Dosiereinrichtung zur Entnahme und Abgabe einer Schmelze sowie Verfahren zum Herstellen der Dosiereinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dosiereinrichtung, vorzugsweise einen Dosiertiegel oder -behälter zur vakuumunterstützten Dosierung, zur Entnahme und Abgabe einer Schmelze, vorzugsweise Metallschmelze, insbesondere Nichteisenmetallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze oder einer Aluminium enthaltenden Schmelze.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Gebiet des Prozessierens von Metallschmelze, insbesondere Nichteisenmetallschmelze, vorzugsweise Aluminiumschmelzen, wobei Schmelze durch Unterdrück angesaugt und sodann z.B. in eine Gussform abgelassen wird. Dabei wird üblicherweise ein Mundstück eines sogenannten Dosiertiegels in eine flüssige Aluminiumschmelze getaucht, wobei gegebenenfalls eine Oxidschicht durchstoßen werden muss.

Entsprechende Dosiertiegel können aus einer monolithischen Keramik wie Aluminiumtitanat hergestellt werden. Typische Wandstärken liegen zwischen 10 und 25 mm.

Nach Eintauchen in die Schmelze wird diese durch Unterdrück in den Dosiertiegel gesaugt. Übliche Drücke liegen bei < 800 mbar. Nach gewünschtem Befüllen des Tiegels wird dieser ansaugöfihungsseitig mittels eines z.B. aus Siliziumcarbid bestehenden Stößels verschlossen. Mit einer automatisierbaren Verfahrvorrichtung, bevorzugt einem Roboterarm, wird sodann der Tiegel aus der Schmelze gezogen und auf eine Gussform ausgerichtet. Die Schmelze fließt aus, indem der Stößel die Öffnung freigibt und gleichzeitig Unterdrück im gewissen Umfang abgebaut wird.

Durch die Wandstärke und die hohe Dichte von Aluminiumtitanat (3,7 g/cm ³ ) ergibt sich der Nachteil, dass die Thermoschockbeständigkeit des Materials negativ beeinflusst wird. Auch das Aufheizen des Tiegels dauert bei großen Bauteilvolumina lange. Die Gefahr eines Erstarr ens der Schmelze aufgrund der Wärmeabfuhr besteht.

Nachteil der bekannten Dosiertiegel ist auch, dass nur moderate mechanische Kennwerte mit Biegefestigkeiten deutlich unter 80 MPa erreicht werden und ein sprödes Bruchverhalten und die erwähnte geringe Thermoschockbeständigkeit zu beobachten sind. Durch das Eintauchen des Tiegels entsteht ein großer thermischer Gradient entlang der Achse und entlang der Wandstärke. Die gewünschte Thermoschockbeständigkeit wird durch die ungünstig niedrige Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumtitanat nicht erfüllt (Zweiter Thermoschockparameter).

Zu beobachten ist auch, dass das Tiegelmaterial mit aggressiven Aluminiumschmelzen, die beispielsweise bei der Veredelung bzw. Kornfeinung oder sonstigen Legierungszusammensetzungen verarbeitet werden, insbesondere alkalihaltige Schmelzen, die Natrium oder Strontiumzusätze enthalten, reagiert. Die dabei auftretenden Reaktionen führen zu einer sukzessiven Zerstörung der Dosiereinrichtung und bei starkem korrosiven/ chemischen Angriff ebenso zu einer Verunreinigung der Schmelze.

Ferner hat sich gezeigt, dass das Aluminiumtitanat ein ungünstiges Benetzungsverhalten zeigt, so dass Anhaftungen von erstarrtem Aluminium bis zu einem Festbacken des Stößels mit dem Dosiertiegel festzustellen ist. In diesem Fall muss eine Demontage im Kaltzustand erfolgen, so dass hierdurch bedingte Abrasionen zum Verschleiß und Zerstörung von Dosiertiegel und Stößel führen können. Die monolithische Keramik aus Aluminiumtitanat ist porös und mit Rissen durchzogen um das Thermoschockverhalten zu verbessern. Die Tiegel werden durch Schlickerguss von partikelbeladenen Schlickern hergestellt. Durch das Schlickergussverfahren sind Nachteile hinsichtlich Bauteilgeometrie oder der Wandstärken gegeben. Beim Schlickergussverfahren kann im Allgemeinen die Wandstärke innerhalb des Bauteils nicht variiert werden. Die maximale Wandstärke ist begrenzt. Die Wandstärke ist proportional zur Wurzel aus Grießdauer. Beim Gießprozess kann es zur Ausbildung von Gradienten auf Grund unterschiedlicher Partikel kommen. Auch zeigen sich Nachteile beim Sinter von großvolumigen Bauteilen. Ferner fuhrt die auftretende Schwindung bei großvolumigen Bauteilen zu erheblichen Problemen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dosiereinrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass ein reproduzierbares, schnelles und genaues Dosieren von Metallschmelzen, insbesondere Aluminiumschmelzen, ohne Ausbildung von Schmelzartefakten, Verunreinigung der Schmelze oder Lufteinschlüsse möglich ist, wobei die Dosiereinrichtung für ein vakuumunterstütztes Gießverfahren nutzbar und die Dosiereinrichtung verfahrbar sein soll.

Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass die Dosiereinrichtung aus einem oxidfaserverstärkten oxidkeramischen Verbundwerksstoff mit einer offenen Porosität insbesondere von 20 % bis 40 % besteht oder diesen enthält.

