13.02.2019 | Ausgabe 1-2/2019

ECO-FORM – ein Konzept für Handformguss in kleinen Serien

Formen für Rotornaben – links ECO-FORM, rechts konventionell / Quelle: GUT GmbH

Handgeformter Sandguss erlaubt eine Gestaltungsvielfalt und -freiheit wie sie kaum ein anderes Fertigungsverfahren bieten kann. Ganz unterschiedliche Geometrien, Größenklassen und Werkstoffe werden eingesetzt, und die Gießereien stellen beeindruckende Produkte her, die in den unterschiedlichsten Industriezweigen eingesetzt werden. Die  Gewichtsklassen der Gusstücke reichen hier von wenigen Kilogramm bis zu weit über 100 Tonnen. Das ECO-FORM-Konzept ermöglicht durch an das Gussteil angepasste Formkastengeometrien die Optimierung des Verhältnisses Formstoff : Gussteil und damit eine wirtschaftlichere Fertigung im Handformverfahren.

ECO-Form – A Concept for Hand Casting in small Series 
Handmade sand casting offers in comparison to other production technologies a lot of opportunities for the geometry of the produced castings. Some different geometries, weight classes and alloys are used for the production of impressive castings for different industrial areas. The mass of the castings is in the weight scope between less than one kg and more than 100 tons. The ECO-FORM concept offers through adapted mold box geometries a optimization of the ratio sand : metal and a more profitable production.

Bei der Herstellung von Handformguss werden schüttfähige Gießereiformstoffe – größtenteils auf der Basis von Quarzsand – und in der Regel mit Kunstharzen gebunden, verwendet. Die Bindemittel werden dem Formstoff in Durchlaufwirbelmischern  zugegeben werden. Der gemischte Formstoff wird auf das mit Formkästen abgegrenzte Modell gegeben, ggf. von Hand oder maschinenunterstützt verdichtet, und es entsteht nach der Aushärtung des Sand-/Bindergemischs eine Form, bzw. Formhälfte, die dann im ausgehärteten Zustand z.B. per Hallenkran manipulierbar ist.

Die Gießereiformkästen und der Formstoff selbst haben unterschiedliche Funktionen und Aufgaben zu erfüllen. Während  die Formkästen über geeignete Lastanschlagmittel verfügen, verhindern sie, dass der Formsand im plastischen Zustand aus der Form ausläuft (Kästen sind also „Formstoffbegrenzer“) und haben auch Stabilitätsfunktionen zu erfüllen. Dies gilt insbesondere dort, wo Gusswerkstoffe beim Erstarren zusätzliche Kräfte, bzw. Druckerzeugen (z.B. Sphäroguss).

Die Menge der eingesetzten Formstoffe hängt wesentlich von der Größe des verwendeten Formkastens ab, weil für jede Gussform eine bestimmte Formstoffschicht  zwischen Metall und Formkasten benötigt wird, die die Gussteilerstarrungthermisch „aushalten“ muss. Damit die Form nicht ausläuft, wird der Formkasten  eher zu groß als zu klein ausgewählt.

Der Formkastenpark einer jeden Gießerei  ist endlich, und wegen der Produktvielfaltbzw. des Gusssortiments steht nur sehr selten der optimale Kasten zur Verfügung. 
Das Verhältnis von Sand zu Guss bestimmt nicht unwesentlich die Herstellkosteneines Gussteils. In diesem Zusammenhang sind nicht nur Sand- und Binderkosten  zu sehen, sondern weitaus mehr. Die notwendigeAbkühlzeit des Metalls in der Form  definiert die Belegung der Produktionsflächenwesentlich mit und wenn es gelingt, Kühlzeiten zu verkürzen, wird Potenzial  für Produktionssteigerung geschaffen. Ein weiteres Thema im Zusammenhang mit der Formstoffverwendung ist sein nicht unwesentliches Gewicht insbesondere bei großen Bauteilen.

Am Beispiel einer Nabe für eine Windkraftanlage wird deutlich, dass aufgrund der Produktgeometrie bei konventioneller Formtechnik ein sehr ungünstiges Sand-/  Guss-Verhältnis entsteht. Für ein Netto- Gussgewicht von 10 Tonnen werden oft 100 Tonnen Formstoff oder sogar mehr benötigt. Das kann Krane schnell aus- oder gar überlasten und daher sind Gewichtseinsparungen in diesem Kontext sehr willkommen. Die Windkraftnabe ist ein ideales Beispiel für das ECO-FORM-Konzept, weil das Gussteil oft in Serien vorkommt und groß ist.
Die hier beschriebene ECO-FORM-Technologie zeichnet sich durch die Verwendung von speziellen, an die Modellkontur angepasste, durch Schorengitter stabilisierte Spezialformkästen, aus. Die Schoren aus Stahl werden dabei individuell so gestaltet, dass sie nah am Bauteil positioniert werden und so auch noch die Funktion des Wärmetransports übernehmen. Dadurch wird es u.a. möglich, Formen  nicht mehr komplett bis zum Formkastenrandzu füllen, sondern die Formstoffschicht  nur wie eine Schale innerhalb des Schorengitters im Kasten aufzufüllen. Esentsteht eine neue technische Variable –  nämlich unterschiedliche Formstoffstärken gepaart mit einem angepassten Schorengitteran unterschiedlichen Gussteilpartien,  die dem Technologen erlauben, auf Kühlkokillenoder ähnliches zu verzichten.

Dabei sind minimale Abstände der Schoren zum Modell von 30 mm technisch bestätigt. Durch in die verschweißten Schoren  eingebrachte Bohrungen wird der ausgehärtete Formstoff stabil gehalten. Durchdie Anwendung des ECO-FORM-Verfahrens wird nicht nur die eingesetzte Formstoffmenge  signifikant reduziert, weitere positivenAuswirkungen sind zum Beispiel:

  • geringere Formstoff- und Binderkosten   
  • Entfall von Kühl- und Armiereisen 
  • verkürzte Abkühlzeiten in der Form
  • geringere Eigenspannungen im Gussteil 
  • geringes Formgewicht
  • Entfall von Lasteisen durch verklammerte Kastenhälften

Zusammenfassung
Durch die vorgestellte ECO-FORM-Technologie  wird die Möglichkeit gegeben, in der Handformerei mit an die Gussteilgeometrie angepassten Formgeometrien zu arbeiten. Dadurch kann ein optimales bzw. minimales Verhältnis von Formstoff und Metall eingestellt werden. Möglich wird dies durch die Verwendung von geschweißten Schorengitterformkästen, in die nur noch eineim Verhältnis zur Kompaktform geringe  Formstoffschicht eingebracht wird.

Das Schorengitter gewährleistet die notwendige Stabilität der Form und beschleunigt  zusätzlich die Abkühlung des Gussteiles. Durch den Entfall von Kühleisen oder Lastgewichten wird eine verkürzte Herstellzeit der Formen erreicht. Sinnvoll wird der Einsatz der Spezialformkästen bei geometrisch ähnlichen Bauteilen bzw. bei entsprechendes Los- bzw. Seriengrößen. Das Verfahren kann neben denhierzulande weitverbreiteten kaltselbsthärtenden  Formstoffen auf Furan- oder Phenolharzbasis mit allen selbsthärtenden Formstoffsystemen verwendet werden.


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