Gussteil-Design Fallstudien

Kosten reduzieren – ein Muss, um in der Gießereiindustrie wettbewerbsfähig zu bleiben. Im Sandguss erhöhen Form- und Schmelzvolumen die Kosten. Das MAGMA PRINZIP half Sandgießern dabei, 30 % Formsand zu sparen und das Ausbringen um 9 % zu verbessern – ohne Qualitätsverlust.

Usipe produzierte einen 5,85 kg schweren Roststab für Sinterwagen im No-Bake-Sandguss (Bild 1). Die kastenlose Form wog 139 kg und umfasste zwei Kavitäten. Das gesamte Gussgewicht betrug 11,7 kg. Mit Gieß- und Speisersystem benötigte Usipe 21 kg Schmelze, um das Bauteil zu fertigen, und erreichte dabei ein Ausbringen von 55,7 %. Das Sand-Metall-Verhältnis betrug 6,6:1.

Im Wettbewerb zählt der Verbrauch von Neusand immer mehr: Sinkt er, sinken auch die Kosten. Um den Verbrauch zu reduzieren, recyclen Gießereien große Teile des Altsandes [1]. Dabei muss er allerdings intensiv gereinigt und aufbereitet werden. Nur so lassen sich Fehler durch Reste von Fremdstoffen oder Bindemitteln vermeiden [2]. Jedoch steigen gerade deswegen die Aufbereitungskosten signifikant. Besser den Sand gar nicht erst verwenden, dachten die Ingenieure von Usipe. So sei es möglich, beides zu reduzieren: Produktions- und Aufbereitungskosten.

Die Gießer kannten das MAGMA PRINZIP. Und nutzten es. Ihre Ziele: den Formstoffanteil im Gießprozess systematisch verringern, dadurch das Sand-Metall-Verhältnis verbessern und somit die Herstellungskosten senken.

Die Ingenieure von Usipe planten, die Wandstärken der Form (Bild 2) anzupassen, um den Sandverbrauch zu reduzieren. Außerdem wollten sie den Speiser verkleinern – ohne dadurch Maßhaltigkeit und Qualität der Gussteile zu beeinträchtigen. Die Freiheitsgrade waren klar: Speiserdimensionierung und Gestalt der Form. Die Herausforderungen dabei: Ändern die Ingenieure die Wandstärke der Form, ändern sich die thermischen Randbedingungen, die mechanischen Eigenschaften und die Steifigkeit der Form. Zudem beeinflusst die Wandstärke den Temperaturverlauf im Formstoff und somit den Binderzerfall. Ein zu schneller Binderzerfall könnte zu Gussfehlern führen und die Form könnte beim Füllen brechen, bevor eine Randschale entstanden ist.

Usipe entschied sich daher dazu, einzelne Simulationen mit unterschiedlichen Geometrien durchzuführen. Zunächst bewerteten die Experten den etablierten Prozess, um nachzuvollziehen, welche Teile der Form entfernt werden könnten. Wie in Bild 3 gezeigt, planten sie, alle vier Ecken und zwei große Bereiche entlang der vertikalen Symmetrieachse (Bild 3a) zu entfernen und gleichzeitig die Höhe beider Formhälften zu verringern (Bild 3b). Darüber hinaus verkleinerten sie den Speiser: Die Gießer halbierten seine Höhe, was 1,8 kg Schmelze pro Abguss einsparte – sofern keine Wärmezentren entstünden. Wie in Bild 3 gezeigt, planten sie, alle vier Ecken und zwei große Bereiche entlang der vertikalen Symmetrieachse (Bild 3a) zu entfernen und gleichzeitig die Höhe beider Formhälften zu verringern (Bild 3b). Darüber hinaus verkleinerten sie den Speiser: Die Gießer halbierten seine Höhe, was 1,8 kg Schmelze pro Abguss einsparte – sofern keine Wärmezentren entstünden.

Um die neue Formauslegung zu testen und Gussfehler auszuschließen, simulierten die Ingenieure Füllen und Erstarren. Dabei stellten sie fest, dass der verkleinerte Speiser die Gussqualität nicht beeinträchtigte: Wärmezentren und Porosität verlagerten sich, blieben jedoch im Speiser (Bild 4, links: alte Form, rechts: neue Form). Die modifizierte Formauslegung hatte dünnwandige Bereiche. Wenn der Binderzerfall diese Bereiche durchdringt, verringert sich dort die Stabilität der Form, insbesondere wenn bis dahin keine stabile Randschale gebildet wurde. Die Experten untersuchten diese Bereiche genauer und verglichen die Simulationsergebnisse mit denen der ursprünglichen Form 10 Minuten nach Abschluss des Gießens, zu dem Zeitpunkt, an dem sich eine stabile Randschale gebildet haben sollte.

Im alten Design drang der Binderzerfall etwa 8,7 mm ±2 mm in die Form. In diesem Bereich reduzierte sich der Bindemittelgehalt auf 0,133 kg/m³ (Bild 5a). Mit der angepassten Form heizten sich angrenzende Bereiche stärker auf, sodass der Binder bis 16 mm ±3 mm Tiefe zerfiel. Aber: Der Bindemittelgehalt nahm in diesen Bereichen nicht so stark ab (1,317 kg/m³, Bild 5b). Unter diesen Voraussetzungen konnten die Ingenieure Gussfehler ausschließen.

Usipe produzierte daher einen Prototyp. Bei dem Versuch entstand jedoch ein Riss in der unteren Formhälfte (Bild 6): Dieser hätte das Potential, den Ausschuss erheblich zu erhöhen.

Um zu prüfen, ob dieser Fehler die Qualität des Gussteils beeinträchtigte und ob Anpassungen an der Form erforderlich waren, berechneten die Gießer Spannungsverteilungen und Verformungen des Gussteils mit Hilfe von MAGMAstress. Die Ergebnisse zeigten einen erstarrungsbedingten Bauteilverzug entlang der Hauptachse des Gussteils, der den Riss in der Formhälfte verursachte (Bild7). Der Verzug beschädigte zwar die Form, lag jedoch innerhalb des Toleranzbereichs – Usipe konnte das Bauteil produzieren. Ohne erhöhten Ausschuss.