Gegebenenfalls kann die aus dem oxidfaserverstärkten oxidkeramischen Verbundwerksstoff bestehende Dosiereinrichtung oberflächenseitig beschichtet oder verdichtet werden. Oberflächenseitig bedeutet innen- oder außenseitig oder sowohl innen- als auch außenseitig.

Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass der oxidfaserverstärkte oxidkeramische Verbundwerksstoff zumindest bereichsweise, insbesondere außenseitig, zur Bildung einer vorzugsweise geschlossenporigen Schicht beschichtet wird. Dabei besteht die Möglichkeit, dass als Beschichtungsmaterial Glaslot oder metallorganische Verbindungen verwendet werden.

Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass auf den Grundkörper eine keramische Schicht, eine präkursorbasierte Schicht oder eine glasartige Schicht aufgebracht wird.

Es besteht die Möglichkeit, dass die Schicht durch thermische Spritzen aufgetragen wird. Der Verbundwerkstoff enthält oxidkeramische Faser, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material aus der Gruppe AI ₂ O3, SiO ₂ , ZrO ₂ , Y ₂ O ₃ , TiO ₂ , CaO, MgO, Y ₂ O ₃ stabilisiertes ZrO2. Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff eine oxidkeramische Matrix enthält, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material aus der Gruppe AI ₂ O ₃ , SiO ₂ , ZrO ₂ , Y ₂ O ₃ , TiO ₂ , CaO, MgO, Y ₂ O ₃ stabilisiertes ZrO ₂ .

Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Matrix und die Fasern aus gleichem oxidkeramischen Material oder oxidkeramischen Materialen bestehen oder dieses bzw. diese enthalten bzw. die Hauptbestandteile der Matrix und der Fasern übereinstimmen, z.B. aus AI ₂ O ₃ bestehen.

Besonders hervorzuheben ist, dass das Metall im Verbundwerkstoff und das der Schmelze oder Hauptbestandteil der Schmelze gleich sein sollte.

Durch die Verwendung des oxidkeramischen Verbundwerkstoffs wird ein nicht sprödes Material zur Verfügung gestellt, welches Thermoschockbeständigkeit, ausreichende mechanische Festigkeit und ungeachtet der Porosität überraschenderweise die erforderliche Vakuumdichtheit aufweist. Es kommt zu keinen Erstarrungsprozessen oder der Ausbildung von Inhomogenitäten. Hierdurch wird die Prozesssicherheit beim Prozessieren der Schmelze erhöht.

Ferner zeigen sich insbesondere beim Dosieren von Aluminiumschmelze dann vorteilhafte Benetzungen und Korrosionseigenschaften, wenn das Metall des oxidkeramischen Verbundwerkstoffs Aluminium ist, also die Faser aus AI ₂ O ₃ und ebenfalls die Matrix aus AI ₂ O ₃ bestehen oder im Wesentlichen enthalten. Dabei zeigt sich auch eine gute Beständigkeit gegenüber alkalihaltigen Aluminiumschmelzen, so dass eine Erweiterung des Anwendungsspektrums erzielt werden kann.

Durch die gleichen Metalle sind Verunreinigungen der Schmelze durch das Material der Dosiereinrichtung bzw. des Tiegels bzw. des Behälters ausgeschlossen. Durch die Verwendung des oxidkeramischen Verbundwerkstoffs wird im Vergleich zum Stand der Technik ein geringes Bauteilgewicht erzielt, so dass der Prozess beim Dosieren beschleunigt werden kann. Auch ist der Verschleiß an der automatisierbaren Verfahrvorrichtung oder Robotereinheit im Vergleich zum Stand der Technik geringer, da geringere Massen bewegt werden müssen.

Die Dosiereinrichtung selbst kann durch Wickeln von Faser auf ein Innengeometrie der Dosiereinrichtung abbildendes Werkzeug oder durch Verwendung von textilen Geweben, Geflechten, Gelegen aus den oxidkeramischen Faser hergestellt sein. Somit ergeben sich insbesondere Vorteile bezüglich der Geometriegestaltung der Dosiereinrichtung, wodurch sich konstruktive Verbesserungen erzielen lassen.

Die Innengeometrie ist gleich dem Innenraum der Dosiereinrichtung, in den die Schmelze gesaugt wird.

Belüftungsmöglichkeiten, Anbringen bzw. Integration von Heizelementen aufgrund der dünnen Wandstärke sind möglich. Die dünne Wandstärke bietet des Weiteren den Vorteil, dass der Schmelze nur geringe Wärme entzogen wird, so dass bei im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Schmelztemperatur gearbeitet werden kann. Dies bringt energetische Vorteile. Es können sich problemlos für die Handhabung der Dosiereinrichtung notwendige Strukturen ausbilden lassen. Durch das geringe Gewicht ist eine einfache Montage möglich. Ungeachtet dessen ist eine einfache Herstellung möglich.

Die DE 10 2013 104 416 A1 bezieht sich auf monolithische Keramiken mit Gewebegitter- Verstärkung, die im Bauwesen sowie für Panzerplatten Verwendung finden. Auch kann die Keramik zur Graphitverstärkung benutzt werden.

