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Sandformverfahren
Die Sandgussfertigung hat in den letzten Jahrzehnten bedeutende Fortschritte gemacht. Neben den technischen Verbesserungen bei der Herstellung von Serien-Gussteilen auf Formanlagen (Bild 38) und deren Formstoffen können heute durch die verbesserten Verdichtungsparameter und Formstoffe auch Gussteile mit eingeengten Toleranzen, hoher Reproduzierbarkeit und mit einer hohen Oberflächengüte gefertigt werden, die mit der Gießerei vereinbart werden können.
Bild 38: Moderne Formanlage für das Herstellen von Seriengussteilen in Sandformen
Für die maschinelle Sandgussfertigung mit einer zweiteiligen Modelleinrichtung und zweigeteiltem Formkasten ist von Vorteil, dass gestaltseitig die kaum eingegrenzte Formgebung den Konstrukteuren bei der Gestaltung komplexer Gusskonstruktionen entgegenkommt. Zudem ist das Maschinenformen auf automatisch arbeitenden Anlagen hochproduktiv und hat durch die gegenüber den hitzebeständigen Kokillen preiswerte Modelleinrichtung, die, da sie nicht mit dem heißen Metall in Berührung kommt, aus kostengünstigeren Materialien (Holz, Kunststoffen und Leichtmetall) gefertigt werden kann, auch wirtschaftliche Vorteile. Deshalb wird heute der überwiegende Anteil der Eisengusserzeugnisse im Sandformverfahren gefertigt. Restriktionen bezüglich der Fertigung auf Formanlagen kommen vor allem durch die anlagenspezifisch vorgegebene Formkastengröße, Formkastenteilung und Seriengröße, die eine Fertigung auf Anlagen ermöglicht. Dafür sind engere Toleranzen erzielbar und sehr wirtschaftlich Seriengussteile herstellbar als beim Handformguss.
Hieraus kann eine Einteilung der Gussfertigung abgeleitet werden. Mittlere und große Serien von klein- und mittelgroßen Gussteilen sind auf Formanlagen wirtschaftlich herstellbar. Als Formstoff kommt hier meistens ein tongebundener Nasssand und im geringen Umfang auch chemisch verfestigter Formstoff, der in einem Kreislauf vollständig wiederverwendet wird, zur Anwendung. Einzelteile und Kleinserien von kleinen und mittelgroßen Gussteilen, aber vielfach auch größerer Teile, wenn es die Anlagentechnik und Formkastengröße zulässt, werden in mechanisierten Handformereien gefertigt. Aber auch große Einzelteile werden, soweit es die technisch nutzbare Formfläche im verfügbaren Formkasten zulässt, in entsprechend großen Formkästen und sehr große Teilen in Formgruben in manueller Handfertigung unter Nutzung selbst aushärtender Kaltharzformstoffe hergestellt (Bilder 39 und 40). Bei Teilen, die größenseitig außerhalb des genormten Bereiches liegen, sind die Gussteilparameter (Eigenschaften, Oberfläche, Maßgenauigkeit, Toleranzen usw.) mit der Gießerei zu vereinbaren.
Bild 39: Eine mehrteilige kastengebundene Sandform beim Zulegen des nächsten Formkastenteiles, Kern (hell) (Bild: Meuselwitzguss)
Bild 40: Herstellung einer Grubenform für ein sehr großes Gussteil (Bild: Meuselwitzguss)
Auch hier kommen zum Abbilden der Innenhohlräume Kerne zum Einsatz, die wie die Formen aus Sand sind und nach dem Gießen infolge der verbrannten Binderbestandteile entfernt werden können und dabei den Innenhohlraum des Gussteils freigeben (Bild 41). Wegen der enormen Hitze- und Druckbelastung beim Gießen werden die Kerne heute ausschließlich aus chemisch kalt oder warm verfestigten Formstoffen gefertigt. Für die Serienfertigung stehen moderne Maschinensysteme und eine Vielzahl von Verfahren unterschiedlicher Kernvolumina zur Verfügung, von denen sich das Urethan- Cold-Box-Verfahren am stärksten durchgesetzt hat. Für besonders anspruchsvolle, dünne und bruchgefährdete Kerne kommt das Maskenformverfahren als heißhärtendes Kernfertigungsverfahren zum Einsatz. Einzel- und Kleinserien werden wie die Großkerne auch von Hand gefertigt und an Luft ausgehärtet. Der Altsand aus dem Form- und Kernformprozess kann Ressourcen schonend wiederaufbereitet und im Formprozess eingesetzt werden. Sandgeformte Gussteile finden wegen ihres großen Gestaltungsfreiraumes sowie hoher Wirtschaftlichkeit und Produktivität in allen technischen Bereichen Anwendung.
Bild 41: Grubenform mit hinten links bereits eingelegten Innenkernen für ein Gussteil Querbalken für Portalfräsmaschine aus EN-GJS-600-3 (Bild: Gontermann-Peipers, Siegen)
Vollformgießverfahren
Eine Sonderform des Sandformverfahrens stellt das Vollformgießen dar. Das Verfahren unterscheidet sich dahingehend von den anderen Sandgussverfahren, dass in die Sandformen ein Schaumpolystyrolmodell des Gussteils eingeformt wird, welches durch das einfließende Gießmetall ausgebrannt und der freiwerdende Raum von dem Gießmetall eingenommen wird (Bild 42). Neben der nach dem Erstarren der Schmelze zu einem formstabilen Gussteil entfernten Sandform (verlorene Form) wird somit auch das Modell zerstört (verlorenes Modell). Das Verfahren ist bedingt durch das aufgeschäumte, aber sehr leichte Modell besonders für die Anfertigung großvolumiger Teile geeignet. Als Faustformel gilt ein unterer Massebereich von etwa 50 kg. Nach oben restringieren die Modellstabilität, -größe und die Schmelzekapazität das Anwendungsfeld.
