Gießen Verlorene Styropor-Modelle für die Gussteilfertigung

Das klassische Gießverfahren zur Herstellung komplexer Teile ist der Sandguss. Die Erstellung und Aufbereitung der Sandkerne ist jedoch mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden. Ebenso die Nachbearbeitung der fertigen Gussteile. Eine Alternative bietet das Lost Foam Verfahren, bei dem das aus EPS (Styropor) bestehende Modell durch die Schmelze verdampft.

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Ein Vorteil des Verfahrens für Gießereien ist, dass die Abbildung komplizierter Bauteile einen Verfahrensschritt vorverlagert wird: Die Aufgabe, Hinterschneidungen, abgewinkelte Kanäle und konturoptimierte Hohlräume herzustellen, wird bereits von dem Lieferanten des Schaumstoffmodells gelöst. Um dies zu erreichen, wird ein Schäumling ggf. aus mehreren Einzelteilen zusammengeklebt. Durch 3-D Modeling mittels CAD wird festgelegt, wie die Gesamtform aufzuteilen ist. Die Maßgabe ist dabei: die Teilungsnähte müssen so liegen, dass der Guss nicht beeinträchtigt wird und sie müssen gleichzeitig zu Einzelformen führen, die im Molding-Verfahren effizient zu produzieren sind.

Konstruktive Anforderungen an das EPS-Modell

Die Konstruktion und die Verarbeitungsqualität der verlorenen Form aus Partikelschäumen sind beim Lost Foam Verfahren entscheidend für die Qualität der Gussteile. Das Modell sollte keine scharfen Ecken und Kanten aufweisen. Denn diese beeinträchtigen die Haftung der Schlichte und können zu Turbulenzen beim Einfließen der Schmelze führen. Weiche Rundungen hingegen sorgen für einen ruhigen Fluss und damit für eine bessere Qualität des Gussteils. Damit beim Einsanden auch Schattenstellen genügend befüllt werden bzw. der Sand dort verdichtet werden kann, müssen ggf. Hilfsöffnungen eingeplant werden. In den Abmessungen kann das Modell nah am fertigen Bauteil liegen. Als Faustregel gilt: die Zugaben für Gusstoleranzen beim Lost Foam Verfahren sind um ca. zwei Drittel geringer als beim herkömmlichen Sandguss.

Fertigungstechnische Anforderungen an das EPS-Modell

Damit der Guss in Serie zu den gewünschten Ergebnissen führt, muss gewährleistet sein, dass die verwendeten Schaumstoffmodelle eine konstante Qualität haben. Hierbei kommt es auf eine gleichmäßige Dichteverteilung und auf die Verschweißung des Partikelschaumstoffes an. Treten Unregelmäßigkeiten beim Schäumen des Kunststoffs auf, so entstehen Stellen unterschiedlicher Dichte. Dies macht im Ergebnis auch den Fluss des Metalls unregelmäßig und damit schwer kontrollierbar.

Als ideale Rohdichte für den Schäumling haben sich Werte von circa 20 bis 22 gr./Ltr. erwiesen. Je höher die Dichte, umso mehr Gas entsteht. Wenn dieses nicht schnell genug durch die Schlichte entweichen kann, entstehen Gasblasen-Einschlüsse im Guss, so genannte Lunker. Des Weiteren entsteht Kaltlauf, weil zu viel Energie zum Zersetzen der stärker verdichteten Stellen benötigt wird und somit die Schmelzfront vorzeitig erkaltet. Die Folge sind Fehler im Gefüge des Metalls.

Eine weitere Qualitätsforderung an die EPS Modelle ist, dass das Modell eine homogene Oberfläche hat. Das ist gegeben, wenn das Korngefüge regelmäßig ist und die Zellen lückenlos verschweißt sind. Bei mangelhafter Verschweißung dringt die Schlichte in die Hohlräume ein und verursacht undichte Gussteile.

In der Verantwortung des Molding-Unternehmens liegt es außerdem, nur vollständig getrocknete bzw. ausgedampfte Schaummodelle anzuliefern. Denn Restfeuchte erzeugt zusätzliche Fehlstellen beim Gießen. Eine mögliche Fehlerquelle ist auch das Zusammenfügen der einzelnen Segmente des Schaumstoffmodells. Hier ist darauf zu achten, dass der Kleber gleichmäßig aufgetragen wird, denn die Klebewülste werden beim Guss eins zu eins abgebildet. Ein zu starker Auftrag kann speziell in den Innenkanälen eines Gussteils negative Auswirkungen haben. Ein zu geringer Auftrag bewirkt hingegen Undichtigkeiten am späteren Gussteil.

Stoffliche Anpassung des Modells an das Gussmaterial

Heute kann der geschäumte Kunststoff ganz auf die zu vergießenden Metalle abgestimmt werden. So ist bei Eisenwerkstoffen ein Co-Polymer (Polymethylmethacrylat + EPS) und bei NE-Metallen EPS (Expandiertes Polystyrol) mit speziellen Beschichtungen und Korngrößen die Wahl.

Vor dem Abguss der Schäumlinge müssen diese mit einer Schlichte überzogen werden. Bei der Schlichte muss eine gute Gasdurchlässigkeit gewährleistet sein. Sie muss so zusammengesetzt sein, dass sie die jeweiligen Zersetzungsprodukte aufnehmen und in den umgebenden Sand weiterleiten kann. Stahlguss benötigt eine Schlichte, die besonders geeignet ist, um die sich bildenden Wasserstoffe aufzunehmen. Bei Aluminium ist ein keramischer Überzug mit hoher Gasdurchlässigkeit gefordert.

Storopack unterstützt bei der Einführung des Lost Foam Verfahrens

Da noch keine ausgereifte Simulationssoftware zum Lost Foam Verfahren zur Verfügung steht, ist es von grundlegender Bedeutung, dass in die Planung des Gussvorgangs Erfahrungswerte über die chemische bzw. physikalische Interaktion zwischen einfließender Legierung und Kunststoff eingehen. Storopack in Metzingen verarbeitet seit fast 50 Jahren Polymere zu Partikelschaumstoff, wie Styropor, Neopor oder expandiertem Polypropylen (EPP). Seit 1981 hat Storopack als Lieferant von Schäumlingen für das Lost Foam Verfahren in diesem Bereich Detailkenntnisse über die Verfahrenstechnik gesammelt.

Der Molding-Spezialist berät Gießereien vor Ort und unterstützt bei der Einführung des Verfahrens. Storopack liefert das Know-how für die Konstruktion eines Prototypen, der den Anforderungen des Lost Foam Verfahrens gerecht wird. Die Konstruktion und der Bau der Serienwerkzeuge für die späteren EPS Modelle ist eine weitere Kernkompetenz des Unternehmens. Für die Serienproduktion werden die Modelle Just-in-Time geliefert.

Neben den technischen Details geht es auch um die Zahlen: Storopack bietet einen Kalkulationsservice an, um festzustellen, bei welchen Bauteilen sich die Investition rechnet. Das Ziel ist es, dass sich die Gießerei ganz auf ihre Kernkompetenz konzentrieren kann, nämlich die Einrichtung der Formanlagen.

*Andreas Havermann, Produktspezialist für den Bereich Lost Foam bei Storopack, Metzingen

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