Gegenstand der WO 2016/184776 A1 ist ein Verbundrohr, das aus zwei Schichten besteht, von denen eine aus unporöser monolithischer Oxid-Keramik und eine Schicht aus oxidischer Faserverbundkeramik besteht.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus faserverstärktem Verbundwerkstoff ist der DE 10 2010 055 221 A1 zu entnehmen. Oxidkeramische Verbundwerkstoffe, die oxidkeramische Faserverstärkungen aufweisen, sind bekannt. Insoweit ist beispielhaft auf die EP 2 848 509 A1 oder die DE 10 2016 007 652 A1 zu verweisen. Als Anwendungsbeispiel eines entsprechenden Materials werden in der DE 102017202 221 A1 Turbinenschaufeln und Turbinenblätter von Heißdampfturbinen beschrieben.

Ein Einsatz für Bereiche, in denen vakuumunterstützt - wie bei Gießverfahren - gearbeitet werden muss, findet sich jedoch nicht, insbesondere vor dem Hintergrund, dass man auf Grund der Porosität davon ausgehen sollte, dass entsprechende Materialien für Vakuumverfahren ungeeignet sind. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, dass ein reproduzierbares schnelles und genaues Dosieren von Nichteisenmetallschmelzen auch bei Verwendung des erfindungsgemäß zum Einsatz gelangenden oxidkeramischen faserverstärkten Verbundwerkstoffes möglich ist.

Es können dünnwandige Dosierbehälter bzw. -tiegel gegebenenfalls mit ergänzenden Bauteilen oder Anbauelementen aus der porösen oxidfaserverstärkten Oxidkeramik hergestellt werden, wobei die Volumina derart ausgelegt werden, dass problemlos bis zu 50 kg Schmelze aufgenommen und transportiert werden können.

Die einzelnen Faserfilamente, welche insbesondere als Faserbündel oder Rovings mit mehreren hundert Einzelfilamenten zusammengeführt werden, sollten einen Durchmesser zwischen 5mm und 20mm, insbesondere zwischen 10mm und 12mm aufweisen. Die Dichte sollte vorzugsweise zwischen 2,0g/cm ³ und 6,0g/cm ³ , bevorzugterweise zwischen 3,0g/cm ³ und 4,0g/cm ³ liegen.

Kann die offene Porosität, also die Hohlräume der Dosiereinrichtung bzw. dessen oxidkeramischen Verbundwerkstoffs, die untereinander und mit der Umgebung in Verbindung stehen, im Bereich zwischen 20 % und 40 % liegen, so ist der Bereich zwischen 27 % und 32 % bevorzugt anzugeben. Durch die offene Porosität wird eine geringe Leitfähigkeit der Schmelzeinrichtung von insbesondere weniger als 10 W/mK erzielt.

Bevorzugterweise sollte die Wandstärke der Dosiereinrichtung, also des Tiegels bzw. Behälters, zwischen 1 mm und 20 mm, bevorzugterweise zwischen 1 mm und 4 mm liegen. Die geometrische Ausführung ist beliebig und kann insbesondere rotationssymmetrisch sein.

Die Erfindung schließt auch ein, dass die Dosiereinrichtung als Einsatz für eine metallische Struktur ausgebildet ist. Somit ist die metallische Struktur von der Schmelze nicht angreifbar, die ansonsten zerstört werden könnte.

Insbesondere ist vorgesehen, dass weitere mit der Dosiereinrichtung verbundene Komponenten aus demselben oxidkeramischen Material wie die Dosiereinrichtung gefertigt sind.

Erwähntermaßen kann die Dosiereinrichtung in Wickeltechnik oder auf Basis von textilen Faserhalbzeugen, wie Geweben, Geflechten, Gelegen, hergestellt werden.

Die Erfindung schließt erwähntermaßen nicht aus, dass zusätzlich eine Beschichtung vorgesehen ist.

Es können als Beschichtung einlagige oder mehrlagige Schichten oder Beschichtungssysteme bevorzugt mit Dicken im Bereich zwischen 50 mm bis 2 mm zur Anwendung gelangen, um die Gasdurchlässigkeit zu reduzieren. Dabei sollte die Struktur des Grundkörpers, d.h., des oxidkeramischen Verbundwerkstoffs, weitestgehend erhalten bleiben.

Durch die Beschichtung wird der Verbundwerkstoff grundsätzlich nur oberflächlich bis zu einer Tiefe von 500 mm infiltriert oder modifiziert, um eine gute Schichthaftung zu ermöglichen.

Zur Reduzierung der Gasdurchlässigkeit sollte die Porosität der Schicht bzw. Schichten deutlich geringer als die des Grundmaterials sein.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Schicht bzw. Schichten geschlossenporig sind, vorzugsweise zumindest eine Dichte von 97 % der theoretischen Dichte des Beschichtungsmaterials erreichen. Unter theoretischer Dichte ist diejenige Dichte zu verstehen, bei der ein aus dem Material hergestellter Körper keine Poren aufweist. Durch die Beschichtung soll die Gasdichtheit verbessert werden, so dass die Dosiereinrichtung innenseitig, also schmelzseitig, oder außenseitig beschichtet sein kann. Eine Beschichtung innen- und außenseitig ist selbstverständlich auch nicht ausgeschlossen.

Das Beschichtungsmaterial kann bevorzugterweise identisch mit dem des Grundkörpers, also des oxidkeramischen Werkstoffs sein.

Das Beschichtungsmaterial kann aus kristallinen und aus oxidkeramischen Bestandteilen bestehen.

