Metall (Subject) / urformende Fertigungsvefahren (Lesson)

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• Urformen (DIN 8560) Urformen ist das Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff, durch Schaffen des Zusammenhalts. Hierbei treten die Stoffeigenschaften des Werkstoffs bestimmbar in Erscheinung. Der formlose Stoff industrieller Fertigung ist normalerweise eine Flüssigkeit (Schmelze) oder ein Pulver. (Kunststoffteile werden aus Granulat gefertigt.)
• wesentliche Prozessvarianten des Gießens - Stranggießen (im Anschluss an die Stahlherstellung oder Verhüttung von Metallen) - Formgießen Sandguss Kokillenguss
• Wann werden verlorene Formen eingesetzt? - bei komplizierten Formen mit Hinterschneidungen - für Kerne, die dann Hohlräume im Gussstück bilden - bei hohen Schmelztemperaturen des Werkstoffs (Formsand ist temperaturunempfindlich) - bei Stückzahlen, für die die Herstellung von Kokillen unwirtschaftlich ist
• Sandguss-Formverfahren - Handformen - Maskenformverfahren (Croningverfahren) - Wachsschmelzverfahren (Feinguss) - lost-foam-Verfahren - rapid-prototyping (Stereolithographie, direct croning-Verfahren)
• Welche Elemente sind außer dem Werkstück Bestandteil des Modells beim Handformen? - Einguss - Speiser - Lauf - Anschnitt
• Vorteile des croning-Verfahrens - geringer Verbrauch an Kernsand - gute Oberfläche der Form
• 4 Vorteile des lost-foam-Verfahrens - fast unbegrenzte Freiheit bei der Gestaltung der Gussstücke - keine Teilungsebene - gute Oberfläche - geringer Putzaufwand
• 4 Vorteile des Kokillengusses - höhere Arbeitsproduktivität durch Entfall der Formherstellung - höhere Ausbringung durch schnellere Kühlung - geringerer Putzaufwand - bessere Oberfläche der Gussteile
• Nachteile des Kokillengusses - hoher Herstellungs- und Wartungsaufwand der Kokillen - höhere Eigenspannung der Gussteile durch schnelle Abkühlung - Gefahr von Gießfehlern durch schlechte Entgasung der Form
• Vorteile des Niederdruckgusses - geringe Energiekosten durch geringe Mengen an Kreislaufmaterial - gute Gussqualität durch beruhigtes Einströmen der Schmelze
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• Betriebsteile einer Gießerei - Modellbau - Formerei - Werkzeugbau - Kernmacherei - Sandaufbereitung - Schmelzbetrieb - Gussputzerei - Wärmebehandlung
• wichtige Formgebungsverfahren der Pulvermetallurgie - Pressen und Sintern (konventionelle Pulvermetallurgie) - Pulverschmieden (zusätzliche Kalibrierung) - Pulverspritzguss (MIM metal injection moulding) - heiß-isostatisches Pressen (HIP)
• Pulverspritzguss Zum MIM wird eine spezielle Pulvermischung verwendet, bei der die Pulverkörner vom Binder ummantelt sind, sodass sie besonders gut fließen. Das Pulver wird (ähnlich wie beim Kunststoffspritzguss) in die Form eingefüllt und verpresst. Der Binder plastifiziert, sodass der Grünling seine Form behält. Durch Sintern wird der Binder ausgetrieben, das Pulver "verschweißt", und das Werkstück erhält seine endgültige Dichte, Form und Festigkeit. Die Werkstücke sind in den meisten Fällen von so hoher Qualität, dass kein weiterer Nachbearbeitungsschritt nötig ist.
• heiß-isostatisches Pressen (HIP) Das Metallpulver wird in eine Negativform eingekapselt. Die Form wird nach der Befüllung und Verdichtung des Pulvers verschlossen und gasdicht verschweißt. Die Kapsel wird dann für mehrere Minuten bis mehrere Stunden, je nach Werkstückgröße, einem allseitig wirksamen isostatischen Druck (20 bis 300 MPa) und Sintertemperaturen ausgesetzt. Das Pulver wird dadurch verdichtet und zu einem Körper mit annähernder Festkörperdichte komprimiert. Im letzten Schritt wird die Kapsel vom Sinterteil getrennt, meist abgedreht oder abgefräst.
• Maskenformverfahren Der Formsand wird mit Kunstharzbindemittel auf ein aufgeheiztes (ca. 250 bis 300 °C) und mit Trennmittel beschichtetes Modell geschüttet. Auf der heißen Modelloberfläche härtet der Formsand und bildet eine feste Haut (Maske). Der überflüssige Formsand wird nun entfernt. Die Formmaske wird bei ca. 500 °C ausgehärtet und kann abgehoben werden. Um ihre Stabilität für größere Gusswerkstücke zu erhöhen, kann sie hinterfüllt oder verstärkt werden. Für Hinterschneidungen an Gusswerkstücken müssen mehrere Formmasken verklebt werden.
