Schmuck: Giessen

Das Giessen als Fertigungsverfahren zählt zu den Urformverfahren und ist vermutlich sogar das älteste Formgebungsverfahren.

Unter dem Fertigungsverfahren Giessen versteht man das Giessen von flüssigem Metall in eine Form, die einen Hohlraum mit der gewünschten Form hat, und diese dann abkühlen und sich verfestigen lässt. Der verfestigte Teil wird auch als Gussteil bezeichnet, der aus der Form herausgestoßen oder herausgebrochen wird, um den Vorgang zu vollenden. Das Giessen wird am häufigsten für die Herstellung von komplexen Formen verwendet, die nur schwer oder unwirtschaftlich durch andere Methoden hergestellt werden könnten.[1]

 

Geschichte

Giessverfahren sind seit Tausenden von Jahren bekannt und werden für das Skulpturieren, vor allem in Bronze, für die Schmuckherstellung aus Edelmetallen und für Waffen und Werkzeuge angewandt. Traditionelle Techniken sind das Wachsausschmelzverfahren, Gipsformguss und Sandguss. Bereits prähistorische Kulturen entwickelten Haupttypen von Gussformen.

Das moderne Giessverfahren wird in zwei Hauptkategorien unterteilt: Giessen in Dauerformen und Guss in verlorener Form.  Es wird weiters nach dem Formstoff unterteilt, wie Sand oder Metall, und Giessmethoden, wie Schwerkraft, Vakuum oder Unterdruck.[2]

 

Guss in verlorener Form

Eisengiessen

Eisengiessen

Guss in verlorener Form ist eine generische Klassifikation, die Sand-, Kunststoff-, Schalen-, Gips- und Feinguss- (Wachsausschmelzverfahren) Formteile umfasst. Diese Methode des Formgiessens ist die Verwendung von temporären, nicht wiederverwendbaren Formen.

 

Sandguss

Sandguss ist eine der beliebtesten und einfachsten Arten des Giessens, die bereits seit Jahrhunderten verwendet wird. Sandguss ermöglicht es, kleinere Teile im Vergleich zu Kokillenguss und zu sehr vernünftigen Kosten herzustellen. Es gibt aber auch noch andere Vorteile beim Sandguss, wie z.B. die variable Größe der Gussteile. Die Gussteile können so klein sein, dass sie auf eine Handfläche passen oder eine so grosse Zugform haben, dass aus einer Gussform ein ganzes Schienenfahrzeug hergestellt wird. Sandguss ermöglicht es auch die meisten Metalle zu giessen, abhängig von der Art des verwendeten Sandes für die Formen.[3]

Sandguss erfordert eine Vorlaufzeit von Tagen für die Produktion bei einer hohen Ausgaberate und funktioniert unübertrefflich bei der Großteilefertigung. Grüner (feuchter) Sand hat fast keine Teilgewichtsgrenze, während trockener Sand eine praktische Teilgrenzmasse von 2.300-2.700 kg hat. Das minimale Teilgewicht reicht von 0,075 bis 0,1 kg. Der Sand wird mit Ton, chemischen Bindemitteln oder polymerisierten Ölen (zB. Motoröl) miteinaner verbunden. Sand kann viele Male bei den meisten Verfahren verwendet werden und benötigt nur wenig Wartung.

 

Gipsformgiessen

Gipsformgiessen ähnelt dem Sandguss, ausser dass der Gips aus Paris durch Sand als Formstoff ersetzt wird. Allgemein benötigt die Vorbereitung der Form weniger als eine Woche, wobei eine Produktionsrate von 1-10 Einheiten/h x Form erreicht wird; mit Gegenständen so massiv wie 45 kg bis zu so kleinen wie 30g mit einem sehr guten Oberflächenfinish und minimalen Toleranzen.[4] Gipsgiessen ist eine kostengünstige Alternative für andere Formen komplexer Teile, aufgrund der niedrigen Kosten des Gips und seine Fähigkeit endformnahe Gussteile herzustellen. Der größte Nachteil besteht darin, dass er nur für Nichteisenmetalle mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet werden kann, wie Aluminium, Kupfer, Magnesium und Zink.[5]

 

Schalenformverfahren

Das Schalenformverfahren ähnelt dem Sandguss, doch der Formhohlraum wird durch eine gehärtete „Schale“ aus Sand anstelle eines Kolbens mit Sand gefüllt. Der verwendete Sand ist feiner als der Sandguss-Sand und wird mit einem Harz vermischt, sodass es durch das Muster erhitzt und in eine Hülle um das Muster gehärtet wird. Wegen des Harzes und dem feineren Sand ergibt dies eine viel feinere Oberflächenbeschaffenheit. Das Verfahren kann leicht automatisiert werden und ist genauer als der Sandguss. Übliche Metalle, die so gegossen werden, sind Gusseisen, Aluminium, Magnesium und Kupfer-Legierungen. Dieses Verfahren ist ideal für komplexe Elemente von kleiner bis mittelgroßer Größe.

