Sie haben vielleicht schon vom traditionellen Sandgussverfahren gehört, bei dem geschmolzenes Material in eine Form gegossen wird und dort erstarrt. Das Endprodukt erfüllt jedoch oft nicht sofort die genauen Anforderungen – es müssen mehrere Bearbeitungsvorgänge durchgeführt werden, um die richtigen Abmessungen und die richtige Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen.
Schalenformung ist ein ausgefeilter Gussansatz, der diese Herausforderungen bewältigt. Anstatt losen Sand zu verwenden, wird eine dünne und harte Schale aus Sand und einem duroplastischen Harzbinder erzeugt. Diese Schale bietet höchste Maßgenauigkeit und eine glatte Oberfläche, sodass keine zusätzliche Bearbeitung erforderlich ist.
In diesem Artikel wird der Prozess des Schalenformens, die dafür am besten geeigneten Materialien und seine vielfältigen Produktanwendungen in verschiedenen Branchen untersucht.
Was ist Shell Molding?
Schalenformen ist auch bekannt Cronen Verfahren, benannt nach seinem Erfinder Johannes Croning – einem deutschen Ingenieur, der sein Leben der Entwicklung von Gussverfahren und -maschinen widmete. Die Erfindung des Schalenformgusses war eine seiner wichtigsten Innovationen, die den Weg für eine präzisere Teileherstellung ebnete.
Schalenguss ist ein Verbrauchsmaterial Formgusstechnik bei dem eine dünnwandige Schale aus Sand und wärmehärtendem Harzbinder als Form verwendet wird. Diese Schale ist im Gegensatz zu herkömmlichen Sandformen stabil und harzgebunden. Sie sorgt für höchste Maßgenauigkeit und eine glatte Oberflächenbeschaffenheit.
Schalenformungsprozess: Schritt für Schritt
Der Schalenformguss ist etwas langwieriger als der Sandguss, da er eine Reihe vorbereitender Schritte umfasst. So funktioniert der Prozess:
Schritt I: Bearbeitung des Metallmusters
Zum Gießen benötigen Sie ein Metallmodell, das Schrumpfung und Bearbeitungszugabe berücksichtigt. Normalerweise fertigen Hersteller es durch Bearbeitung und in zwei Hälften. Üblich sind Eisen und Stahl. Graphit ist jedoch auch eine Option für reaktive Metalle.
Schritt II: Formenbau
Dies ist der kritischste Prozess auf dem Weg, der mit dem Erhitzen des Metallmusters auf 230–340ºC (450–650ºF) beginnt. Anschließend schmieren Techniker es mit Calciumstearat, damit die Sandschale nicht daran kleben bleibt.
Das gesamte Muster wird über eine Kippkiste gehängt, die eine Mischung aus feinem Quarzsand und wärmehärtendem Phenolharz enthält. Die Kiste wird umgedreht, um das heiße Muster mit der Sand-Harz-Mischung zu bedecken. Durch die Hitze des Musters härtet eine Schicht der Mischung leicht aus und bildet eine feste Schale mit einer Dicke von etwa 9–20 mm.
Nach ein paar Sekunden drehen sie das Modell und die Schachtel erneut um, damit loser, nicht ausgehärteter Sand abfällt. Dadurch bleibt nur die ausgehärtete Schale am Modell haften. Zum Schluss wird die Schale in einen Ofen gegeben, um vollständig auszuhärten. Dabei erhält sie ihre Zugfestigkeit (350 bis 450 psi). Wir benötigen eine zweiteilige Schale, daher wird der gleiche Formbauprozess für die andere Hälfte wiederholt.
Schritt III: Zusammenbau der Form
Nach dem Aufbau der beiden Regale beginnt deren Zusammenbau. Zum Verbinden stehen Klemmen oder Kleben zur Verfügung.
Schritt IV: Gießvorgang
Zur zusätzlichen Unterstützung der Schale können Techniker sie in eine Gießhülle legen oder mit Sand, Kies oder Metallschrot umgeben. Dann gießen sie das geschmolzene Metall in die Formhöhle. Dies kann von Hand oder maschinell erfolgen.
Schritt V: Abkühlen und Entfernen des Gipsverbandes
Das Metall kühlt auf natürliche Weise ab. Sobald es erstarrt ist, können die Arbeiter die Form öffnen oder zerbrechen, um das Gussteil zu entnehmen. Anschließend wird das Gussteil gereinigt oder je nach Endbearbeitungsanforderungen bearbeitet.
Mit dem Schalenformverfahren kompatible Materialien
Sie können den Kokillenguss für die meisten Metallarten verwenden, sowohl für reine Metalle als auch für Legierungen – sowohl für Eisen- als auch für Nichteisenmetalle.
