Fachartikel

1.08.2019
erschienen in GIESSEREI Heft 8|2019

ECO-Form – ein Konzept für das Handformgießen kleiner Serien

3-D-Darstellung eines ECO-Form-Formkastens in runder Bauform.

Das Handformsandgießen erlaubt eine Gestaltungsvielfalt und -freiheit wie sie kaum ein anderes Fertigungsverfahren bietet. Wirtschaftlicheres Handformgießen als bisher ermöglicht jetzt das ECO-Form-Konzept mit an das Gussteil angepassten Formkastengeometrien, die für die Optimierung des Verhältnisses von Formstoff zu Gussteil sorgen.

VON JENS MÜLLER-SPÄTH, FREUDENBERG

Das Handformgießverfahren wird für ganz unterschiedliche Geometrien, Größenklassen und Werkstoffe eingesetzt, die in Gießereien zu beeindruckenden Produkten für ganz unterschiedliche Industriezweige werden. Die Gewichtsklassen der Gussstücke reichen hier von wenigen Kilogramm bis zu weit über 100 Tonnen. Bei der Herstellung von Handformguss werden schüttfähige Gießereiformstoffe verwendet – größtenteils auf der Basis von Quarzsand und in der Regel mit Kunstharzen gebunden. Die Bindemittel werden dem Formstoff in Durchlaufwirbelmischern zugegeben. 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.

Funktion von Formkasten und Formstoff

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 in plastischem 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. Druck erzeugen (z.B. bei Gusseisen mit Kugelgrafit). 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 Gussteilerstarrung thermisch „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 Produktvielfalt bzw. des Gusssortiments steht nur sehr selten der optimale Kasten zur Verfügung.

Vorteile modifizierter Formkästen

Das Verhältnis von Sand zu Guss bestimmt nicht unwesentlich die Herstellkosten eines Gussteils. In diesem Zusammenhang sind nicht nur Sand- und Binderkosten zu sehen, sondern weitaus mehr. Die notwendige Abkühlzeit des Metalls in der Form definiert die Belegung der Produktionsflächen wesentlich 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 spezieller, 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 Formkastenrand zu füllen, sondern die Formstoffschicht nur wie eine Schale innerhalb des Schorengitters im Kasten aufzufüllen. Es entsteht eine neue technische Variable – nämlich unterschiedliche Formstoffstärken, gepaart mit einem angepassten Schorengitter an unterschiedlichen Gussteilpartien, die dem Technologen erlauben, auf Kühlkokillen oder 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. Mit der Anwendung des ECO-Form-Verfahrens wird nicht nur die eingesetzte Formstoffmenge signifikant reduziert, weitere positiven Auswirkungen 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

Die vorgestellte ECO-Form-Technologie ermöglicht es, in der Handformerei mit Formgeometrien zu arbeiten, die an die Gussteilgeometrie angepasst sind.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 eine im Verhältnis zur Kompaktform geringe Formstoffschicht eingebracht wird. Das Schorengitter gewährleistet die notwendige Stabilität der Form und beschleunigt zusätzlich die Abkühlung des Gussteils. 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 den hierzulande weitverbreiteten kaltselbsthärtenden Formstoffen auf Furan- oder Phenolharzbasis mit allen selbsthärtenden Formstoffsystemen verwendet werden.

www.gut-gmh.de
www.eco-form.de

Dipl.-Ing. Jens Müller-Späth, G U T Giesserei Umwelt Technik GmbH, Freudenberg