Das Feingussverfahren – so entstehen komplexe Gussteile

Feinguss

Durch die Feingusstechnik können Gussteile aus Aluminium, Titan oder auch Edelstahl qualitativ und quantitativ hergestellt werden.
Durch das Feingussverfahren kann der Konstrukteur Baugruppen und Teile sehr oft günstiger hergestellen als bei einem normalen Gussverfahren.

Möchte man ein Werkstück im Wachs-Ausschmelz-Verfahren Feingießen, werden Aluminium-Urformen benötigt. In diese Formen wird das Wachs gegossen, wodurch es möglich ist, eine genaue Wiedergabe des Teils als Wachsgeometrie zu formen und schaffen. Die dadurch entstandenen Muster können dann als eine sogenannte Traube befestigt werden, um darauffolgend immer wieder in ein Keramikbad getaucht werden, um anschließend in Ruhe zu trocknen.

Durch dieses besondere Verfahren entsteht eine Keramikschichtdicke von etwa 9-10 mm. Durch eine Flammenfeuerung oder einem Autoklaven (Dampf und Druck) wird das Entwachsen durchgeführt. Das Wachs verflüssigt sich und kann somit die Ausgussstege hinablaufen. Es entsteht eine sogenannte Keramik-Negativ-Form, die anschließend auf etwa 450-1100 Grad erhitzt wird, die Temperatur ist von der Gusslegierung abhängig. Nun kann damit begonnen werden die Schmelze in die erhitzte Negativform zu gießen. Ist das Gussteil nach einen bestimmten Zeitraum abgekühlt, werden die Formen von der Traube vorsichtig abgerüttelt und der Keramiküberzug kann zertrümmert werden.

Der Ursprung des Feingussverfahrens

Dieses spezielle Gießverfahren kann aus geschichtlicher Sicht bis etwa 3000 vor Christus zurückverfolgt werden. Ganz am Anfang wurde das Wachs-Ausschmelz-Verfahren für besondere Kunstgusse verwendet. Aus diesem Verfahren wurden zum Beispiel Bronzestatuen oder Plastiken für Reiche und besondere Menschen gefertigt.

Anfang des 20. Jahrhunderts kam dann die industrielle Nutzung des Feingusses durch die Herstellung von Zahnprothesen durch Zahntechniker und Zahnärzte immer mehr ins Gespräch und wurde zum Trend. Zu Beginn konnten jedoch nur niedrig schmelzende Metalle zum Gießen genutzt werden, weitere Möglichkeiten mussten Stück für Stück ausgebaut werden.

Im Jahre 1929 kam dann durch die Einführung von Ethylsilicates, das als Bindemittel dient, auch Gussteile, die aus Stahlguss hergestellt werden konnten. In der heutigen Zeit sind Gusswerkstoffe deutlich umfassender. Das Feingießen findet seine Verwendung in der gesamten Industrie und wird gerne verwendet.

Das Besondere am Feinguss

Durch das Feingussverfahren kann man viele, meist gar nicht bewusste aber sehr rentable Vorteile genießen. Durch diese besondere Herstellung können die Produkte eine deutliche Gewichtsreduktion, eine erhöhte Lebensdauer, eine verbesserte Oberflächenqualität sowie eine höhere Wirtschaftlichkeit erreichen. Gerade bei vielen Anwendungen lässt sich auf den ersten Blick nicht erkennen, dass es sich hierbei auch um Feinguss handelt. So kommt es immer öfter vor, dass Werkstücke durch ein alternatives Fertigungsverfahren wie zum Beispiel bei der zerspanenden Bearbeitung gefertigt werden, obwohl es intelligenter gewesen wäre, eine wirtschaftlichere Fertigungslösung zu wählen. Oft ist es auch möglich, benachbarte Bauteile in das Feingussteil zu integrieren, dies wird auch Funktionsintegration genannt und kann durch Experten in diesem Bereich überprüft werden.

Der Prozess

Für den Spritzguss werden aus 2D oder 3D Datensätzen Werkzeuge hergestellt. Dabei können die Negativformen der späteren Feingussteile aus Rohlingen aus Aluminium oder erodierende oder spanende Verfahren herausgearbeitet werden. Bei einem Spritzgussverfahren wird dann an einem späteren Zeitpunkt der Rohling mit niedrig schmelzendem Kunststoff ausgespritzt. Ebenso gibt es die Möglichkeit, einen Prototyp herzustellen. Durch additive Verfahren ist es möglich Fertigungsschritte schon bevor das Werkzeug hergestellt ist durch eine Musteranfertigung dank eines 3D Druckes nachzubilden. Hierdurch kann das Gießsystem optimiert werden oder auch spezielle Bearbeitungsvarianten ausgearbeitet werden, wodurch wiederum Zeit und Geld gespart werden kann.