 

Feinguss

Feinguss (in der Kunst als Wachsausschmelzverfahren bekannt) ist ein Prozess, der seit Tausenden von Jahren praktiziert worden ist, bei dem das Wachsausschmelzverfahren als eine der ältesten bekannten Metallformungs-Techniken gilt. Von vor 5000 Jahren, als Bienenwachs das Muster bildete, bis zu den heutigen hochentwickelten Wachsen, feuerfeste Materialien und Speziallegierungen, versichern diese Gussteile, dass hochwertige Komponenten mit Genauigkeit, Wiederholbarkeit, Flexibilität und Integrität hergestellt werden können.

Feinguss leitet seinen Namen von der Tatsache ab, dass das Muster an einem feuerfesten Material angelegt oder davon umgeben wird. Die Wachsmuster erfordern höchste Sorgfalt, da sie nicht stark genug sind, um den Kräften während des Formenbau standzuhalten. Ein Vorteil des Feingusses ist es, dass das Wachs wiederverwendet werden kann.[4]

Das Verfahren eignet sich zur Herstellung von wiederholbaren Endform-Komponenten aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Metallen und Hochleistungslegierungen. Obwohl es in der Regel für kleine Gussteile verwendet wird, wurde dieser Prozess verwendet, um komplette Flugzeuge-Türrahmen herzustellen, mit Stahlguss von bis zu 300kg und Aluminium-Gussteilen von bis zu 30kg. Im Vergleich zu anderen Giessverfahren, wie Druckguss oder Sandguss, kann dies ein teures Verfahren sein. Doch die Komponenten, die durch den Feinguss hergestellt werden, können komplizierte Konturen beinhalten und in den meisten Fällen werden die Komponenten endformnahe gegossen. Somit erfordern sie wenig oder gar keine Nacharbeit nach dem Giessen.

 

Giessen in Dauerformen

Giesserei

Giesserei

Das Giessen in Dauerformen unterscheidet sich von den Gussprozessen in verlorenen Formen in dem, dass die Form nicht nach jedem Produktionszyklus neu geformt werden muss. Diese Technik beinhaltet mindestens vier verschiedene Methoden: Kokillen-, Druck-, Zentrifugal- und Strangguss. Diese Form des Giessens führt auch zu einer verbesserten Reproduzierbarkeit bei Teilen und liefert endformnahe Ergebnisse.

 

Kokillenguss

Kokillenguss ist ein Metallgussprozess, der wiederverwendbare Formen („Kokillen“) in der Regel aus Metall benötigt. Das üblichste Verfahren nutzt die Schwerkraft, um die Form zu füllen, jedoch werden auch Gasdruck oder Vakuum zum Einsatz gebracht. Eine Art des typischen Kokillengussprozesses wird Schlamm-Gießen genannt, bei dem hohle Gussteile hergestellt werden. Häufige Gießmetalle sind Aluminium, Magnesium und Kupfer-Legierungen. Weitere Materialien sind Zinn, Zink und Blei-Legierungen. Eisen und Stahl werden auch in Graphitformen gegossen. Obwohl Kokillenformen mehr als einem Guss standhalten, haben sie dennoch eine begrenzte Lebensdauer vor ihrer Abnutzung.

 

Druckguss

Beim Druckgussprozess wird geschmolzenes Metall unter hohem Druck in Hohlraumformen gepresst (durch Maschinen in die Form gepresst). Die meisten Druckgussteile werden aus eisenfreien Metallen hergestellt, insbesondere Zink-, Kupfer- und Aluminium-basierende-Legierungen, aber der Eisenmetall-Druckguss ist dennoch möglich. Die Druckguss-Methode eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen viele kleine bis mittelgroße Teile mit feinem Detail, eine feine Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit erforderlich sind.

 

Halbfester Metallguss

Halbfestes Metallgiessen (SSM) ist ein modifiziertes Druckgussverfahren, das die Restporosität bei den meisten Druckgüssen verringert oder beseitigt. Anstatt  flüssiges Metall als Ausgangsmaterial zu verwenden, wird beim halbfesten Metallguss ein dickflüssigeres Ausgangsmaterial verwendet, das teilweise fest und teilweise flüssig ist. Eine modifizierte Druckgiessmaschine wird verwendet, um den halbfesten Schlamm in wiederverwendbare gehärtete Stahlformen einzuspritzen. Die hohe Viskosität des halbfesten Metalls zusammen mit der Verwendung von kontrollierten Formfüllungsbedingungen gewährleistet, dass das halbfeste Metall die Matrize nicht-turbulent füllt, so daß eine schädliche Porosität vermieden werden kann.

