Maschinelle Kernfertigung. Grundlagen, Verfahrensablauf und Abhilfe bei möglichen Problemen


Forschungsarbeit, 2015
33 Seiten, Note: 2,3

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis:

1 Einleitung

2 Grundlagen, Stand der Technik
2.1 Übersicht der Kernherstellungsverfahren
2.1.1 Begasungshärtende Verfahren
2.1.2 Heiß- und Warmhärtende Formverfahren
2.1.3 Verfahren mit anorganischen Bindern
2.2 Verfahrensablauf in der maschinellen Kernfertigung
2.3 Maschinen- und Anlagenbestandteile
2.4 Probleme bei der maschinellen Kernherstellung und deren Abhilfemaßnahmen
2.4.1 Blattrippen
2.4.2 Formerosion (Sandeinschlüsse)
2.4.3 Gasblasen
2.4.4 Grat
2.4.5 Kaltriß
2.4.6 Kernbruch
2.4.7 Kernversatz
2.4.8 Glanzkohlenstoffeinschlüsse

3 Ausblick, Trends und Herausforderungen

4 Literaturverzeichnis:

Abbildungsverzeichnis:

Abbildung 1: Maskenformmaschine Croning 1970 (Quelle: Recknagel 2011)

Abbildung 2: Maskenkernblasmaschine (Quelle: Recknagel 2011)

Abbildung 3: Kern in einer Sandform (Quelle: Roller et al. 2015)

Abbildung 4: Zeitliche Entwicklung unterschiedlicher Kernformverfahren (Quelle: Tilch, Polzin 2006)

Abbildung 5: Automatisierte Kernfertigung (Quelle: Laempe, 2015)

Abbildung 6: Übersicht der Verfahren zur Form- und Kernherstellung (Quelle BDG, 2015)

Abbildung 7: Kernschießmaschine (Quelle: Laempe, 2015)

Abbildung 8: Prinzip einer Kernschießmaschine (Quelle: Roller et al. 2015)

Abbildung 9: Offenes System (Quelle: Roller et al. 2015)

Abbildung 10: Geschlossenes System Quelle: Roller et al. 2015)

Abbildung 11: Möglichkeiten zur Temperierung von Kernformwerkzeugen (Quelle: Roller et al. 2015)

Abbildung 12: Einflussfaktoren bei der Kernherstellung (Quelle Wolff, 2009)

Abbildung 13: Kernsandmischer (Quelle: Klein AG 2015)

Abbildung 14: Komponenten einer Kernschießmaschine (Quelle: Klann Anlagentechnik 2015)

Abbildung 15: Begasungsgerät (Quelle: Laempe 2015)

Abbildung 16: Innengeometrien der Schießdüsen (Quelle: Kessler et al. 2009)

Abbildung 17: Formstoffgeschwindigkeit (Quelle: Kessler et al. 2009)

Abbildung 18: Massenstrom der Düsen (Quelle: Kessler et al. 2009)

Abbildung 19: Ausprägung des Formstoffstrahls (Quelle: Kessler et al. 2009)

Abbildung 20: Kernentgratschablone (Quelle: Roller et al. 2015)

Abbildung 21: Blattrippen an einem Kernbereich eines Gussteiles (Quelle: Hasse 2002)

Abbildung 22: Blattrippenneigung verschiedener Binder (Quelle: Hasse 2002)

Abbildung 23: Sandeinschlüsse an einem Gussteil (Quelle: Hasse 2002)

Abbildung 24: Gasblasen in einem Gussteil (Quelle: Hasse 2002)

Abbildung 25: Spannungsrisse an einem Gussteil (Quelle: Hasse 2002)

Abbildung 26: Kernbruch an einem Gussteil (Quelle: Hasse 2002)

Abbildung 27: Kernversatz an einem Gussteil (Quelle: Hasse 2002)

Abbildung 28: Arten von Kernversatz (Quelle: Hasse 2002)

Abbildung 29: Ablauf des 3D-Druckverfahrens (Quelle: Franke 2014)

Abbildung 30: Kosten und Zeitvergleich (Quelle: Franke 2014)

Abbildung 31: Silikatische Bindersysteme (Quelle: Polzin 2015)

Abkürzungsverzeichnis:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Kerne werden benötigt um an Gussteilen Innen- und Aussenkonturen bei Vorliegen von Hinterschnitten herzustellen. Meist werden diese aus Sand gefertigt und dann in die Sandform oder Kokille eingelegt. An Kokillen können Außenkerne auch aus Stahl als hydraulisch betätigte Schieber ausgeführt sein.

