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3.2 Gussverfahren - Vertiefungswissen

Herstellungsverfahren metallischer Körper wohlbestimmter Geometrien sind für unser hochtechnisiertes Leben extrem wichtig (u.a. auch im Atomobil- und Flugzeugbau). Sie zählen zu den Aufgaben der Fertigungstechnik. Ein wichtiges Teilgebiet ist die Gießereitechnik. Moderne Gießverfahren und Gusswerkstoffe ersetzen zunehmend Schweiß-, Niet- und Schraubkonstruktionen und führen zu hohen Material- und Energieeinsparungen. Um die enormen Möglichkeiten der Gusstechnik zu verdeutlichen, betrachten wir das Beispiel einer Airbus-Passagiertür, die aus 64 Frästeilen mit mehr als 500 Nietverbindungen gefertigt wird. Aufgrund des spanerzeugenden Herstellungsverfahrens ist mehr als das Vierfache des Eigengewichts des fertigen Türrahmens an Aluminiumlegierung notwendig, was ca. 30 GJ Primärenergie pro Türrahmen verschlingt. Eine Lösung als Integralgussteil ist möglich, d.h. eine einteilig gegossene Passagiertür für ein Großraumflugzeug. Eine Studie ergab eine Materialeinsparung von 56% und eine Energieeinsparung von 51% [3].

Definition 7   Unter Gießen verstehen wir die Herstellung eines metallischen Festkörpers definierter Geometrie aus einer Metallschmelze. Dabei wird die Gestalt des Gussstücks durch Formen erzwungen (Formguss).

Definition 8   Eine Form ist ein Negativ eines Gussteils, d.h sie enthält den auszugießenden Hohlraum, der ein Abbild des zu erstellenden Gussteils ist. Sie wird mit Hilfe eines Modells aus dem sog. Formstoff hergestellt.

Definition 9   Ein Modell ist ein Positiv des zu fertigenden Gussstücks, d.h. ein dreidimensionales Abbild. Es besteht je nach Gussverfahren aus Holz, Kunstharz, Metall, Polystyrolschaumstoff bzw. einem anderen Spezialkunststoff oder Wachs.

Die Gusstechnik besitzt eine Reihe von Vorteilen, u.a.

aber auch Nachteile, die vor allem die Herstellung von Einzelstücken unrentabel machen. Dazu zählen

Bei den verschiedenen Gussverfahren wird zwischen wiederverwendbaren und einmal verwendbaren Formen unterschieden. Für die ersteren sind die Bezeichnungen Dauerformen oder auch Kokillen (aus dem Französischen für Schale) gebräuchlich, die letzteren heißen auch verlorene Formen, da sie nach der Erstarrung des Gussstücks zerstört werden müssen.

Dauerformen werden in der Regel aus metallischen Werkstoffen gefertigt. Sie können auf sehr unterschiedliche Arten mit Schmelze gefüllt werden: Gebräuchliche Verfahren arbeiten ohne Druck nur mit der Hilfe der Schwerkraft (Kokillenguss), mit sehr geringem Druck (Niederdruckkokillengießverfahren) oder mit relativ hohen Drucken von 100 bis 1200 bar, wobei typische Strömungsgeschwindigkeiten der Schmelze von 10 bis 150 m/s und Formfüllzeiten von 50 bis 200 ms auftreten.

Bei der Gussteilfertigung mit verlorenen Formen bestehen die Formen bis auf wenige Ausnahmen aus Formstoffen auf Sandbasis, also einem Granulat. Diese Gussverfahren werden daher häufig als Sandgießverfahren bezeichnet. Beim herkömmlichen Sandguss wird die eigentliche Form aus dem sog. Formgrundstoff mit Hilfe von Bindemitteln erstellt. Ein gut geeigneter Formgrundstoff ist Quarzsand, der jedoch in diesem Fall mit anorganischem (Ton und Wasser) oder organischem (z.B. Phenol-Formaldehyd-Harz) Bindemittel verfestigt wird.

