In den letzten Jahren sind die Anforderungen an die Gießereien seitens der Endkunden, immer komplexere Teilgeometrien in der Serienproduktion prozesssicher darzustellen, deutlich gestiegen. Grund für die Zunahme der Komplexität ist – neben der Übernahme von zusätzlichen Funktionen und Aufgaben der Bauteile im Gesamtsystem – die kontinuierliche Gewichtsreduktion zur Optimierung des Energieverbrauchs. Dabei spielt heute auch die Anwendung der Bionik eine große Rolle. Dank der Strukturoptimierung durch Simulation können Konstruktionsprinzipien der Natur in bionisches Design der Gussteile übertragen werden.

Im Lkw-Bereich wird das Ziel der Gesamtgewichtsreduktion konsequent vorangetrieben, um eine höhere Energieeffizienz, eine Minderung des Schadstoffausstoßes und eine Lärmminimierung zu erreichen. Auf der Werkstoffseite ist vor allem das hochsiliciumhaltige Gusseisen mit Kugelgraphit ein wachsender Anwendungswerkstoff. Dieser zeichnet sich durch eine höhere Belastbarkeit, bessere Bearbeitbarkeit und eine gleichmäßige Härteund Festigkeitsverteilung im Bauteil aus. Durch die Optimierung von Konstruktion und Werkstoff sollen neben den Produktionskosten vor allem die Betriebskosten (Kraftstoffverbrauch) reduziert werden, wobei gleichzeitig die mechanische Beanspruchung der Bauteile weiter zunimmt.

Um diese eigentlich gegensätzlichen Zielvorgaben parallel zu erreichen, bedienen sich die Konstrukteure einer Konstruktionsweise mit minimalen Wanddicken, wobei das Bauteil an den festigkeits- und montagerelevanten Stellen punktuell verstärkt wird. Durch diese Konstruktionsweise werden zusätzliche Knotenpunkte im Gussstück geschaffen, die bei der Auslegung des Speiser- und Anschnittsystems entsprechende Berücksichtigung finden müssen. Während einfache Bauteile mit nur wenigen und teilweise zusammenhängenden Knotenpunkten durch ein bis zwei Seitenspeiser gespeist werden können, weisen die o. g. komplexen Gussteile eine deutlich höhere Anzahl an Knotenpunkten auf, die entsprechend punktuell gespeist werden müssen.

Bei der Serienfertigung dieser Gussteile werden daher zunehmend Kopfspeiser mit entsprechendem Zubehör eingesetzt. Die Speiser werden unmittelbar auf den relevanten Knotenpunkten positioniert, da hier der letzte Punkt der Erstarrung erreicht und die Lunkerbildung aufgrund der Schrumpfung des Werkstoffes (5 bis 7 %) eintreten wird. Beim Formfüllen werden die meist am höchsten Punkt in der Gießform sitzenden Speiser ebenfalls mit Eisen gefüllt. Aufgabe des Speisers ist es, durch eine punktuelle Beeinflussung des Erstarrungsverlaufs den letzten Punkt der Erstarrung vom Gussteil weg in den Speiser zu verlagern.

Hinsichtlich der Effizienz der in der Gießerei-Industrie eingesetzten Speiser wurde diese in den letzten drei Jahrzehnten bereits deutlich gesteigert. Bild 1 zeigt einen Vergleich der Aussaugbarkeit der klassischen Speisersysteme. Bei der Einführung von Gusseisen mit Kugelgraphit (EN-GJS) in den Gießereien wurden ausschließlich Natur- oder Sandspeiser eingesetzt, deren Aussaugbarkeit 10 bis 15 % beträgt. Um ein Gussteil von 20 kg zu speisen, müssen bei Zugrundelegung einer Schrumpfung von 5 % pro kg 7 bis 10 kg Flüssigmetall im Speiser zur Verfügung gestellt werden. Allein durch den Speiser wird die Ausbringung in diesem Beispiel um 30 % reduziert. Das Speiserrestmaterial wird dem Schmelzprozess wieder zugeführt und muss erneut unter Einsatz von Energie und Legierungsmitteln für das Gießen vorbereitet werden.

In den 1970er-Jahren wurden isolierende und später auch exotherme Kappen eingesetzt, die mit 20 bis 25 % eine Verbesserung der Aussaugbarkeit zeigten und die Ausbringung der Gießereien erhöhten. Neben der höheren Effizienz der Kappen hatten diese den Vorteil, dass sie zumindest auf bestimmten Teilgeometrien, zum Beispiel geraden Flächen, als Kopfspeiser eingesetzt werden konnten. Jedoch wurde auch die Effizienz der Seitenspeiser durch den zusätzlichen Einsatz von isolierenden oder exothermen Kappen erhöht.

Seit den 1990er Jahren werden zunehmend kompakte, hochexotherme Speisereinsätze mit Brechkernen eingesetzt. Mit einer Aussaugbarkeit von 60 bis 70 % sind diese Speiser den zuvor beschriebenen Speisereinsätzen weit überlegen. Das Zubehör kann hierbei verschiedene Aufgaben übernehmen. Je nach Legierung und Teilgeometrie soll es die Speisung zusätzlich unterstützen (z. B. durch zusätzliche Beheizung des Speiserhalses durch exotherme Reduzierplatten) oder die Putzkosten in der Serienfertigung durch eine Reduzierung des Speiserhalsquerschnitts (Quarzsandbrechkern) minimieren.

