden mehrkanaligen Angusssystem können insgesamt mehrere ge- sonderte Einheiten zwischen den einzelnen Kanälen angeordnet. Insbesondere kann z. B. jedem Kanal eine derartige Einheit zugeordnet sein.

Der Betrieb der gezeigten Kaltkammer-Druckgiessmaschine erfolgt zyklisch.

Zunächst befinden sich die beiden Formhälften 5,6 in einer voneinander beabstandeten Stellung (nicht gezeigt), so dass der Formhohlraum 7 nach aussen offen ist und ein zu- vor gegossener Gegenstand nach seiner Verfestigung aus der Formeinheit 5,6 ent- nommen werden konnte. Der Giesskolben 3 und der Hydraulik-Kolben 15 befinden sich in ihrer am weitesten rechts gelegenen Stellung (nicht gezeigt). In dieser geöffneten Stellung (nicht gezeigt) werden die Innenflächen des Formhohlraums 7 durch das Trennmittel-Sprühelement 12 mit Trennmittel besprüht.

Um nun einen weiteren Gegenstand zu giessen, werden durch eine Bewegung der be- weglichen Aufspannplatte 13 nach rechts die beiden Formhälften 5,6 aneinanderge- bracht, so dass der Formhohlraum 7 (bis auf eine nicht gezeigte Entgasungsöffnung) geschlossen ist. Anschliessend wird eine dosierte Menge des geschmolzenen Materials aus dem Schmeiztiegel 1 über die Steigleitung 9 in die Giesskammer 4 befördert, indem man über die pneumatische Druckleitung 8 während einer bestimmten Zeitdauer den Gasdruck über der Flüssigkeitsoberfläche im Schmeiztiegel 1 erhöht.

Sobald die Giesskammer 4 einen bestimmten Füllgrad erreicht hat, wird die hydrauli- sche Druckquelle 11 aktiviert, um einen hydraulischen Druck auf den Hydraulik-Kolben 15 auszuüben, der sich dann von rechts nach links bewegt. Über das Gestänge 18 und den Giesskolben 3 wird somit die zuvor in die Giesskammer 4 dosierte Schmelze aus der Giesskammer 4 in den Formhohlraum 7"geschossen", in der sie während einer be- stimmten Zeitdauer bis zum Erstarren gehalten wird, bevor die Formeinheit 5,6 erneut geöffnet und der gegossene fertige Gegenstand entnommen wird.

Der Giesszyklus wiederholt sich nun für das Giessen eines weiteren Gegenstands.

Die erfindungsgemässe Ausstattung der Kaltkammer-Druckgiessmaschine mit den Schwingungserzeugungseinheiten S1-S11 ermöglicht eine Beeinflussung des kristall- sierbaren geschmolzenen Materials in verschiedenen Bereichen der Druckgiessma- schine : Mit den Einheiten S1, S2, S3, S4 und vor allem mit der Einheit S9 und ggf. auch mit der Einheit S10 kann z. B. das Kristallisationsverhalten der Schmelze in dem Formhohlraum 7 während ihrer Abkühlung durch geeignete Schwingungsfrequenzen beeinflusst wer- den. Auf diese Weise können das mikroskopische Gefüge und somit die Materialeigen- schaften des entstehenden Gussteils gezielt beeinflusst werden.

Mit den Einheiten S5, S6 und S10 lassen sich z. B. die Fliesseigenschaften der Schmel- ze in der Giesskammer 4 bzw. in der Steigleitung 9 gezielt beeinflussen, indem man einerseits die rheologischen Eigenschaften der an den schwingenden Einheiten S5 und S6 vorbeiströmenden Schmelze beeinflusst und andererseits die Wandreibung zwi- schen der strömenden Schmelze und der schwingenden Innenwand herabsetzt.

Die von der Einheit S7 stammenden und über die Schmeiztiegelkammer 10 und den Schmelztiegel 1 auf die Schmelze übertragenen Schwingungen eignen sich z. B. zur Beeinflussung der Kristallisation in der Schmelze. Insbesondere in Verbindung mit der Zugabe von Impfkristallen in die Schmelze kann eine gezielte und mit der durch die Einheiten S1-S5 erzeugten Einwirkung abgestimmte Beeinflussung der Schmelze er- reicht werden.

Die Einheit S8 ermöglicht z. B. die Überlagerung einer hochfrequenten Ultraschall- Schwingung und deren entsprechend hochfrequenten Druckschwankungen einerseits mit dem durch die hydraulische Druckquelle 11 aufgebauten Druckanstieg für den "Schuss"der Schmelze aus der Giesskammer 4 in den Formhohlraum 7. Dies, insbe- sondere in zeitlicher Abstimmung mit der (nicht dargestellten) Entgasung des sich mit Schmelze füllenden Formhohlraums 7 und unterstützt durch die Einwirkung der Einhei- ten S1, S2, S3, S4 und S9, verbessert das Eindringen der Schmelze auch in filigrane Bereiche des Formhohiraums 7, wodurch das erzielte Druckgiess-Ergebnis verbessert oder dasselbe Ergebnis mit weniger Druckaufwand durch die hydraulische Druckquelle 11 erzielt werden kann.

Die Einheit S10 ist an der dem geschmolzenen Material in der Giesskammer 4 zuge- wandten Oberfläche des Giesskolbens 3 angeordnet und ermöglicht eine Konditionie- rung der Schmelze im Zusammenspiel mit der Einheit S5.

Die Einheit S11 ist im Bereich des Angusssystems 20 angeordnet und ermöglicht eben- falls eine Konditionierung der Schmelze kurz vor ihrem Eintritt in den Formhohlraum 7.

Durch die Vielzahl der an verschiedenen Bereichen der erfindungsgemässen Vorrich- tung verwendeten Schwingungserzeugungseinheiten S1-S11 kann das zu bearbei- tende Material je nach dem Bereich, in dem es sich gerade befindet, mit unterschiedli- chen Frequenzen und/oder Amplituden und mit jeweils unterschiedlicher räumlicher Verteilung der Schwingungsanregung (punktuell, grossflächig) konditioniert werden.

Bezugszeichen 1 Schmelztiegel 2 elektrische Heizelemente 3 Giesskolben 4 Giesskammer 5 erste Formhälfte (beweglich) 6 zweite Formhälfte (fest) 7 Formhohlraum 8 pneumatische Druckleitung 9 Steigleitung 10 Schmeiztiegelkammer 11 hydraulische Druckquelle 12 Trennmittel-Sprühelement 13 bewegliche Aufspannplatte 14 feststehende Aufspannplatte 15 Hydraulik-Kolben 16 Hydraulik-Zylinder 17 hydraulische Druckleitung 18 Gestänge 19 pneumatische Druckquelle 20 Angusssystem S1-S11 Schwingungserzeugungseinheit