Bei der anorganischen physikalischen Bindung geschieht die Verfestigung rein mechanisch durch Verdichtung des feuchten Gemisches aus Formgrundstoff und Bindemittel. Der Guss erfolgt in noch feuchtem Zustand. Die Formstoffverdichtung wird durch folgende technische Varianten erreicht

Bei allen diesen Verfahren werden typische Eigenschaften granularer Materie ausgenutzt oder versucht gezielt zu steuern. Beispielsweise wird bei der Schieß- und Blasverdichtung lockerer Formstoff mit Druckluft (0,2 bis 0,3 MPa beim Blasen und 0,4 bis 0,5 MPa beim Schießen) fluidisiert, beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit in den Formkasten geblasen, wodurch er verdichtet wird. Ein weiteres Beispiel: Beim Verdichten durch Vibrieren ist die sich einstellende Konvektion3.3 des Granulats zu berücksichtigen. Diese führt u.a. zu einem aufsteigenden Nettofluss des Formstoffs im mittleren Bereich des Formkastens. Bei ungeeigneten Modellwerkstoffen oder Modellformen wird der Druck auf die Modelltrauben im Extremfall so hoch, dass die Trauben brechen und der Guss misslingt. Dies war ein zu überwindendes Problem bei der Entwicklung des Lostfoamverfahrens.



Figure 3.1: Vereinfachte Darstellung eines Formstoffkreislaufs für tongebundene Formstoffe nach [3]
\includegraphics[width=14cm]{figures/formstoff.eps}

Bei den Verfahren mit chemischer Bindung erfolgt die Verfestigung des Formstoffs von Sandformen und Sandkernen durch chemische Reaktionen - entweder kalt oder heiß mit anorganischen oder organischen Bindemitteln. Der Gießzustand der Form ist trocken. In beiden Fällen ist die Form nur einmal verwendbar. Der Formstoff kann teilweise wiederaufbereitet werden, was aber Prozesskosten sowie nicht recyclebare Abfallstoffe, wie Filterstäube, verursacht. Unter günstigsten Umständen - zumindest, was die Regeneratmenge betrifft, - sind dies mehr als 95%. Ein Vergleich der Mengenbilanz der in der Schmelzerei (Metalle) und in der Formerei (Formen) und Kernmacherei (Kerne) eingesetzten Stoffmengen zeigt, dass das Gesamtvolumen an eingesetzten Formstoffen das umgesetzte Metallvolumen um ein Vielfaches (Beispiel: Faktor 7) übersteigt. Einen typischen Formstoffkreislauf für tongebundene Formstoffe zeigt Abb. 3.1. Der bei der mechanischen Regeneration dem Kreislauf entzogene Staub ist nicht berücksichtigt. Als Verwertungsmöglichkeiten von nicht regeneriertem Altsand kommen neben der Deponie noch Wegebau, Bergbau, wo stillgelegte Schächte verfüllt werden, und in beschränktem Maße Betonherstellung in Frage. Mögliche Verwertungsarten sind eng an die im Altsand vorhandenen Restverunreinigungen gekoppelt. Metallreste und gegebenenfalls eingelegte Kühlkokillen werden z.B. beim Eisengussverfahren in der Regel durch Magnetabscheider entfernt (siehe Kasten Trennen der Stoffkreisläufe). Beim Absieben (siehe Kasten Sieben) werden verbackene Brocken und eventuell eingesetzte Keramikkörper und exotherme Einspeiser aus dem Umlaufsand entfernt und dem Regeneratkreislauf zugeführt.

Aufbereitungsanlagen für die Herstellung von harzgebundenen Formstoffen haben anlagetechnisch bedingt nur eine Regenerationsrate von maximal 70%.



Footnotes

...3.3
siehe auch im Teil über fließende Granulate

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Sigrid M. Weber, Didaktik der Physik und Z-MNU, Universität Bayreuth