Je nach Anwendungsfall und Präferenz des Kunden können heute drei verschiedene Arten von Speisermassen unterschieden werden:

• Isolierende Speisermassen: Hierbei wird die Speiseraußengeometrie aus einem isolierenden Material erstellt, dessen Wärmeleitfähigkeit deutlich geringer als die des Quarzsandes der Grünsandform ist. Durch das Isolationsmaterial wird die Energie (Wärme) länger im Speiserinneren gehalten und somit die Erstarrung des Flüssigmetalls im Speiser verzögert. Der Speiser kann somit länger Material an das Gussstück bzw. den Knotenpunkt abgeben.
• Exotherme Speisermassen: Die heute am meisten verbreiteten Speisermassen weisen leicht- bis hochexotherme Eigenschaften auf. Durch den Kontakt der Schmelze mit dem Speisermaterial wird die exotherme Reaktion, welche auf dem Goldschmidt-Verfahren beruht, initialisiert. Durch die exotherme Reaktion der Speisermasse wird dem Metall im Speiser im Verlauf des Erstarrungsprozess des Gussteils zusätzliche Energie zugeführt, wodurch die Erstarrung verzögert wird. Durch die Speisergeometrie und durch modulgerechte exotherme Eigenschaften kann eine deutlich höhere Aussaugung des Speisers gewährleistet werden.
• Exotherm-isolierende Speisermassen: Bei dieser Art der Speisermasse handelt es sich um eine Kombination der beiden vorher genannten Speisermassen. Hierbei werden einer exothermen Speisermasse isolierende Füllstoffe beigemischt. Die Speisermasse verfügt somit über die Fähigkeit, dem Speisermetall aufgrund der exothermen Reaktion zusätzliche Energie zuzuführen. Parallel bietet die Speisermasse nach Beendigung der exothermen Reaktion einen höheren Isolierwert.

Im Vorfeld der folgenden Analyse ist voranzustellen, dass die heute verwendeten Speisersysteme für die großtechnische Serienproduktion ein bereits weit auf den Produktionsprozess optimiertes Leistungspaket darstellen. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Anwendungstechnik mit dem Ziel, die Speisereinsätze möglichst nah an den relevanten Knotenpunkten zu positionieren und zugleich einen Beitrag zur Optimierung der Putzkosten zu leisten, konnte dem Gießer in den letzten Jahren ein breites Feld an flexiblen und auf den individuellen Anwendungsfall abstimmbaren Speisersystemen zur Verfügung gestellt werden.

Als relevantes Maß für die Effizienz eines Speisersystems kann neben dem Modul eines Speisers dessen Aussaugbarkeit identifiziert werden. Dies ist für den Gießer die wohl relevanteste Größe im Prozess, da durch die Ausbringungsquote des Gießsystems die Kapazität und Wirtschaftlichkeit des gesamten Produktionsprozesses entscheidend beeinflusst wird. Ist der Gießer in der Lage seine Ausbringung zu steigern, kann er die vorhandenen Produktionskapazitäten – insbesondere Schmelzbetrieb, Formanlage, Putzerei – besser ausnutzen und somit bei gleichem Einsatz an Produktionsfaktoren, also Maschinen- Energie- und Personaleinsatz, mehr „guten Guss“ produzieren. Demzufolge setzen die Gießereien heute zunehmend mehr hochexotherme Speisereinsätze ein.

Wie bereits im vorangegangenen Teil dieses Beitrages beschrieben, gibt die exotherme Speisermasse Energie ab und führt diese dem Gießprozess gezielt punktuell zu. Betrachtet man den Temperaturverlauf im Umfeld des Speisers genauer, so stellt man fest, dass die Energie der exothermen Reaktion nur zu einem bestimmten Anteil an das Speisermetall abgegeben wird. Der exotherme Speisereinsatz ist umgeben vom Formsand, der eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, soll er doch die Erstarrung des Gussteils möglichst schnell gewährleisten.

Vergleicht man die in Bild 2 schematisch gezeigten relevanten Oberflächen, also die Kontaktfläche des Flüssigmetalls im Speiserinneren, durch die das Flüssigmetall Energie aufnehmen kann, mit der Kontaktfläche des Speisers außen mit dem Formsand, also der Kontaktfläche, mit welcher der Speiser Energie an den Formsand abgibt, so stellt man fest, dass diese deutlich größer ist und somit ein hoher Anteil der exothermen Energie in den Formsand abgeleitet wird. Es stellt sich somit die Frage, ob und wie die exotherme Energie effizienter genutzt bzw. in Richtung des Speiserinneren gelenkt werden kann.
 

Durch die Verringerung der Energieabgabe des Speisers durch die äußere Speiseroberfläche an den Formstoff kann bei gleicher Außengeometrie ein höherer Speisermodul dargestellt werden. Im vorliegenden Beispiel konnte mit einem ECO-Speiser mit geringerem Volumen und kleinerer Exothermität eine Modulplatte dichtgespeist werden, die mit einem rein exothermen Speiser mit leicht größerer Außengeometrie ein klares Lunkerbild im Übergang Speiserhals/ Modulplatte zeigt. Die in Bild 3 gezeigten Simulationsergebnisse des modular aufgebauten ECO-Speisers in Vergleich zu einem herkömmlichen Speiser konnten in den Versuchsreihen bestätigt werden (Bild 4).
 

Aufgrund des höheren Moduls des Speisers bei gleicher Speisergeometrie werden neue Anwendungsmöglichkeiten für Speisersysteme erschlossen. Zur optimalen Plattennutzung – und somit zur Steigerung der Prozesseffizienz – können Teile des Speisersystems in das Innere der Kernpakete verlagert werden, anstatt diese durch platzraubende Seitenspeiser darzustellen. Erstmals ist es gelungen, einen Speiser mit exothermer Wirkung ganz dicht an der Gussstückkontur zu platzieren (Bild 5).