Unabhängig hiervon sollte das Beschichtungsmaterial temperaturbeständig bis 1200 °C und korrosions- sowie abriebsbeständig sein. Die Dosiereinrichtung kann einseitig oder beidseitig, also innen und außen beschichtet sein. Auch kann eine Beschichtung auf bestimmte Bereiche begrenzt werden.

Mögliche Beschichtungsvarianten sind z.B. das Aufbringen von Glasloten, präkursorbasierte Schichten oder thermisches Spritzen.

Bei den sogenannten Glasloten kristallisiert eine glasartige Schicht auf dem Substrat durch eine Temperaturbehandlung im Verlauf der Schichtherstellung. Die Beschichtungspartikel werden durch einen Schlicker z.B. durch Pinseln aufgetragen. Insoweit wird auch auf die Offenbarung der DE 10 2014 106 560 B3 oder EP 2 942 342 A1 verwiesen. Mit einem entsprechenden Auftragsverfahren mittels Glaslot bildet sich eine dichte keramische Schicht aus.

Im Falle der präkursorbasierten Schichten können flüssige metallorganische Verbindungen zum Einsatz kommen. Die Applizierung erfolgt nasschemisch durch z.B. Sprühen oder Tauchen. Diese Verbindungen pyrolisieren, keramisieren und kristallisieren durch eine Temperaturbehandlung aus. Die Volumenschwindung im Verlauf der Prozessierung kann durch die Zugabe von passiven und aktiven Füllstoffen vermindert werden. Passive Füllstoffe können z.B. Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid sein. Aktive Komponenten in der Schicht wären A1, ZrSi ₂ , T1B ₂ . Diese oxidieren im Verlauf der Synthese und es kommt zu einer Volumenzunahme. Beim thermischen Spritzen werden die Beschichtungspartikel mit Hilfe eines Brenners, wie z.B. Plasmastrahl, Lichtbogen, aufgeschmolzen und durch einen Gasstrom auf dem Substrat appliziert. Die aufgeschmolzenen Partikel treffen auf das Substrat, flachen sich ab und erstarren. Beim Auftreffen kommt es zu einer mechanischen Verklammerung zwischen Substrat und Partikel. Eine weitere Temperaturbehandlung ist nicht notwendig.

Als Beschichtungsmaterial beim thermischen Spritzen sollte auf Grund der thermomechanischen und thermodynamischen Kompatibilität ein solches verwendet werden, das mit dem Substratmaterial, also dem Kompositmaterial (Verbundwerkstoff) übereinstimmt, und zwar in Bezug auf die Hauptbestandteile. Wird ein Verbundwerkstoff aus AI ₂ O ₃ und ZrO ₂ benutzt, so sollten die Partikel gleichfalls aus AI ₂ O ₃ und ZrO ₂ bestehen.

Beim thermischen Spritzen wird mit entsprechenden aus diesen Materialien bestehenden Partikeln gearbeitet. Es könnte jedoch auch reaktiv mit Aluminium gearbeitet werden, welches dann oxidiert, wenn das Substratmaterial als Hauptbestandteile AI ₂ O ₃ und ZrO ₂ aufweist. Von der Ausdehnung für AI ₂ O ₃ passt z.B. YAG (Yttrium- Aluminium-Granat) und Y2Si2O7/ YSiO ₅ .

Es kann ein Schichtsystem aufgetragen werden, das insgesamt eine Schicht bildet. Schichtsystem sind mehrere einzeln differenzierbare Lagen einer Schicht. So kann z.B. ein Schichtsystem aus Bond Coat zur Haftung, TBC (thermal barrier coating) für thermische Isolation und außenseitig, also obenliegend ein EBC (environmental barrier coating) als Korrosionsschutz bestehen. Jede einzelne Lage hat eine besondere Funktion. Auch kann ein Ausdehnungsmismatch durch gradiert aufgebaute Schichten reduziert werden.

In Abhängigkeit von dem Beschichtungsverfahren kann die Eindringtiefe variiert werden. Durch den Begriff Eindringtiefe soll auch zum Ausdruck gebracht werden, dass es einen Übergangsbereich zwischen Schicht und Substrat geben kann. Werden metallorganische Präkursoren eingesetzt, so dringen diese tiefer in das Substratmaterial ein und infiltrieren dieses, wobei es zum Teil zu einer Reaktion zwischen Beschichtungsmaterial und Substrat kommt. Beim thermischen Spritzen treffen die geschmolzenen bzw. angeschmolzenen Partikel auf die kältere Substratoberfläche, so dass es zu einer mechanischen Anhaftung kommt. In diesem Fall ist die Eindringtiefe sehr gering bzw. es kann ausschließlich zu einem oberflächlichen Anhaften kommen, so dass man praktisch von keiner Eindringtiefe sprechen kann.

Unabhängig davon, wie die Beschichtung hergestellt wird, bleiben die Eigenschaften des Substratmaterials erhalten. Durch die Beschichtung ergibt sich der Vorteil, dass eine Versprödung nicht auftritt. Durch die Beschichtung wird eine Erhöhung der Gasdichtheit erzielt. Die Beschichtung weist eine hohe Härte auf und bietet eine Abriebs- und Korrosionsbeständigkeit.

Insbesondere zeichnet sich die erfindungsgemäße Lehre dadurch aus, dass Faserverstärkungen vorgesehen sein können, die belastungsgerecht ausgelegt sind. So können insbesondere im Ausgabe- und damit Entnahmebereich der Dosiereinrichtung Aufdickungen vorgesehen sein, um Bereiche erhöhter Belastung zu schützen.