Gusseisen Kochgeschirr
Aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften war Gusseisen einst das am häufigsten gegossene Metall. Dennoch wird es in der Industrie häufig verwendet. Für diesen Guss werden häufig Gusseisen mit Bruchstücken, Sphäroguss, Weißguss, Temperguss und legiertes Gusseisen verwendet.
Stähle
Stahlgussteile sind für ihre hohe Zugfestigkeit und Zähigkeit bekannt. Die besten Stahloptionen sind:
- Kohlenstoffstahl: Es ist bearbeitbar und verschleißfest bis auf einen geringeren Anteil an Legierungselementen. Allerdings ist es im Vergleich zu anderen Stahlsorten anfälliger für Korrosion.
- Legierter Stahl: Diese Stähle enthalten zusätzliche Legierungselemente zur Verbesserung von Festigkeit und Härte. Günstige Güten zum Gießen sind 45Mn und 40Cr.
- Rostfreier Stahl: Durch den hohen Chromgehalt (ca. 10.5 %) ist Edelstahl korrosionsbeständig und langlebig. Allerdings kann er spröde werden und seine Festigkeit ist nicht so gut wie die von Kohlenstoffstahl.
Aluminiumlegierungen
Aluminiumlegierungen eignen sich für Leichtbauanwendungen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt. ASTM A356 und ASTM 360 sind gängige Aluminiumlegierungen für den Formguss.
Kupferlegierungen
Kupfer ist ein dehnbares Material mit ausgezeichneter Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Der Anwendungsfall sind daher Anwendungen, die diese Eigenschaften erfordern, beispielsweise elektrische Komponenten. Kupferlegierungen sind jedoch teuer und bieten eine geringere Festigkeit als Stahl.
Vorteile des Schalenformens
Der Schalenformguss ist aufgrund seiner besseren Toleranzen, Oberflächengüte und vielseitigeren Materialeigenschaften beliebt.
Hier eine Liste der Vorteile, die das Casting-Verfahren bietet:
- Bessere Maßgenauigkeit: Schalenformprodukte weisen eine ausgezeichnete Maßgenauigkeit auf. Dies liegt an einer dünnen Schicht ausgehärteter Schale, die unter Hitze und Druck ihre Form behält. Bei mittelgroßen Teilen können Sie Toleranzen von bis zu ±0.25 mm erreichen.
- Gute Oberflächenbeschaffenheit: Anders als beim Sandguss kommt das geschmolzene Metall mit einer trockenen, geschlossenen Schale in Kontakt, deren Oberfläche glatt und porenfrei ist. Dadurch entstehen weniger Oberflächendeformationen und eine große Oberfläche, idealerweise bis zu 2.5 µm.
- Kurze Lieferzeiten: Sobald die Schalenform hergestellt ist, können Sie sie mit gleichbleibenden Ergebnissen wiederverwenden. Dies verkürzt nicht nur die Vorlaufzeit, sondern macht den Prozess auch für größere Produktionsläufe derselben Einheit wirtschaftlich.
- Reduzierte Anzahl von Gasdefekten: Bei diesem Verfahren wird ein höherer Bindemittelanteil verwendet als bei anderen Methoden. Dennoch schaffen die dünnwandigen, hohlen Kerne natürliche Belüftungswege. Die verbesserte Durchlässigkeit des gröberen Sandes in der Schalenform trägt dazu bei, Gasansammlungen zu vermeiden, was zu besseren Gussstücken führt.
- Automatisierungsmöglichkeit: Der Schalengussprozess lässt sich leicht automatisieren und eignet sich daher für die Fertigung großer Stückzahlen. Es gibt Maschinen, die alle wichtigen Aufgaben übernehmen können: Erhitzen des Metallmusters, Schalenbildung und Montage.
- Vielseitige Materialunterstützung: Sowohl Eisen- als auch Nichteisenmetalle können durch Maskenformung gegossen werden. Dies macht den Anwendungsfall materialübergreifend vielseitig.
Einschränkungen des Schalenformens
Zu den Nachteilen des Schalengusses gehören:
- Eingeschränkte Gewichtshandhabung: Aufgrund seiner dünnwandigen Struktur kann das Schalenformen nur Materialteile mittlerer Größe und begrenzten Gewichts verarbeiten. Es kann Teile zwischen 30 g und 10 kg (25 lb.) verarbeiten.
- Teures Harz: Das beim Maskenguss verwendete duroplastische Phenolharz ist teurer als die Bindemittel, die beim herkömmlichen Sandguss verwendet werden.
- Hohe Ausrüstungskosten: Der Prozess erfordert außerdem eine separate Einrichtung zum Erhitzen und Aushärten, was die Kosten erhöht. Und wenn Sie auf eine automatisierte Version umsteigen, sind die Kapitalkosten noch höher.