Bild 42: Mehrteiliges Schaumstoffmodell für ein Planetengetriebegehäuse-Gussteil eines Schiffsantriebes, bestehend aus Ober- und Unterteil (links) und das im Vollformverfahren abgegossene Gussteil (rechts), Abmessungen 3,5 x 2,7 x 2,45 m, Gesamtgewicht 18 t (Bild: Römheld & Moelle, Mainz)
Diese Vorgehensweise erfordert zwar für jedes Gussteil ein Modell, ist im Hauptanwendungsbereich vom Einzelteil bis zur Kleinserie aber vielfach kostengünstiger als bei der konventionellen Fertigung mit Dauermodelleinrichtung und Kernkästen. Zudem sind die geschäumten Modelle und damit auch der Guss innerhalb von Tagen verfügbar, während die Anfertigung eines Gussmodells mehrere Wochen bis Monate in Anspruch nimmt.
Für den Konstrukteur interessant ist, dass wegen des in der Form verbleibenden Modells auch ohne Aushebeschrägen, Formteilungen und Kerne gearbeitet werden kann. Hohlräume und Hinterschneidungen können direkt gegossen werden, da das Modell beim Gießprozess zerstört wird. Damit eignet sich dieses Verfahren vor allem für Gussteile mit sehr komplexer Außen- und Innenkontur, bei denen Bohrungen, Schlitze und andere Öffnungen vorgegossen werden sollen. Durch die hohe Gratfreiheit und das endabmessungsgenaue Gießen sind Wanddickenverringerungen mit Masseeinsparungseffekten möglich. Zudem verringert sich der Bearbeitungsaufwand durch das gratfreie und bearbeitungsgenaue Gießen mit verringerten Toleranz- und Bearbeitungszugaben. Weiterhin ermöglicht der erweiterte Gestaltungsspielraum die Fertigung komplexer Integralgussteile, wobei mehrere Fügeteile unter Einsparung der Fügeaufwendungen in ein Gussteil integriert werden können.
Feingießverfahren
Gusseisen mit Kugelgraphit kann auch im Feingießverfahren verarbeitet werden. Das ermöglicht neben der Nutzung moderner Rapid-Prototypingtechniken zur schnellen Gussbereitstellung vor allem die Herstellung endabmessungsnaher und hoch komplexer Bauteile im Massebereich von wenigen Gramm bis 100 kg. Beim Feingießen werden Wachsmodelle von den Gussteilen angefertigt, die mit einer keramischen Maske überzogen werden, die nach dem Aushärten und Ausschmelzen der Wachsteile eine einteilige gießfähige Form ergeben, die ohne Hinterfüllung abgegossen werden kann. Die Verwendung dieser sogenannten Ausschmelzmodelle lässt die Fertigung selbst komplizierter und filigraner Bauteile mit Hinterschneidungen und komplexen Innenräumen zu, die zudem wegen des feinen Keramikformstoffes gegenüber normalen Sandgussteilen eine sehr saubere Oberfläche aufweisen, so dass vielfach auf eine Bearbeitung verzichtet werden kann. Allerdings ist die anlagentechnisch aufwändige Feingussfertigung ein typisches Ferienfertigungsverfahren. Aber die Anwendung moderner Rapid-Prototyping-Techniken zur Wachsmodell- und Gießformenfertigung lassen auch Kleinserien und die Losgröße eins heute vielfach wirtschaftlich herstellbar werden. Hier sollte frühzeitig der Kontakt zur Feingießerei gesucht werden [35].
Das Feingießverfahren erlaubt dem Konstrukteur ein Höchstmaß an gestalterischer Freiheit. Durch die enge Zusammenarbeit zwischen Konstrukteur und Kunden lassen sich hier optimale Bauteillösungen schaffen. So können vielfach komplizierte Baugruppen durch feingegossene Teile ersetzt werden. Aus Gusseisen mit Kugelgraphit werden solche Bauteile gefertigt, an die neben Gleit-, Notlauf- und Dämpfungseigenschaften hohe Anforderungen an die Zähigkeit und Festigkeit gestellt werden (Bild 43).
Bild 43: Nagelstangenpendel für Textilmaschine aus Feinguss, Werkstoff EN-GJS-400-15, Gewicht 230 g (Bild: ZGV, Düsseldorf)
Für weiterführende Informationen über das Feingießverfahren ist bei der Zentrale für Gussverwendung ein Sonderdruck erschienen [36].
Dr. Ch. Bartels, DI R. Gerhards, Prof. H. Hanselka, Prof. K. Herfurth, Dr. H. Kaufmann, DI W. Kleinkröger, Dr. M. Lampic, Dr. H. Löblich, Dr. W. Menk, Prof. G. Pusch, Dr. T. Schmidt, DI K.-H. Schütt, DI P. Tölke, Prof. E. P. Warnke
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