Die nach dem Stand der Technik bei der Verwendung monolithischer Keramiken auftretenden geometrischen Einschränkungen sind nicht gegeben.

Insbesondere ist vorgesehen, dass eine entsprechende Dosiereinrichtung bestimmt ist, um Nichteisenmetallschmelzen zu prozessieren, die aus A1, Si, Mg, Cu, Zn, Sn, Ti, Na, Sr, B bestehen oder diese enthalten, wobei insbesondere Aluminiumschmelzen bzw. Aluminiumlegierungsschmelzen zu erwähnen sind.

Die Faserverstärkung inklusive der porösen Matrix fuhrt gegenüber der dem Stand der Technik zu entnehmenden monolithischen Keramik zu einer erheblichen Steigerung von Festigkeit und Schadenstoleranz. Dies führt zu einem quasiduktilen Materialverhalten, wodurch Sprödbruch vermieden wird und Stöße oder ähnliche mechanische Belastungen als unkritisch einzustufen sind. Zum Beispiel Kollisionen beim Verfahren der Dosiereinrichtung, die durch fehlerhaftes Teaching eines Roboters hervorgerufen sein können, sind weniger problematisch. Erstaunlicherweise stellt die Porosität des Verbundwerkstoffs bei dem mittels Unterdrucks realisierten Ansaug-, Halte- und Dosiervorgang der Schmelze kein technisch relevantes Problem dar. Eine hohe Dosiergenauigkeit und exakte Mengenerfassung sind möglich. Dies schließt jedoch nicht aus, dass eine zusätzliche Beschichtung vorgesehen sein kann.

Insbesondere dann, wenn die Fasern und die Matrix aus gleichem Oxid, wie AI ₂ O ₃ , bestehen, fuhrt dies dazu, dass z.B. bei Aluminiumschmelzen und seinen Legierungen eine Korrosion des Werkstoffs der Dosiereinrichtung verhindert wird und ein überaus günstiges Benetzungsverhältnis auftritt. Dabei können Zusätze von z.B. Zirkoniumoxid vorteilhaft sein.

Daher zeichnet sich die Erfindung auch dadurch aus, dass der Gewichtsanteil des Zusatzes bzw. der Matrixkomponente Zirkoniumoxid, das gegebenenfalls mit Yttriumoxid verstärkt ist, 5 % bis 30%, insbesondere 12 % bis 25 %, der Oxidkeramik der Matrix beträgt.

Durch das günstige Benetzungsverhalten wird vermieden, dass z.B. der Verschluss wie Stößel, der z.B. aus SiC oder auch aus einem oxidkeramischen Material wie dem der Dosiereinrichtung bestehen kann, an der Dosiereinrichtung festbackt.

Der Verschleiß wird reduziert. Auch werden der Reinigungsaufwand durch schwer entfembare Anhaftungen verringert und Beschädigungen vermieden.

Erwähntermaßen treten Masse- und Gefügeänderungen dem Grunde nach nicht auf, wenn aggressive wie z.B. alkalihaltige Aluminiumschmelzlegierungen gehändelt werden, insbesondere dann, wenn die Matrix und die Verstärkungsfasem aus Aluminiumoxid bestehen bzw. dieses enthalten.

Der Verschleiß ist reduziert und die Lebensdauer erheblich erhöht.

Durch die auf Grund des Materials sich ergebende Leichtbauweise werden Anlagen und Robotertechnik weniger mechanisch belastet, ein Down-Sizing wird ermöglicht. Die Verfahrdauer der Dosiereinrichtung kann im Vergleich zum Stand der Technik verringert und somit die Prozessdauer insgesamt reduziert werden.

Ein weiterer Vorteil der Leichtbauweise besteht in den Wärme- und Temperatur- Isolationseigenschaften, wodurch mittels geringer Temperaturabfälle, also Temperaturabsenkungen in der Schmelze, neue Möglichkeiten der Prozessierung ermöglicht werden. Energieeinsparungen sind erzielbar.

Durch die Herstellungstechnik ist eine geometrische Gestaltungsfreiheit gegeben. Beliebig komplexe Geometrien mit Hinterschneidungen sind realisierbar. Durch Geometrieänderungen bzw. -anpassungen kann das Dosierverhalten verbessert werden.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Einsatzes der oxidkeramischen Werkstoffe sind im Vergleich zum Stand der Technik großvolumigere Tiegel herstellbar. Die geringe Wandstärke ermöglicht es, dass zusätzlich ein Temperieren der Schmelze durch Heiz- und Kühlelemente erfolgen kann, die die Dosiereinrichtung umgeben.

Ferner besteht die Möglichkeit, dass der Stößel hohl ausgebildet wird und somit Sensoren wie Temperatursensoren in diesem integriert werden können.

Die Öffnung, also das Mundstück der Dosiereinrichtung, kann derart ausgeführt werden, dass Schmelztropfen nicht anhaften können.

Ferner besteht die Möglichkeit, Siebelemente oder Filter zu integrieren, um die Schmelze zu reinigen.

Der Schmelzfluss kann störungsfrei gestaltet werden, wenn Fließhilfen im Inneren der Dosiereinrichtung ausgebildet werden, deren Negativform auf dem Werkzeug abgebildet ist, auf die die Faserbündeln gewickelt bzw. die flächigen Fasergewebe, -gelege, -geflechte aufgelegt sind, die zuvor mit einem Schlicker imprägniert sind, der oxidkeramische Partikel enthält, die die Matrix bilden.