Zwar werden seit über 5000 Jahren Metalle in Formen gegossen jedoch sind in den letzten 60 Jahren grundlegende Entwicklungen in der Gießereitechnik getätigt worden. Es hat hier ein Wandel von der empirisch geprägten, handwerklichen Gussherstellung zur wissenschaftlich fundierten industriellen Gussfertigung stattgefunden.

Einen fundamentalen Beitrag hierzu leistete Johannes Carl Adolf Croning mit seinem Patent Nr. 832 937 "Verfahren zur Herstellung von Giessereihohlkernen und Giessereiformhäuten" vom 02. Februar 1944. Dieses revolutionierte die Kernfertigung und begründete den Beginn der Verwendung und Entwicklung von kunstharzgebundenen Formstoffen in der Gussfertigung. Vor dieser revolutionären Entwicklung wurde in der Kernfertigung hauptsächlich Ölsand eingesetzt.

Abbildung 1: Maskenformmaschine Croning 1970 (Quelle: Recknagel 2011)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Maskenkernblasmaschine (Quelle: Recknagel 2011)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um diese Kernfertigung industriell anwendbar zu machen, entwickelte, konstruierte und baute Croning mit seinem Mitarbeiter Mathias Klemmer selbst die Maschinen. Bis 1950 wurden diese Maschinen nach dem Blasverfahren und danach nach dem Kernschießverfahren, welches etwa zur selben Zeit in den USA entwickelt wurde, konstruiert. Ab 1963 kam das Hot-Box-Verfahren, welches in Frankreich entwickelt und in den USA weiterentwickelt wurde, zum Einsatz. Ein weiterer Meilenstein war 1968 die Entwicklung des Cold-Box- Verfahrens, wobei Phenolharze mit katalytischer Aushärtung in kalten Kernkästen zum Einsatz kommen.

(vgl. Recknagel 2011, S.279ff.)

Abbildung 3: Kern in einer Sandform (Quelle: Roller et al. 2015)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Zeitliche Entwicklung unterschiedlicher Kernformverfahren (Quelle: Tilch, Polzin 2006)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Heute findet die Kernfertigung für Großserien meist hoch automatisiert statt. Die Kerne durchlaufen unter geringen Mitarbeitereinsatz verschiedene Arbeitsschritte wie z.B. Entgraten, Montieren / Fügen, Kontrollieren, Schlichten sowie Palettieren. Dadurch können Taktzeiten teilweise halbiert und Produktionsflächen minimiert werden. Teilweise werden hier komplette Kernpakete hergestellt und kontrolliert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(vgl. Muller, Mössner 2011, S.65f.)

Abbildung 5: Automatisierte Kernfertigung (Quelle: Laempe, 2015)

2 Grundlagen, Stand der Technik

2.1 Übersicht der Kernherstellungsverfahren

Für die Fertigung verlorener Kerne sind die folgenden Kernherstellungsverfahren gebräuchlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Übersicht der Verfahren zur Form- und Kernherstellung (Quelle BDG, 2015)

Zur Herstellung von Kernen werden heute nahezu ausschließlich Verfahren mit chemischer Bindung eingesetzt. (Abbildung 6)

Bei diesen wird der Formgrundstoff mit einem Binder vermischt. Nach Zugabe eines Härters kommt es zu einer chemischen Reaktion wodurch die einzelnen Sandkörner miteinander verkleben. Hierdurch erhält der Kern seine erforderliche Festigkeit. Diese liegt 10- bis 20-mal so hoch wie bei tongebundenen Verfahren.

Die chemisch härtenden Formverfahren lassen sich weiter in drei Hauptgruppen unterteilen:

- Kaltselbsthärtende Formverfahren
- Begasungshärtende Formverfahren
- Heiß- oder warmhärtende Formverfahren

Eine weitere Unterscheidung lässt sich nach Art des Bindersystems, in organische und anorganische Binder vornehmen. (vgl. Bühring-Polaczek et al. 2014, S.210f.)

Da die kaltselbsthärtenden Verfahren aufgrund ihrer längeren Aushärte- zeiten in der maschinellen Kernfertigung keine Rolle spielen, soll hier nicht näher auf sie eingegangen werden.

Der Inhalt des folgenden Abschnittes beruht im Wesentlichen auf den Aus- führungen von Hartmut Polzin (vgl. Bühring-Polaczek et al. 2014, S.216ff.)

Für die maschinelle Kernfertigung spielen die begasungshärtenden Verfahren eine große Rolle. Hierbei erfolgt die Aushärtung durch Begasung mit einem gasförmigen Härter oder Katalysator. Dadurch erfolgt die Verfestigung im Bereich weniger Sekunden wodurch Vorteile für die Serien-, und Großserienproduktion entstehen.

Zu den Begasungshärtenden Verfahren zählen: das PUR-Cold-Box- Verfahren, das Resol-CO2-Verfahren, das SO2-Verfahren und das Wasserglas-CO2-Verfahren.

