Kokillengießverfahren als Fertigungstechnik zur Herstellung eines Bauteiles

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Vorwort

1. Einleitung
a. Ziel
b. Vorgehen / Planung der Arbeit
c. Umsetzung der Arbeit

2. Kokillengießverfahren - Stand der Technik
a. Überblick
b. Das Verfahren – Kokillengießverfahren (Aufbau)
c. Arten des Verfahrens / Verfahrensablauf
d. Vor- und Nachteile
e. Anwendungsbereiche (Allgemein)
f. Besonderheiten

3. Praxisbezug Herstellung von Bauteilen mit dem Aluminiumkokillengießverfahren
i. Anwendungsbereich
1. Anforderungen / Herausforderungen
2. Konstruktion
3. Fertigungsauftrag
ii. Herstellungsbereich
1. Vorbereitungen / Anforderungen
2. Fertigung
3. Qualitätskontrolle

4. Resümee

Quellen

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Verfahrensvergleich – Quelle: Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure S. 35f

Tabelle 2 Facts Maschinenbauunternehmen XYZ -Eine Darstellung

Tabelle 3 Facts Gießerei XYZ

Abbildungsverzeichnis

Abb. 3 Alte Steinform und darin abgegossene Sicheln aus Bronze – Mark Brandenburg, etwa 1200 v. Chr.

Abb. 4 Verfahren mit Formen zum einmaligen Gebrauch

Abb. 5 Verfahrensablauf Schwerkraft-Kokillenguss (nach Honsel)

Abb. 6 Niederdruck-Kokillenguss für Aluminium-Kurbelgehäuse

Abb. 7 Prinzip einer Warmkammer Druckgießmaschine

Abb. 8 Kokillenanordnung zum Schleudergießen von Gussringen bzw. Gussrädern, schematisch

Abb. 9 Prinzip einer horizontalen kontinuierlichen Stranggießanlage (nach Spur)

Abb. 10 Thixo-Schmieden im offenen Gesenk

Abb. 11 Bauteil des Maschinenbauunternehmen XYZ

Abb. 12 Anwendungsbeispiel: Maschinenbauunternehmen XYZ

Abb. 13 Modell

Abb. 14 Referenzobjekte – Medailleneinfassungen

Abb. 15 Referenzobjekte

Abb. 16 Einer von neun Schmelzöfen der Gießerei XYZ

Abb. 17 Eine Kokillenhälfte

Abb. 18 Guss der Bauteile

Abb. 19 Bandschleifer

Abb. 20 Rundvibratoren-Gleitschleifer

Abb. 21 Vibrations-Rundtrockner

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser leseprobe nicht enthalten

Vorwort

Vor Ihnen liegt die Hausarbeit „Kokillengießverfahren als Fertigungstechnik zur Herstellung eines Bauteils für das Produkt ABC des Maschinenbauunternehmens XYZ“, welche in Zusammenarbeit mit der Gießerei XYZ in Beispielstadt erstellt wurde.

Einige Abbildungen und Tabellen wurden auf Grund von Datenschutzbestimmungen anonymisiert. Der vorgestellte Produktionsprozess entspricht dem Stand der Technik. Die in der Arbeit enthaltenden Fotografien wurden vom Autor der Arbeit mit Genehmigung der Unternehmen erstellt.

Einen großen Dank gilt der Gießerei XYZ, insbesondere dem Junior Geschäftsführer Mustermann, der uns ein Praktikum im Betrieb ermöglichte. Dieses Praktikum konnten wir neben unserem Beruf bei dem Maschinenbauunternehmen XYZ in Stadt in Deutschland und der Halbleiterhersteller XYZ in Deutschland absolvieren. Auch unseren Arbeitsgebern gilt großen Dank, dass uns der Freiraum für diese Erfahrung ermöglicht wurde.

In diesem Praktikum konnten wir viele für uns gewinnbringende Eindrücke sammeln.

Die Hausarbeit wurde gemeinschaftlich von den Kommilitonen Anne Heyden und Benjamin Wagner erstellt.

Benjamin Wagner hat die Kapitel 2.a, 2.b und 2.c, sowie 3.ii.1, 3.ii.2 und 3.ii.3 bearbeitet.

Anne Heyden hat die Kapitel 2.d, 2.e und 2.f, sowie 3.i.1, 3.i,2 und 3.i.3 bearbeitet.

Die Kapitel (1) Einleitung und (4) Resümee wurden gemeinsam bearbeitet

Die vorliegende Arbeit setzt einen gewissen Grad an naturwissenschaftlicher Fachsprache und Grundkenntnisse voraus und richtet sich an interessierte Leser des Themengebietes Fertigungstechnik.