Die Erfindung zeichnet sich daher auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer Dosiereinrichtung, insbesondere eines vakuumunterstützten Dosiertiegels oder -behälters, zur Entnahme und Abgabe einer Schmelze, vorzugsweise Metallschmelze, vorzugsweise Nichteisenmetallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze oder einer Aluminium enthaltenden Schmelze aus, umfassend die Verfahrensschritte

Imprägnieren einer Anordnung von oxidkeramischen Fasern mit einem oxidkeramische Partikel enthaltenden Schlicker,

Wickeln oder Legen der imprägnierten Anordnung der Fasern auf ein die Innengeometrie der Dosiereinrichtung abbildendes Werkzeug,

Trocknen der auf dem Werkzeug gelegten oder gewickelten Anordnung.

Die Anordnung wird sodann von dem Werkzeug entfernt, insbesondere entformt oder teilentformt. Sodann erfolgt ein Sinter. Gegebenenfalls erfolgt ein Nachbearbeiten der so hergestellten Dosiereinrichtung. Dabei werden als die Anordnung ein oder mehrere Endlosfaserbündel oder flächige Gebilde, insbesondere Fasergelege, -gewebe oder -geflechte, verwendet.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Trocknungsprozess zur Bildung eines Grünkörpers aus der Anordnung in einem Temperaturbereich zwischen 40 °C und 250 °C, insbesondere zwischen 80 °C und 150 °C, durchgefiihrt wird.

Nach dem Trocknen und dem Entformen bzw. Teil-Entformen erfolgt das Sintern, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 1000 °C und 1300 °C, bevorzugterweise zwischen 1150 °C und 1250 °C.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder im Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie deren Erläuterungen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Dosiereinrichtung zur Entnahme und Abgeben einer Schmelze mit gesondert gezeichnetem Stößel, Fig. 2 einen Ausschnitt der Fig. 1,

Fig. 3 eine Variante zu der Darstellung der Fig. 2 und

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines Wickelprozesses.

In den Figuren ist rein beispielhaft eine Dosiereinrichtung zur Entnahme und Abgeben einer Schmelze, insbesondere einer Metallschmelze dargestellt, die auch als Dosiertiegel oder -behälter 10 zu bezeichnen und nachstehend vereinfacht Dosiertiegel genannt wird.

Der Dosiertiegel 10 weist entnähme- bzw. abgabeseitig eine über einen Stößel 12 verschließbare Mundöffhung 14 auf, die in einen konischen und sodann hohlzylindrischen Abschnitt 16, 18 übergeht.

Der Außendurchmesser des Stößels 12, und zwar in seinem distalen Abschnitt 20, entspricht dem Innendurchmesser des Mundstücks bzw. der Mundöffhung 14. Durch axiales Verstellen des Stößels 12 kann demzufolge die Mundöffhung verschlossen bzw. freigegeben werden. Der Dosiertiegel 10 besteht aus einem faserverstärkten oxidkeramischen Verbundwerkstoff aus zuvor beschriebenem Material bzw. Materialien.

Die Porosität des Dosiertiegels 10 sollte insbesondere zwischen 27% und 32% liegen. Der Stößel 12 kann aus einem gleichen Material wie der Dosiertiegel 10 oder auch z.B. aus Siliziumkarbid bestehen,

Ist der Stößel 12 aus einem oxidkeramischen Verbundwerkstoff hergestellt, so kann dieser hohl ausgebildet sein und z.B. einen oder mehrere Sensoren enthalten, um die Prozessführung zu kontrollieren und gegebenenfalls zu steuern bzw. zu regeln.

Der Dosiertiegel 10 wird bevorzugterweise in Wickeltechnik hergestellt, wenngleich auch Prepregs, die auf ein die Innengeometrie des Dosiertiegels 10 abbildendes Werkzeug gelegt werden können, oder eine Kombination dieser Verfahren zur Anwendung gelangen können. Auf den Wickelkern werden Faserbündel, sogenannte Rovings, gewickelt, wobei die einzelnen Faserfilamentdurchmesser zwischen 5 mm und 20 mm, insbesondere im Bereich zwischen 10 mm und 12 mm aufweisen sollten. Die Dichte sollte im Bereich zwischen 2 g/cm ³ bis 6 g/cm ³ , bevorzugterweise zwischen 2,5 g/cm ³ bis 3,2g/cm ³ , liegen.

Vor dem Aufwickeln auf den Wickelkern werden die Faserbündel durch einen Schlicker geführt und somit imprägniert. Der Schlicker enthält die keramischen Partikel, die die Matrix des Verbundköipers bilden.

Der Anteil der keramischen Partikel kann 10 Vol.-% bis 50 Vol.-%, insbesondere 20 Vol.- % bis 40 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Schlickers betragen.

Insbesondere gelangt ein wasserbasierter Schlicker zum Einsatz mit bevorzugt organischen Additiven z.B. Polyole, Polyvinylalkohole oder Polyvinylpyrrolidone, Dispersionsbinder, bevorzugt Styrolaciylatdispersionen.

Der Schlicker kann zumindest 10 Gew.-% bis 20 Gew.-%, vorzugsweise zumindest 24 Gew.-%, z.B. 21 - 35 Gew.-%, Glycerin bezogen auf das Gesamtgewicht der keramischen Partikel enthalten.