Ist das Werkzeug erst einmal gefertigt, kann mit der Modellherstellung durch das Ausspritzen der Form beginnen. Die Modelle sind aus Wachs und dienen als Grundlage des Fertigungsverfahrens. Als nächster Schritt können dann die einzelnen Komponenten zu einer Traube zusammengefasst werden. Falls möglich, kann für diesen Schritt auch ein Roboter eingesetzt werden.

Sind die Wachsmodelle gefertigt, können diese dann in den Tauchraum befördert werden. Dieser Schritt erfolgt meistens automatisch. Die Wachsmodelle werden in eine Tauchmasse aus Binde und Mehl (Keramikmasse) getaucht und dann besandet. Dieser Vorgang wird dann etwa 6-12-mal wiederholt. So kann aller höchste Oberflächenqualität und Stabilität der
Gussteile garantiert werden. Nach jedem Tauchvorgang muss jeweils ein Trocknungsschritt in speziellen Räumlichkeiten eingelegt werden.

Bevor das Wachs im Ausschmelzverfahrungen bei über 1000 Grad ausgeschmolzen und in die Form gebrannt werden kann, muss der niedrig schmelzende Kunststoff ausgedampft werden. Durch Brennen der Keramikform und dem Ausschmelzen verleiht man der Keramikschale eine Festigkeit und kann sicherstellen, dass es beim Gussprozess nicht reißt oder bricht. Um die optimale Qualität beim Abguss gewährleisten zu können, werden zudem alle Wachsrückstände entfernt. Um diesen Prozess durchführen zu können, wird ein Autoklave verwendet.

Anschließend an das Ausschmelzen folgt das Gießen. Es gibt hierbei zwei Formen des Gussverfahrens. Das atmosphärische Gießen und das Vakuumgießen. Zusätzlich kann beim Niederdruckgießverfahren auch der Aluminiumguss eingesetzt werden. Welches Gussverfahren schlussendlich verwendet wird, hängt von dem eingesetzten Werkstoff und der Verwendung des Endproduktes ab.

Einfluss haben hierbei die Produkteigenschaften wie die Reduktion des Gewichtes auf ein bestimmtes Zielgewicht oder dass das Produkt eine besondere Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen hat.

Hat der Abguss in die Keramikschalen funktioniert, muss der Guss vollkommen abgekühlt sein, bevor die Schale abgeschlagen werden kann. Im Anschluss werden die einzelnen Komponenten der Gussbäume voneinander getrennt. Dies bedeutet, dass der Anguss entfernt wird und die Teile je nach Wunsch gestrahlt, geputzt, graviert, wärmebehandelt oder auf anderem Wege individuell veredelt werden.

Um so wenig zu verschwenden wie nur möglich, können die abgetrennten Stäbe und Kreuze recycelt werden und somit wieder als Kreislaufmaterial verwendet werden. Sind die Gussteile kompliziert verwinkelt, werden die Gussteile zusätzlich noch chemisch gereinigt, um sicherstellen zu können, dass alle Keramikreste entfernt worden sind.

Damit sichergestellt werden kann, dass das Produkt eine einwandfreie Qualität hat, können diese durch spezielle Qualitätssicherungen geprüft werden. Durch die Spectralanalyse können mechanische Eigenschaften untersucht werden. Bei metallographischen Untersuchungen, magnetische Rissprüfungen durch Farbeindringverfahren, einer digitalen Radioskopie oder vielen anderen individuellen Mess und Prüftechniken kann die Qualität jederzeit sichergestellt werden.

Vorteile

Durch den Feinguss kann eine hohe Maßgenauigkeit erreicht werden. Ebenfalls ist es möglich, grazile Strukturen zu formen und eine erstklassige Oberflächengüte zu schaffen. Durch den Feinguss hat man die Möglichkeit, sich eine große Gestaltungsfreiheit zu leisten und auch komplizierte Geometrien aus einem Guss umzusetzen.

Wie man feststellen kann, bietet das Feingussverfahren viele rentable Möglichkeiten, komplizierte Bauteilgeometrien wie Innenkonturen, Bohrungen, Hohlräume oder Hinterschnitte wirtschaftlich vorteilhaft gießen zu können. Hierdurch kann man sich viele Nachbearbeitungen, die normalerweise durch Maschinen durchführt werden, sparen.

Über Christian 38 Artikel
31 Jahre alt, gebürtig aus Cuxhaven und bekennender Kaffeejunkie :-). Ich interessiere mich schon seit meiner Kindheit für Technik. Dieses Interesse übertrage ich in meinem beruflichen Leben sowie im Privaten. Viel Spaß beim Stöbern!