Wir hoffen, dass Sie neue Eindrücke beim Lesen gewinnen können.

1. Einleitung

a. Ziel

Im Rahmen des Seminars Fertigungstechnik des Verbundstudiengangs Wirtschaftsingenieurwesen an der FH-Münster war es unsere Aufgabe ein Thema aus dem Gebiet der Fertigungstechnik mit Praxisbezug zu finden, den Stand der Technik wissenschaftlich zu erläutern und einen anschließenden Bezug in einem Praktikum in der Praxis heraus zu kristallisieren.

b. Vorgehen / Planung der Arbeit

Zunächst haben die Autoren der Arbeit mit Hilfe der „Brainstorming-Methode“ Ideen für interessante Themen mit einem relevanten Praxis-Bezug gesammelt und diskutiert. Unsere Arbeitgeber, Maschinenbauunternehmen XYZ und Halbleiterhersteller XYZ wurden in den Findungsprozess einbezogen.

Eine erste spannende Idee war, dass man den Prozess der Lithographie am Beispiel eines ASIC-Chips und kurzem Ausblick auf die Entwicklung: Expertengespräch mit einem Entwicklungs-Ingenieur („Wie sieht die Schaltung in der Software aus?“) mit anschließendem Expertengespräch und Produktionsbesichtigung mit einem Prozess-Ingenieur („Wie wird die Micro-Schaltung auf einem Wafer realisiert?“). Dabei stellte sich leider heraus, dass der Arbeitgeber von Autor 1, die Halbleiterhersteller XYZ in Stadt in Deutschland, Betriebsfremden leider keinen Zugang in den „Reinraum“ geben konnte.

Eine weitere spannende Idee war die Zusammenarbeit mit einem Lieferanten die Herstellung eines Bauteils zu beleuchten. In Gesprächen des Autor 2 mit ihrem Arbeitgeber, der Maschinenbauunternehmen XYZ in Deutschland, wurde diese Idee konkreter. Die „Herstellung von Bauteils für Zugangskontrollen“ bot sich an, da zu Beginn des Jahres ein großer Auftrag in Zusammenarbeit mit der Gießerei XYZ umgesetzt wurde und ein weiterer in Planung ist.

Am 18.05.2017 wurde Kontakt mit der Gießerei XYZ aufgenommen.

Am selben Tag bekamen wir einen Rückruf von Herrn Mustermann, dortiger Junior Geschäftsführer. Im Gespräch erläuterten die Autoren dieser Arbeit das Vorhaben und bekamen das Angebot ein Praktikum mit einer Hospitation vor Ort durchzuführen. Das Praktikum umfasst einen Einblick in die Arbeit einer Gießerei XYZ, die Fertigungsprozesse – insbesondere das Kokillengießverfahren, die Herstellung von Kokillen, die Umsetzung sowie die Qualitätskontrolle.

Von dem Thema überzeugt, erstellten die Autoren der Arbeit am 26.05.17 Grobgliederung und übersandten diese am 06.06.2017 den betreuenden Personen – Prof. Dr. Peterseim und Dipl.-Ing. Albrecht, um mit der „Seminardurchführung“ zu starten.

Nach der schnellen Rückmeldung und Genehmigung durch Prof. Dr. Peterseim wurde der Termin für das Praktikum bei der Gießerei XYZ für August vereinbart.

c. Umsetzung der Arbeit

Die vorliegende Arbeit ist in zwei Kapitel eingeteilt.

Der erste Teil setzt sie sich mit dem Thema des „Kokillengießverfahrens“ in der Theorie auseinander, der geschichtlichen Einordnung des Gießhandwerks bis hin zum „neo-technischen“ Verfahren. Das Kokillengießen wird in den Kontext der unterschiedlichen Gießtechniken eingegliedert, die unterschiedlichen Varianten werden benannt und anschließend die Vor- bzw. Nachteile des Verfahrens kritisch beleuchtet.

Im anschließenden Praxisteil wird zunächst der Anwendungsbereich des Produktes (Bauteil) und dessen Verwendung, sowie der Herstellungsprozess der Gießerei XYZ (Lieferant des Produktes) beschrieben. Es gibt einen kurzen Überblick in die Arbeitsvorbereitung. Welche Schritte sind umzusetzen um mit einem Auftrag zu beginnen. Anknüpfend wird der Fertigungsprozess an sich dokumentiert. Nach der Fertigung wird das Produkt noch einer Endkontrolle/ Qualitätskontrolle unterzogen. Die gängigen Werkstoffkundeverfahren werden hier kurz angerissen und der Praxisprozess beschrieben.