2.1.1 Begasungshärtende Verfahren

2.1.1.1 PUR-Cold-Box-Verfahren

Dieses Verfahren ist mit derzeit 60-70% Anteil das wichtigste begasungs- härtende Kernformverfahren in Deutschland. Dem Formgrundstoff werden bei diesem Verfahren zwei Binderkomponenten zugegeben. Eine Kompo- nente ist dabei ein Phenolharz und die andere Komponente ist ein Polyi- socyanat. Die Binderanteile schwanken hier von ca. 0,5% bis ca. 0,9%, je nach Werkstoff und Geometrie der Kerne. Die Aushärtung der Kerne er- folgt durch Begasung mit einem Katalysator. Hierbei wird ein Amin-Luft- Gemisch verwendet. Als Amine kommen hier DMEA (Dimethylamin) oder TEA (Trithylamin) zum Einsatz. Nach dem Durchleiten des Amins durch den Kern muss dieses wieder aufgefangen und häufig in einem Aminwä- scher nachbehandelt werden.

Zu den Vorteilen dieses Verfahrens zählen:

- hohe Produktivität
- hohe Festigkeiten
- gutes Zerfallsverhalten nach dem Abguss
- gute Fließfähigkeit des Formstoffes
- geringe Anfälligkeit gegen Umgebungseinflüsse wie Temperatur und Feuchtigkeit

Problematisch sind bei dem Verfahren der Arbeits- und der Umweltschutz wobei die Hersteller hier mit Weiterentwicklungen reagieren. (s. Kapitel 3)

2.1.1.2 Resol-CO2-Verfahren

Bei diesem Verfahren wird als Bindemittel ein alkalisches Phenolresolharz verwendet und zur Härtung kommt Kohlendioxid zum Einsatz. Die Bindergehalte liegen hier bei 1,8%-2,5%.

Es werden hier keine so hohen Festigkeiten wie beim PUR-Cold-Box- Verfahren erreicht, wodurch keine sehr komplexen Kerngeometrien realisiert werden können.

2.1.1.3 SO2-Verfahren

Das Verfahren basiert auf einem organischen Bindemittel auf Furanharzbasis. Zusätzlich kommt als Oxidator Peroxid zum Einsatz.

Der Kern wird nach der Fertigung mit Schwefeldioxid begast. Dieses rea- giert mit dem Oxidator und bildet Schwefelsäure. Durch diese härtet der Kern sehr schnell aus. Mit diesem Verfahren können geometrisch schwie- rige Kerne hergestellt werden. Bei diesem Verfahren muss die Maschine komplett gekapselt werden, da hier das Stickgas SO2 verwendet wird.

2.1.1.4 Wasserglas-CO2-Verfahren

Das Wasserglas-CO2-Verfahren ist das älteste Cold-Box-Verfahren über- haupt. Bei diesem Verfahren wird die anorganische Verbindung Wasser- glas (Alkalisilikatlösung) als Binder verwendet. Der Kern wird hierbei mit CO2 begast und härtet dadurch aus. Es werden ca. 2-3% Binder zugege- ben. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist das Fehlen schädlicher Gase und Dämpfe, die unproblematische Abfallentsorgung und die einfache Hand- habung.

2.1.2 Heiß- und Warmhärtende Formverfahren

Bei diesen Verfahren erfolgt die Verfestigung in einem temperierten Werkzeug. Die Grenze zwischen Warm- und Heißhärtung liegt bei ca. 200°C. Bei diesen Verfahren sind die maximalen Kerngrößen viel stärker be- grenzt. Das maximale Kernvolumen beträgt in etwa 5l wobei der Kern hierbei bis zur Durchhärtung einige Minuten im Kernformwerkzeug verbleiben muss. Nachteile bei diesen Verfahren sind die geringe Produktivität und die hohen Werkzeug- und Energiekosten.

2.1.2.1 Hot-Box- und Warm-Box-Verfahren

Zu den Heiß- und Warmhärtenden Formverfahren zählen auch das Hot- Box- und das Warm-Box-Verfahren. Diese heißen so, weil die Kerne hier in temperierten Werkzeugen hergestellt werden. Die Temperierung der Werkzeuge erfolgt durch eine Gas- oder Elektroheizung. Beim Hot-Box- Verfahren werden Phenol- oder Harnstoffharze als Binder verwendet, wel- che bei 220-260°C aushärten. Beim Warm-Box-Verfahren hingegen kommt Furanharz zum Einsatz, welches bei 160-180°C aushärtet.