Als Oxidkeramik kommt sowohl für die keramischen Partikel als auch für die Faser insbesondere ein Material aus der Gruppe AI ₂ O ₃ , SiO ₂ , ZrO ₂ , Y ₂ O ₃ , TiO ₂ , CaO, MgO, mit Y ₂ O ₃ stabilisiertes ZrO ₂ in Frage.

Soll mit dem Dosiertiegel 10 eine Aluminiumschmelze oder eine Aluminiumlegierungsschmelze dosiert werden, so sollte als Material sowohl für die Matrix, also demzufolge die keramischen Partikel, als auch für die Faser AI ₂ O ₃ benutzt werden. Der Schlicker kann ggf. Zusätze wie ZrO ₂ enthalten, wobei der Anteil zwischen 5 % und 30%, insbesondere zwischen 12 % und 25 % in Gew.-%, von der Gesamtpulvermenge des keramischen Metalloxids betragen kann. Der Volumenanteil der keramischen Partikel sollten 20 bis 50 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen des Schlickers betragen.

Die entsprechenden imprägnierten Faserbündeln werden sodann auf den Wickelkern gewickelt, anschließend getrocknet, insbesondere im Temperaturbereich zwischen 40 °C und 250 °C, bevorzugterweise im Bereich zwischen 80 °C und 150 °C. Ein so hergestellter Körper wird durchtrennt und von dem Wickelkern abgezogen. Anschließend erfolgt ein Sintern im Temperaturbereich zwischen 1.000 °C und 1.300 °C, insbesondere zwischen 1.150 °C und 1.250 °C. Ggf. erfolgt eine Nachbearbeitung, um sodann den so hergestellten Dosiertiegel 10 zu verwenden.

Die Trocknungsdauer ist temperaturabhängig und liegt zwischen 2 h und 48 h, bevorzugt zwischen 12 h und 24 h. Die Sinterung erfolgt über einen Temperatur-/Zeitverlauf mit verschiedenen Haltestufen und

-dauern, wobei die Haltedauer bei der Höchsttemperatur zwischen 5 min und 24 h, bevorzugt zwischen 1 h und 12 h, liegen sollte.

Aufgrund der zum Einsatz gelangten Wickeltechnik kann in Abhängigkeit von der Geometrie des Wickelkerns im gewünschten Umfang die Geometrie des Dosiertiegels 10 verändert werden. Dies wird anhand der Fig. 2 und 3 prinzipiell verdeutlicht. So besteht die Möglichkeit, im gewünschten Umfang den Öffhungswinkel des Konusabschnitt 16 zu variieren. In Fig. 2 ist der Winkel al kleiner als der Winkel a2 in Fig. 3. Ferner kann die Länge des Mundstücks 14 variiert werden, wie ein Vergleich der Fig. 2 und 3 hinsichtlich der Abschnitts Sl, S2 verdeutlicht. Auch kann die Länge des Konusabschnitts 16 variiert werden (LI < L2).

Es besteht des Weiteren die Möglichkeit, die Wandstärke des Bauteils zu variieren bzw. die Endabschnitte des Wickelkerns so zu gestalten, dass sich im Inneren der Koni Fließhilfen ergeben, wie dies rein prinzipiell anhand der Fig. 3 angedeutet wird.

So können Rippen ausgebildet werden, vorzugsweise solche, welche spiralförmig verlaufen. Auch können Wellenstrukturen konzentrisch um die Längsachse des Dosiertiegels verlaufend vorgesehen sein, um im gewünschten Umfang das Fließverhalten der Schmelze zu beeinflussen.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Faservolumengehalt der Dosiereinrichtung 35 % bis 50 %, bevorzugterweise 32 % bis 42 %, beträgt.

Zu der Wickeltechnik ist ergänzend Folgendes auszuführen.

Um rotationssymmetrische Teile herzustellen, gelangen Wickelprozesse zur Anwendung. Die Innengeometrie des Gegenstandes wird durch den sogenannten Wickelkern vorgegeben, auf dem die mit der Matrix imprägnierten Faser abgelegt werden.

Bei dem Wickelkern unterscheidet man zwischen wiederverwendbaren, verlorenen, ausschmelzbaren und zerlegbaren Kernen. Im vorliegenden Fall werden die Dosiertiegel vom Kern abgezogen, so dass letzterer erneut benutzt werden kann. Bei kleineren Bauteilen benutzt man häufig ausschmelzbare Kerne und bei Bauteilen größerer Durchmesser zerlegbare Kerne.

Das Wickeln erfolgt üblicherweise mit einer Wickelmaschine, die der einer CNC- Drehmaschine entspricht. Dabei wird der Wickelkern an einem seiner Enden an einem Dreibackenfutter eingespannt und am anderen Ende z.B. an einem Reitstock gelagert.