Die Arbeit endet mit einem Resümee/ Ausblick für das die Erkenntnisse der Studierenden aus dem zurückliegenden Seminar herangezogen werden.

2. Kokillengießverfahren - Stand der Technik

a. Überblick

Das Gießen gehört zu den urformenden Fertigungstechniken und hat sich von der frühen bis hin zur späten Menschheitsgeschichte zu einem entscheidenden und äußerst anspruchsvollen Handwerk entwickelt. Mit der Nutzung von Wasser und späteren Dampfkraft bekam das Handwerk seine erste Renaissance und wurde verfeinert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3 Alte Steinform und darin abgegossene Sicheln aus Bronze – Mark Brandenburg, etwa 1200 v. Chr.^[1]

Erst im 19. Jahrhundert wurde aus dem Handwerk eine eigenständige Wissenschaft: die Gießereitechnik. Die Forderung nach immer bessere Qualität mit immer geringeren Toleranzen und immer höherer Produktivität führte zur Entwicklung von neuen Technologien und Verfahren. Einige der Hauptverfahren sollen hier kurz vorgestellt werden.^[2]

Zentral teilt man die Gießereitechnik in zwei Formverfahren ein.

1. Dauerformverfahren; zu denen das Kokillengießverfahren, Schleudergussverfahren, Druckgussverfahren und Stranggießen und das Flüssigpressen gehören.
2. Verfahren mit Formen zum „einmaligen Gebrauch“ (verlorene Form)

Die Entscheidung für eine Form hängt von vielen Faktoren, wie etwa der Ausbringungsmenge oder die physikalischen Eigenschaften des Werkstückes ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4 Verfahren mit Formen zum einmaligen Gebrauch^[3]

b. Das Verfahren – Kokillengießverfahren (Aufbau)

Das Gießen in Dauerformen/ Kokillengießverfahren stellt ein immer wichtigeres Gießverfahren dar. Bei dem Verfahren werden Schmelzen unterschiedlicher Legierungen unter dem Einfluss der Schwerkraft oder geringer Drücke in Dauerformen entweder fallend oder steigend vergossen.

Die sog. Kokillen bestehen aus dem perlitischen, lamellaren Gusseinsen, Hämatit (Fe2O3). Diese Kokillen sollen mehr als 10 Tausend Abgüsse aushalten. Durch Zugabe von Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) und sowie niedrige Phosphor (P) und Schwefel (S) Gehalte werden „Temperaturwechselbeständigkeit“ und „Formstabilität“ erzielt.

Der Kokillenguss wird in drei Varianten vergossen:

a. Vollkokillen, alle Teile der Form bestehen aus Gusseisen
b. Gemischtkokillen, hier gibt es Gestaltungsfreiheiten durch sog. „Sandkerne“
c. und Halbkokillen, die andere Hälfte ist eine Sandform – hierbei um „Warmrisse“ zu vermeiden.^[4]

Obgleich das Kokillengießen manuell durchführbar ist, wird der Prozess für große Serien automatisiert. Hierbei wird das Verfahren meistens für Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Kupferlegierungen (Cu) auf Grund der geringen Schmelztemperatur (<1.085 °C) eingesetzt. Die Werkstücke zeichnen sich durch gute Oberflächenbeschaffenheit, enge Maßtoleranzen und gute bis sehr gute physikalische Eigenschaften aus.^[5]

c. Arten des Verfahrens / Verfahrensablauf

Bei dem Kokillengießverfahren gibt es vier Arten, die zu unterscheiden sind.

(1) Das Schwerkraftgussverfahren

Wie beim herkömmlichen Gussverfahren wird die Kokille durch die Schwerkraft ohne „Zwang“ gefüllt (siehe Abb. 5). Hierbei können für Gussstücke in großer Serie mehrere Kokillen auf seinem sog. „Gießkarussel“ oder einer sog. „Gießlinie“ positioniert werden. Die Kokillen werden an einer Stelle gefüllt, nach dem Umlauf erstarrt die Schmelze und am Ende wird das Werkstück nach dem Öffnen entnommen und die Kokille wird als Vorbereitung für den nächsten Umlauf gereinigt.^[6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5 Verfahrensablauf Schwerkraft-Kokillenguss (nach Honsel)^[7]

(2) Niederdruckgussverfahren

Bei diesem Verfahren wird die Kokille von unten gefüllt. Hierbei ist der Schmelzofen dicht mit der Kokille verbunden. Per Druck wird nun die Schmelze über ein Steigrohr in die Kokille gedrückt. Es steigt kontinuierlich Werkstoff nach, wobei dieser ständig aushärtet. Nach dem Füllen wird der „Überdruck“ abgesenkt, was zur Folge hat, dass die restliche Schmelze über das Steigrohr in den Ofen zurückläuft (siehe Abb. 6). Die Kokille kann nun geöffnet werden und das Werkstück entnommen werden.