2.1.2.2 Maskenformverfahren (Croningverfahren)

Zu den heißhärtenden Verfahren gehört auch das Maskenformverfahren, welches häufig auch als Croningverfahren (nach seinem Erfinder Johan- nes Croning) bezeichnet wird. Dabei kommt ein trockener, rieselfähiger Formstoff zum Einsatz welcher aus Quarzsand besteht der mit einem Bin- der umhüllt ist. Bei den vorher genannten Verfahren wird der Binder als Flüssigkeit zugegeben.

Die Binderhülle besteht hier aus Phenolharz und einem Härter (Hexa- methylentetramin). Diese Komponenten werden zusammen mit einem Gleitmittel erwärmt und bilden dann eine Hülle um die Quarzkörner, wobei sich hierbei schon ein bestimmter Vorkondensationsgrad einstellt. Um den fertigen Formstoff zu erhalten, finden nach der Abkühlung noch eine Kornvereinzelung und eine Entstaubung statt.

Diese Umhüllung findet heute meist bei den Lieferanten statt, welche den Formstoff als fertige Ware zur Verfügung stellen.

Der fertige Formstoff wird dann bei der Kernherstellung in das Werkzeug, welches auf ca. 250 - 300°C erwärmt wurde, eingeschüttet bzw. eingerie- selt. Durch die Temperatur findet eine weitere Kondensation der Binder- hüllen statt, wodurch diese miteinander verkleben. Nachdem die erforder- liche Wandstärke des Kernes erreicht wurde, wird das Werkzeug gedreht und so der überflüssige Formstoff entfernt. Dieser kann wieder zur Kern- herstellung verwendet werden. Die so entstandenen Kerne werden dann noch nachgehärtet wodurch sie ihre Endfestigkeit erhalten.

Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der hohen Gasdurchlässigkeit durch die Verwendung von Hohlkernen und dem guten Zerfallsverhalten. Ebenfalls lassen sich sehr filigrane Konturen mit diesem Verfahren reali- sieren, welche z.B. bei der Fertigung von Hydraulikkomponenten zum Ein- satz kommen.

2.1.3 Verfahren mit anorganischen Bindern

Bei den Verfahren mit anorganischen Bindern gab es zwei Bindersysteme, welche in den letzten Jahren Beachtung fanden. Zum einen die Salzbin- derssysteme die Wärme zur Aushärtung nutzen. Die Kerne wurden ent- weder durch Warmluftbegasung oder durch Mikrowellentrocknung ausge- härtet. Leider wurde dieses Bindersystem nicht weiterentwickelt. Das zweite anorganische Bindersystem basiert auf einer Alkalisilikatlö- sung (Wasserglas). Durch Zugabe von Additiven können hier die Fließfä- higkeit, die Feuchtigkeitsresistenz oder das Zerfallsverhalten verbessert werden. Bei diesem Bindersystem erfolgt die Verfestigung durch Trock- nung wodurch Festigkeiten erreicht werden, welche 10-mal so hoch liegen wie beim klassischen Wasserglas-CO2-Verfahren.

Um diese Festigkeiten zu erreichen müssen die Werkzeuge temperiert werden. Häufig wird an die Warmhärtung des Kernes im Werkzeug noch eine Warmluftbegasung angeschlossen um die Taktzeiten zu senken und die Werkzeugtemperaturen unter 200°C zu halten.

2.2 Verfahrensablauf in der maschinellen Kernfertigung

Generell erfolgt die Herstellung der Kerne bei der maschinellen Kernferti- gung auf Kernschießmaschinen. Auf ihnen können Kerne in größeren Stückzahlen unter gleichbleibender Qualität rationell hergestellt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Kernschießmaschine (Quelle: Laempe, 2015)

Die Hauptarbeitsgänge bei der maschinellen Kernfertigung sind:

- Einbringen des Formstoffes
- Verfestigung und Härtung
- Öffnen des Werkzeuges
- Ggf. ziehen von Losteilen
- Entnahme der Kerne

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Prinzip einer Kernschießmaschine (Quelle: Roller et al. 2015)

[...]

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Details

Titel
Maschinelle Kernfertigung. Grundlagen, Verfahrensablauf und Abhilfe bei möglichen Problemen
Hochschule
VDG-Akademie
Veranstaltung
VDG Zusatzstudium Giessereitechnik
Note
2,3
Autor
Jahr
2015
Seiten
33
Katalognummer
V315451
ISBN (eBook)
9783668153202
ISBN (Buch)
9783668153219
Dateigröße
2598 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Kern, Kernfertigung, Giesserei, Giessereitechnik, Guss, Kernherstellung, Cold-Box, Gussfehler, Urformen
Arbeit zitieren
Florian Piehler (Autor), 2015, Maschinelle Kernfertigung. Grundlagen, Verfahrensablauf und Abhilfe bei möglichen Problemen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/315451

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