• Feinguss Modelle aus Wachs werden zunächst mit feinem Quarzsand umhüllt. Durch mehrmaliges Tauchen in flüssigen, keramischen Formschlicker (Besanden) und anschließendes Trocknen wird eine keramische Schale aus mehreren fest miteinander verbundenen Schichten aufgebaut. Die Form wird in einen Formkasten eingesetzt und mit Sand hinterfüllt. Die Wachsmodelle werden bei ca. 160 °C ausgeschmolzen und die Form anschließend bei 900 bis 1200 °C gebrannt. In die heiße Form wird dann der flüssige Gusswerkstoff gegossen. Mit diesem Verfahren werden kleinere, einbaufertige Gussstücke in höchster Genauigkeit und bester Oberflächenqualität hergestellt.
• Stranggießen Mit Strangguss werden nach der Metallverhüttung mit dem Festlegen der metallurgischen Werkstoffeigenschaften erstmals Halbzeuge zur Weiterverarbeitung hergestellt. Die Schmelze fließt kontinuierlich durch eine rechteckige, gekühlte Form, die Stranggusskokille. Während des Durchlaufs erstarrt zumindest die Randzone des Strangs, sodass endloses Stangenmaterial entsteht. Der abgezogene Strang wird weiter gekühlt und abgelängt. Die abgelängten Stränge (Stahlbrammen) werden anschließend auf eine gleichmäßige Walztemperatur erwärmt und im Walzwerk zu verkaufsfähigem Stangenmaterial oder Blechen gewalzt.
• erforderliche Werkzeuge und Maschinen fürs Pulverschmieden - Formwerkzeug - Presse - Sinterofen - Schmiedegesenk - Kalibrierpresse
• erforderliche Werkzeuge und Maschinen für Kokillen-Schwerkraftguss - Kokillen, Kernbüchsen - Kernschießmaschinen - Gießstand oder Gießkarussell
• Vorteile der pulvermetallurgischen Verfahren (5 v. 7) - hohe Werkstoffausnutzung - geringer Energieverbrauch - hohe Genauigkeit auch bei komplizierten Geometrien - Herstellung von Werkstücken hoher Genauigkeit aus harten oder spröden Werkstoffen, die spanend schwierig zu bearbeiten sind - meist keine Nachbearbeitung nötig (near-net-shape-Produktion) - Bearbeitung von Metallen mit hohen Schmelzpunkten - Herstellung von Werkstoffen aus nicht legierbaren Elementen
• Druckguss Die Schmelze wird in der Kammergießmaschine getrennt von der Maschine und dosiert für jeden Schuss zugeführt. (Beim Warmkammerdruckguss ist der Warmhalteofen für die Schmelze direkt neben der Druckgussmaschine angebaut.) Da das flüssige Metall mit hohem Druck (bis 200 MPa) und hoher Geschwindigkeit in die Form gedrückt wird, können zum Druckguss nur Dauerformen ohne Sandkern verwendet werden. Dafür wird die Form sicher gefüllt, sodass auch dünnwandige Werkstücke mit komplizierter Geometrie gegossen werden können. Gegenüber dem Niederdruckguss sind die Prozesszeiten kürzer, weil die Form schneller gefüllt wird und schneller abkühlt.
• Gliederung der Urform-Verfahren (DIN 8580) 1.1 aus dem flüssigen Zustand 1.2 aus dem plastischen Zustand 1.3 aus dem breiigen Zustand 1.4 aus dem körnigen oder pulverförmigen Zustand 1.5 aus dem span- oder faserförmigen Zustand 1.6 aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand 1.7 aus dem ionisierten Zustand
• Hauptbestandteile von Formsand - Formgrundstoff (Quarzsand, Zirkon o.a.) - Formstoffbindemittel (silikatische Binder, Kohlehydrat-, Öl-, Kunstharzbinder o.a.) - Zuschlagsstoffe
• Verfahren zur Herstellung verlorener Formen - Verdichtungsprinzip -> tongebundener Formstoff - Verfestigung durch Unterdruck -> physikalisch gebundener Formstoff - Verfestigung durch Aushärten -> chemisch gebundener Formstoff
• Schmelzverfahren - Schachtschmelzen im Kupolofen (Gusseisen, Temperguss) - Induktionsschmelzen im Induktionstiegel- oder -rinnenofen (alle Gusswerkstoffe) - Lichtbogenschmelzen (Stahl) - Tiegelschmelzen (NE-Metalle)
• Maschinenformen von verlorenen Formen: Was ist der Unterschied zwischen Formmaschinen und Form- und Gießanlagen? Während bei Formmaschinen i.d.R. das Zuführen und Verdichten des Formstoffs und das Abheben der Form vom Modell mechanisert sind, führen Form- und Gießmaschinen darüber hinaus auch alle Transportvorgänge und das Gießen aus.