Anwendungsgebiet für diese Technik ist die Automotive-Industrie für die man mit dieser Methode z.B. Aluminium-Kurbelgehäuse oder Zylinderköpfe gießen kann.^[8]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6 Niederdruck-Kokillenguss für Aluminium-Kurbelgehäuse^[9]

(3) Druckgussverfahren

Das Prinzip des Druckgießverfahrens ist recht simpel: Das flüssige Werkstoff wird unter hohem Druck und mit großer Geschwindigkeit in die Kokille gedrückt. Der Druck bleibt beim Erstarrungsprozess konstant. Dieses wirtschaftliche und auch technisch hochwertige Verfahren gestattet bei seinem jetzigen Stand hochwertige und verwickelte Gussstücke für den Motoren- und Fahrzeugbau, Feinmechanik und Optik, Armaturen und Beschlagteile, Elektro und Fernmeldetechnik, Textilindustrie, Spielwaren, Haushaltsgeräte und den allgemeinen Maschinenbau mit präziser Fertigung in Groß- und Kleinserien zu fertigen.

Genauigkeit und gute Oberflächenbeschaffenheit der Werkstücke bedeuten Einsparzeiten in der Nachbearbeitung. Das Verfahren eignet sich ebenso für dünnwandige und verwickelte Gussteile, die in großer Masse benötigt werden.^[10]

Eine der Hauptunterschiede von Druckgussmaschinen ist die Temperatur der Gießkammer. Beim „Warmkammer-Verfahren“ ist die Gießkammer im beheizten Metallbad und wurde vertikal angeordnet (Siehe Abb. 7) In diesen Maschinen werden bevorzugt Metalle mit niedrigen Schmelzpunkten, wie z.B. Zinklegierungen verarbeitet.

Im Gegenzug stehen bei den sog. „Kaltkammermaschinen“ stehen die Modelle mit vertikaler sowie horizontaler Druckkammern zur Verfügung. Mit diesen Maschinen kann man theoretisch alle Metalle vergießen.

Wichtig ist bei diesem Verfahren, dass die in den Kokillen eingeschlossene Luft abgeführt werden muss. Dies kann entweder durch die Absaugung der Luft oder durch Arbeiten im evakuierten Raum realisiert werden.^[11]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7 Prinzip einer Warmkammer Druckgießmaschine^[12]

(4) Schleuderguss

Bei Schleudergießen wird die Schmelze rotatorisch in eine ringförmige Kokille gegossen. Dabei wird der Gusswerkstoff auf Grund der Zentrifugalkraft in Abhängigkeit der Drehzahl nach und nach gegen die Außenwand der Kokille gedrückt. Im inneren bildet sich im Gegenzug symmetrisch zur Drehachse/ Mittellinie (siehe Abb. 8) ein zylindrischer Hohlkörper. Die Wanddicke kann durch Berechnung und Justieren der Schmelzmenge genau definiert werden. Die Drehachse kann dabei auf mehreren Freiheitsgraden (horizontal, vertikal, geneigt) eingestellt werden.

Das Verfahren wurden in den 30er Jahren in Deutschland nach „DeLavaud Prozess“ hergestellt. Heutzutage nutzt man das Verfahren, um bis zu sechs Meter lange Muffen Rohre für Gas- und Wasserleitungen herzustellen. Die hierbei möglichen Durchmesser liegen bei etwa 65 bis 600 mm mit einer Wanddicke von 5 bis 50 mm.^[13]

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^[1] Quelle: Formstoffe und Formverhalten

^[2] Vgl. Formstoffe und Formverfahren S. 11ff

^[3] Vgl. Formstoffe und Formverfahren S. 16

^[4] Vgl. Fertigungstechnik S. 80

^[5] Vgl. Werkstofftechnik S. 354ff

^[6] Vgl. Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure S. 30

^[7] Quelle: Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure

^[8] Vgl. Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure S. 30

^[9] Quelle: Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure

^[10] Vgl. Konstruieren mit Gusswerkstoffen S.43ff

^[11] Vgl. Einführung in die Werkzeugtechnik S. 89f

^[12] Quelle: Einführung in die Fertigungstechnik

^[13] Vgl. Fertigungstechnik S. 82