Der vor allem für Aluminium- und Magnesiumlegierungen verwendete halbfeste Metallguss kann bis zur T4, T5 oder T6 Härte wärmebehandelt sein. Die Kombination aus Wärmebehandlung, schnellen Kühlraten (unter Verwendung von unbeschichteten Stahlformen) und minimaler Porosität ergibt eine hervorragende Kombination von Festigkeit und Dehnbarkeit. Weitere Vorteile des halbfesten Metallgiessens sind die Fähigkeit, komplex-geformte Teile endformgenau zu produzieren, Druckdichte, minimale Masstoleranzen und die Fähigkeit, dünne Wände zu formen.[6]

 

Guss-Prozesse

Schleudergießen oder Zentrifugieren wird zum Gießen von kleinen, detaillierten Teilen oder Schmuck verwendet. Ein Gelenkarm dreht sich um eine vertikale Achse, die durch einen elektrischen Motor oder eine Feder angetrieben wird. Der gesamte Mechanismus passiert innerhalb einer Wanne oder Trommel, die heisses Metall enthält, sollte die Form brechen oder ein Überschuß des Metalls verwendet werden. Einweg-Gussformen werden mit dem Wachsausschmelzverfahren verwendet. Eine kleine Menge Metall wird in einem Tiegel (eine Art Keramikpfanne) neben der Form mit einem Brenner beheizt. Wenn das Metall geschmolzen ist, wird der Gelenkarm gelöst und drückt (durch Zentrifugalkraft) das Metall in die Form. Die starken Kräfte auf das Metall überwinden die Viskosität, was zu einem fein detaillierten Werkstück führt. Ein ähnlich gutes Resultat kann durch das Vakuum-Gießen oder den Druckguß erreicht werden.

Für das industrielle Giessen von Kleinteilen mit heißem Metall wird eine scheibenförmige Form innerhalb einer rotierenden Trommel verwendet, um geschmolzenes Metall in der Mitte zu giessen.

 

Glas-Giessen

Diese Technik ist in der Glasindustrie als „Spinning“ bekannt. Die Zentrifugalkraft treibt das geschmolzene Glas gegen die Formwand, wo es erstarrt. Diese Abkühlung erfolgt irgendwann innerhalb von 16 bis 72 Stunden, abhängig von den Verunreinigungen oder dem Volumen des Materials. Typische Produkte, die mit diesem Verfahren hergestellt werden, sind Bildröhren- und Raketen-Bugspitzen.[Bearbeiten]

Der Begriff wird auch für die Herstellung von großen Teleskopspiegeln verwendet, bei dem die natürliche Kurve des geschmolzenen Glases das notwendige Schleifen reduziert. Anstatt das Glas in eine Form zu giessen, ist eine gesamte Drehscheibe mit der Umfangsform und dem Rückseiten-Muster (ein Wabenmuster, um das Endprodukt leichter zu machen) innerhalb eines Ofens enthalten und hebt das verwendete Glasmaterial. Die Konstruktion wird dann erhitzt, während es bei langsamer Geschwindigkeit geschleudert wird, bis das Glas flüssig ist und dann nach und nach über einen Zeitraum von Monaten abgekühlt.

 

Giessprozess-Simulation

Die Giessprozess-Simulation nutzt numerische Methoden, um die Gussbauteilqualität bei der Formfüllung, Erstarrung und Abkühlung zu berechnen und bietet eine Mengenvorhersage mechanischer Giesseigenschaften, thermischen Spannungen und Verzerrungen. Die Simulation beschreibt die Qualität eines Gussteils im vorhinein, bevor die Produktion beginnt. Die Gusstakelung kann in Bezug auf die gewünschten Komponenteneigenschaften erstellt werden. Dies hat Vorteile, die über eine Reduktion bei der Probeproduktion hinaus gehen, da die genaue Auslegung der gesamten Giessanlage auch zu Energie-, Material- und Werkzeug-Kosteneinsparungen führt.

Die Software unterstützt den Anwender beim Entwurf der Komponenten, die Bestimmung des Schmelzverfahrens und Giessmethode, bis zum Muster- und Formenbau, Wärmebehandlung und Veredelung. Das spart Kosten beim gesamten Gussherstellungs-Prozess.

Die Giessprozess-Simulation wurde zunächst an den Universitäten ab den frühen 70er Jahren entwickelt, vor allem in Europa und in den USA und wird als die wichtigste Innovation in der Giesstechnik der letzten 50 Jahren angesehen. Seit den späten 80er Jahren stehen kommerzielle Programme zur Verfügung, die Giessereien neue Einblicke in das ermöglichen, was im Inneren der Form während des Giessprozesses passieren wird.

 

Quellen

[1] Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), Wiley, p. 277
[2] Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), Wiley, p. 278
[3] Schleg, Frederick P.; Kohloff, Frederick H.; Sylvia, J. Gerin; American Foundry Society (2003), Technology of Metalcasting, American Foundry Society, chapters 2–4.
[4] Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven (2006), Manufacturing Engineering and Technology (5th ed.), Pearson
[5] Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), Wiley, p. 315
[6] 0th International Conference Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Eds. G. Hirt, A. Rassili & A. Buhrig-Polaczek, Aachen Germany & Liege, Belgium, 2008

 

Author: Lukas Steiner on 23. Juni 2013
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