• Auf welchen Mechanismen beruht der Stoffzusammenhalt von Pulverpressteilen? - mechanisches Verklammern der Pulverteilchen - Adhäsionskräfte
• Auf welchem Mechanismus beruht der Stoffzusammenhalt von Sinterteilen? chemische Verbindung der Pulverteilchen
• Verfahrensvarianten der Pulvermetallurgie, die relativ gleichmäßige Festigkeitsverteilungen im Sinterteil bewirken - zweiseitiges Pressen - schwebende Matrize - Matrizen-Abziehverfahren
• Warum kommt es beim einseitigen Pressen zu einer unterschiedlichen Festigkeitsverteilung? Beim einseitigen Pressen nimmt auf Grund der Reibung zwischen dem Pulver und der Matrizenwand die Pressdichte des Grünlings über dessen Höhe ab. Das hat letztlich unterschiedliche Festigkeitsverteilungen im Sinterteil zur Folge.
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• typische Werkstoffe für Warmkammer-Druckguss (2 v. 3) - Zink- - Zinn- - Bleigusswerkstoffe
• typische Werkstoffe für Kaltkammer-Druckguss - Aluminium- - Kupfergusswerkstoffe
• Vorteile des Druckgießens (7 v. 9) - bei hohen Stückzahlen sehr wirtschaftlich - hohe Genauigkeiten - hohe Oberflächenqualität - geringe Nachbearbeitung - geringe Formfüllungszeiten, so dass auch engste Spalten der Form mit Schmelze gefüllt werden - komplizierte Teile mit geringen Wandstärken - vollautomatischer Ablauf realisierbar - schnelle Takt- und Zykluszeiten - produktivstes Gießverfahren
• Wovon hängt die beim Gesenkschmieden erreichbare Genauigkeit ab? (3 v. 4) - Führungsgenauigkeit der Maschine - Genauigkeit der Vorform - Genauigkeit der Gesenke - Einhaltung des Temperatur-Zeit-Regimes von Werkstück und Werkzeug
• Einteilung der Urformverfahren nach Art der Formgebung (3 v. 4, mit Sätzen) - Urformen durch Schwerkraftwirkung Der Formhohlraum füllt sich durch Wirkung der Schwerkraft mit formlosem Stoff. - Urformen durch äußeren Druck Der formlose Stoff wird durch von außen aufgebrachten Druck in den Formhohlraum gepresst. - Urformen durch Zentrifugalkraftwirkung Die in rotierende Dauerformen eingebrachte Schmelze wird durch die dort wirkende Zentrifugalkraft über die Innenwand der Form verteilt. - Urformen durch Druckwirkung des Urformwerkzeugs Die Ausfüllung des Formhohlraums wird durch die Druckwirkung des aktiven Urformwerkzeugs bewirkt.
• Möglichkeiten zur Metallpulverherstellung (4 v. 5) - Zerkleinern (Mahlen) fester Stoffe - Zerstäuben von Schmelze - Verdampfen und Kondensieren - Reduktion von Metallverbindungen - elektrolytische Abscheidung
• Vorteile des Vollformgießens (6 v. 9) - ungeteilte Form - ungeteiltes Modell - keine Aushebeschrägen erforderlich - keine Kerne erforderlich (Hinterscheidungen und Hohlräume sind möglich) - Das Modell umfasst bereits Eingusssystem und Steiger. - für große Teile (bis mehrere Tonnen) geeignet - für kleine Stückzahlen geeignet - kein Grat - kein Versatz
• Grundprinzip des Rapid Prototyping Zunächst wird ein rechnerinternes 3D-Modell des zu fertigenden Bauteils erzeugt. Im nächsten Schritt wird das Modell in dünne horizontale Schichten zerlegt. Die erzeugten Schichtinformationen werden anschließend zur jeweiligen Rapid Prototyping-Anlage übertragen, in der dann schichtweise das stoffliche (reale) Bauteil anhand der Schichtinformationen generiert wird.
• Vorteile des Feinschmiedens (gegenüber Freiformschmieden; 3 v. 4) - höhere Arbeitsproduktivität - höhere Fertigungsgenauigkeit - geringere Bearbeitungszugaben - bessere Arbeitsbedingungen
• offener Herdguss Ein ungeteiltes Modell wird in den Formstoff der Gießgrube eingedrückt, um die nur an der Unterseite profilierte Gussform zu bilden.
• gedeckter Herdguss Die Gussform ist auch an der Oberseite profiliert. Analog dem Kastenformen wird über dem Herd ein Oberkasten eingeformt.

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