Anwendungsgebiete des Schalenformgusses
Der Schalenguss ist sehr effektiv, um Metallteile in kurzer Zeit maßgenau zu reproduzieren. Die Schalengussprodukte kommen in vielen Branchen zum Einsatz, darunter Automobil, Luft- und Raumfahrt, Energie, Medizin usw.
Das Vorhandensein von Harzen erhöht die Oberflächenglätte, wodurch eine umfangreiche Nachbearbeitung überflüssig wird. Folglich ist weniger Arbeit und Zeit erforderlich, was die Gesamtproduktionskosten senkt. Aus diesen Gründen bevorzugen Hersteller das Schalenformverfahren für die Herstellung kleiner bis mittelgroßer Metallteile
In der folgenden Tabelle sind die spezifischen Anwendungen des Schalenformens in verschiedenen Industriezweigen aufgeführt.
| Branche | Anwendungen |
| Automobilindustrie | Motorblöcke, Zylinderköpfe, Nockenwellen, Kurbelwellen, Getriebegehäuse |
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Getriebegehäuse |
| Industriemaschinen | Zahnräder, Ventile, Pumpengehäuse, Hebelarme |
| Elektrotechnische Anlagen | Gehäuse und Komponenten für elektrische Anlagen |
| Öl un Gas | Ventilkörper, kundenspezifische Präzisionskomponenten |
Schalenformung im Vergleich zu anderen Gussverfahren
Formen ist eine umfassendere Technologie, bei der das Material durch Schmelzen und Erstarren in einer Matrize oder Form geformt wird. Das Schalengießen ist eine davon. Daneben gibt es noch andere eng verwandte Techniken, wie Sandguss, Druckguss und Feinguss.
Schalenformung vs. Sandguss
Sandguss und Schalenformung sind Sandformgusstechniken. Der Prozess der Formherstellung ist jedoch unterschiedlich. Beim Sandguss fungiert der gesamte gepackte Sand selbst als Form. Beim Schalenformungsprozess wird hingegen eine dünne Schale aus Sand und Harzbindemittel als Form verwendet.
Sandformen sind locker und die Wahrscheinlichkeit von Oberflächenfehlern und Maßungenauigkeiten ist höher. Verbrauchsformen sind dagegen dünn und hart und Schalenformprodukte haben eine bessere Oberfläche.
Schalenformung vs. Feinguss
Feingießen verwendet ein anderes Gussverfahren als das Schalenformen. Dabei wird für jeden Guss ein Wachsmodell verwendet. Diese Wachsmodelle werden zu einer Baumstruktur (Wachsguss) zusammengesetzt, mit einer Keramikaufschlämmung beschichtet und dann weggeschmolzen, um einen Formhohlraum zu hinterlassen.
Daher sind sowohl die Muster- als auch die Formmaterialien unterschiedlich. Schalenformen sind normalerweise aus Metall. Beim Feinguss hingegen sind sie aus Wachs aufgebaut. Beim Schalenguss wird eine Sandform verwendet, während beim Feinguss lichtbrechende Keramik zum Einsatz kommt.
Obwohl die Oberfläche des Schalengusses eine bessere Oberflächengüte aufweist, ist die Glätte der gegossenen Produkte beim Feinguss viel höher, nämlich bis zu 1.3 Mikrometer.
Schalenformung vs. Druckguss
Sowohl Kokillen- als auch Druckguss sind Metallgussverfahren, der Hauptunterschied liegt jedoch in der Form. Beim Druckguss wird eine permanente Metallform bzw. ein Gesenk verwendet, und geschmolzenes Metall wird unter hohem Druck in die Formhohlräume gespritzt. Beim Kokillenguss hingegen wird eine entbehrliche Kokillenform aus Sand und Harz verwendet.
Anders als beim Druckguss ist beim Schalenformen kein hoher Druck erforderlich. Stattdessen wird die Präzision durch die Festigkeit der harzgebundenen Schale erreicht. Außerdem funktioniert Druckguss nur bei Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt und Teilen mit einfacher Geometrie.
Schalenformung vs. Spritzguss
Spritzgießen ist eine weitere präzise Formtechnik; sie konzentriert sich jedoch in erster Linie auf die Nachbildung von Kunststoffprodukten. Bei diesem Verfahren wird geschmolzener Kunststoff unter hohem Druck in eine Metallform gespritzt, wo er abkühlt und in die endgültige Form aushärtet.
Der Hauptunterschied zwischen Schalen- und Spritzguss besteht also in den Zielmaterialien und dem Gussverfahren. Beim Schalengussverfahren wird geschmolzenes Metall in eine Sandform (Verbrauchsform) gegossen. Beim Spritzguss hingegen werden Kunststoffe in eine feste (nicht verbrauchbare) Form gespritzt.
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