Um auf den Wickelkern Rovings, also Faserbündel, die z.B. 100 oder mehr Einzelfasem, sogenannte Filamente, umfassen können, zu wickeln, werden diese von einer Spulenaufhahme abgewickelt. Sodann können die Rovings Umlenkrollen passieren, mittels der über einen Widerstand die Spannung der Rovings eingestellt wird. Anschließend wird das Faserbündel durch ein Fadenauge über weitere Umlenkrollen durch ein Schlickerbad geführt, dessen Zusammensetzung zuvor beschrieben worden ist. Nach dem Imprägnieren der Faser werden diese über eine oder mehrere weitere Umlenkrollen, die gleichfalls Federspannung und über die Anzahl der Umdrehung, Wickelgeschwindigkeit und Länge des verbrauchten Faserstrangs bestimmen, durch ein Fadenauge zentriert und auf dem Wickelkern abgelegt, der sich dreht. Die Fadenspannung hat dabei auch eine übergeordnete Bedeutung. Sofern diese zu gering ist, werden die Fasern nicht im hinreichenden Umfang auf den Wickelkern gedrückt. Ist die Spannung zu groß, kann der Schlicker nicht ausreichend zwischen den einzelnen Faserfilamenten gelangen und ein Abreißen des Ro vings kann erfolgen.

Nach dem Wickelprozess wird die gewickelte Faserarchitektur mit Abreißgewebe abgebunden. Dies dient der Ausprägung einer gleichmäßigen Oberfläche, Verdichtung durch Verdrängung überschüssigen Schlickers und somit einer Erhöhung des Faservolumengehaltes und schützt zusätzlich das Bauteil.

Bei der Umfangswicklung, die auch Radialwicklung genannt wird, werden die Rovings parallel abgelegt, wie der vorliegenden Darstellung in Fig. 4 zu entnehmen ist. Bei Kreuzwicklung werden die Rovings von einer Polkappe, also vom einen Ende zur anderen Polkappe, also zum anderen Ende abgelegt, um dadurch auch in x- und y- Richtung eine Faserverstärkung zu erhalten. Der Wickelwinkel wird von abgelegten Faserstrang gegen die Rotationsachse gemessen und beeinflusst die Aufiiahme von Axiallasten.

Weist ein Wickelteil rein unidirektionale Umfangswicklungen auf, d. h. der Winkel a ist in etwa 90 °, sind die höchsten Zugfestigkeiten in Tangentialorientierung erzielbar. Liegt der Wickelwinkel bei < 45 °, werden vermehrt Axiallasten aufgenommen. Bei Verstärkung in axialer Richtung, d. h. kleinen Wickelwinkeln, ergibt sich das Problem bei der Herstellung, dass am Ende des Körpers eine Fixierung des Rovings nicht mehr möglich ist.

Für die Abstimmung von Wicklungsart, Wickelwinkel, Lagenanzahl (Faserbedarf) stehen verschiedene Berechnungsprogramme zur Verfügung. Nach dem Wickelprozess wird die gewickelte Faserarchitektur mit einem Abreißgewebe abgebunden, um eine gleichmäßige Oberfläche zu erzielen. Auch erfolgt eine Verdichtung durch Verdrängung überschüssigen Schlickers und somit eine Erhöhung des Faservolumengehaltes und schützt zusätzlich das Bauteil. Anschließend erfolgen die Trocknung und der Sinterprozess.

Nachfolgend erfolgt ein Ausführungsbeispiel:

Zunächst werden oxidkeramische Prepregs hergestellt. Dazu wird Gewebe aus Aluminiumoxidfasem (> 99 % AI ₂ O ₃ ) mit einem oxidkeramische Partikel enthaltenden wasserbasierten Schlicker imprägniert. Der Filamentdurchmesser liegt bei 10 - 12 mm und die Gamfeinheit 20.000 denier. Der Schlicker hat einen Feststoffgehalt von 30 Volumen-% bestehend aus 80 Gew.-% AI ₂ O ₃ - Partikeln und 20 Gew.-% ZrO ₂ - Partikeln. Die mittlere Partikelgröße beträgt 1 mm. Als Dispergator werden 2 Gewichts-% Polyacrylsäure dazugegeben. Nach einer Reduzierung des Wassergehalts der infiltrieren Faserarchitektur kann das entstandene Prepreg durch Zuschneiden und Ablegen auf ein der Innenkontur des Dosiertiegels abbildendes Werkzeug verarbeitet werden. Danach wird das mit dem Prepreg belegte Werkzeug in eine Wickelvorrichtung eingespannt. Anschließend werden die Aluminiumoxidfaserrovings (> 99 % AI ₂ O ₃ ) der Gamfeinheit 20.000 denier von einer Spulenaufnahme über Umlenkrollen durch ein Tauchbad geführt und auf dem rotierenden

Wickelkern abgelegt. Die Zentrierung der Rovings erfolgt über ein Fadenauge. Die Fadenspannung liegt im Bereich von 10 bis 90 N und wird über die Umlenkrollen eingestellt. Der sich im Tauchbad befindende Schlicker hat einen Feststoffgehalt von 32 Volumen-% der keramischen Partikel bezogen auf das Gesamtvolumen des Schlickers, bestehend aus 80 % AI ₂ O ₃ - Partikeln und 20 % ZrO ₂ - Partikeln. Die mittlere Partikelgröße beträgt 1 mm. Als

Dispergator werden 2 Gewichts-% Polyacrylsäure dazugegeben. Die gewickelte Faserarchitektur des geformten Verbundmaterials wird durch Reduzieren des Wassergehalts konsolidiert, sodass ein Grünkörper erhalten wird. Nach dem Trocknen kann die gewickelte Faserarchitektur vom Kern abgenommen werden. Anschließend erfolgt das Sinter bei 1200 °C. Die Nacharbeitung kann mittels Drehen, Fräsen oder Schleifen erfolgen.