Gießen (Metall)
Gießen ist das vermutlich älteste Verfahren der Urformung. Dabei entsteht ein fester Körper bestimmter Form aus formlosem Stoff. Bauteile werden gegossen, wenn ihre Herstellung durch andere Fertigungsverfahren unwirtschaftlich ist, nicht möglich ist oder besondere Eigenschaften des Gusswerkstoffs genutzt werden sollen.
Geschichtliche Entwicklung
Historische Fertigungsverfahren
Im Gegensatz zu Umformverfahren wie dem Schmieden, werden bei allen Gussverfahren Gussformen benötigt. Diese waren im Altertum aus Ton oder Holz, sofern sie nicht sogar in den Boden der Gießerei gegraben wurden. Später wurden Modelle des gewünschten Objekts geformt und als "verlorene Formen" in Sand eingebracht. Diese waren meist aus Wachs, welches beim Gießprozess durch das flüssige Metall ausgetrieben wurde (Wachsausschmelzverfahren).
Neuzeit
Im Zuge der Serienfertigung entstanden noch produktivere Verfahren. Zum Einen die Verwendung von Modellen aus Holz, deren Konturen in teilbare Form(-Sand)kästen (durch Einpressen mit hohem Druck) übertragen wurden, zum Anderen durch Dauerformen aus Formstahl. Diese im Formenbau hergestellten Stahlformen werden vor allem beim Spritzguss (Kunststoffverarbeitung) und Druckguss (Leichtmetall wie Aluminium, Magnesium und Zink) verwendet. Entsprechend des Aufbaus der Druckgussmaschinen unterscheidet man bei diesen zwischen Warmkammer- und Kaltkammermaschinen. Die Warmkammermaschinen sind meist größer und erreichen heutzutage (2002) eine Presskraft bis 5.000 t.
Vorteile
Der Vorteil der Gießverfahren ergibt sich vor allem bei Großserien von Bauteilen, die einerseits eine vielfältige oder komplizierte Oberflächenstruktur aufweisen (Beispiel: berippte Wärmetauscher), andererseits keine sehr hohe Formgenauigkeit erfordern (Beispiel: Maschinengehäuse), so dass die Nachbearbeitung sich auf wenige passgenaue Flächen, wie beispielsweise (Gewinde-)Bohrungen beschränkt. Die Kosten für Modell- und Formenbau sind vergleichsweise hoch, die Herstellung der Bauteile (der Abguss) selbst dagegen niedrig.
Verschiedene Verfahren
Man unterteilt das Gießen in zwei Gruppen:
Verlorene Formen werden meist aus Sand mit geeigneten Bindemitteln hergestellt. Zur Formgebung ist ein Modell erforderlich, ein Muster des herzustellenden Gussstücks, das zur Kompensation der Schwindung des Gusswerkstoffes bei Erstarrung und Abkühlung maßlich geringfügig vom Gussstück abweicht.
Wie bei Formen unterscheidet man auch in Dauermodelle und verlorene Modelle.
Dauermodelle werden je nach Anforderung aus Kunststoff, Holz oder Metall hergestellt. Sie enthalten nicht nur das Abbild des Gussstücks, das abgegossen werden soll, sondern auch den sog. "Anschnitt", das sind die Kanäle, durch die der Gußwerkstoff in die Form gefüllt und verteilt sowie durch die die in der Form enthaltene Luft und beim Abguss entstehenden Gase abgeführt werden. Dauermodelle werden vom Formsand umgeben, der dann durch Rütteln und Pressen so verdichtet wird, dass er eigenstabil ist. In der Regel werden Gussstücke beidseitig geformt. Deshalb ist die Form geteilt in Unter- und Oberkasten, damit das Modell vor dem Abguss wieder entnommen werden kann. Das Modell darf deshalb keine Hinterschneidungen und muss sog. "Aushebeschrägen" haben, damit die Form bei der Entnahme des Modells nicht verletzt wird. Danach werden Ober- und Unterkasten wieder passgenau zusammengefügt und der Gusswerkstoff eingefüllt. Die "Teilfuge" der Form kann man am fertigen Gussteil oft erkennen, da es dort entweder nachträglich bearbeitet wurde oder noch den Rest des "Grates" enthält.
Die Bindemittel des Formsandes sind so ausgewählt, dass sie sich nach Möglichkeit durch die "Gießhitze" auflösen und der Formsand dadurch von selbst zerfällt, andernfalls muß er mechanisch zerstört werden, um das Gussstück entnehmen zu können. Formsande mit ihren Bindemitteln sind heute so weit entwickelt, dass sie auch für höherschmelzende Metalle (Gusseisen, Stahl) zu 90 % und mehr rezykliert werden können.
Verlorene Modelle dagegen werden vor dem Abguss der Form nicht entnommen, sie kann deshalb einteilig sein. Auch können hier Hinterschneidungen eingearbeitet sein und Aushebeschrägen sind nicht erforderlich. Die Modelle werden nach dem Eingießen des Gusswerkstoffs zerstört, indem sie entweder verdampfen, ausschmelzen oder sich anderweitig zersetzen (z.B. Polystyrol, Wachs usw.). Sie benötigen allerdings ein Vormodell oder einen Bearbeitungsschritt, da sie ebenfalls durch ein Formgebungsverfahren hergestellt werden.
Nach der Art der Modelle wird das Gießen in verlorene Formen unterteilt in:
- Gießen mit Dauermodellen
- Gießen mit verlorenen Modellen
Gießen in Dauerformen
Zu den Gießverfahren mit Dauerformen gehören der Druckguss, das Kokillengießen, der Spritzguss, das Schleudergießen und das Stranggießen Strangguss.
Sonderverfahren sind das Niederdruckgießverfahren, der Verbundguss, das Sphärogussverfahren, das Glockengussverfahren und der Kunstguss.