7 Lost-Foam Verfahren GTP Schäfer Giesstechnische Produkte GmbH Benzstraße 15 41515 Grevenbroich.

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1 7 Lost-Foam Verfahren GTP Schäfer Giesstechnische Produkte GmbH Benzstraße Grevenbroich

2 7 Lost-Foam-Verfahren - Historie

3 7 Lost-Foam-Verfahren - Historie
Das Lost Foam-Verfahren zählt nach DIN 8580 zu den Sandgußverfahren mit verlorenen Formen und Modellen. Die verwendeten Modelle aus Polystyrolschäumen werden in einem Gießbehälter in Formsand eingebettet und durch zugeführtes, flüssiges Metall zersetzt. Der entstehende Formhohlraum wird durch die Metallschmelze ausgefüllt, wobei die Geometrie des Modells exakt nachgebildet wird. Das Herstellen von Gußteilen mittels Vollformgießen ist seit den 50er Jahren bekannt. Bis Anfang der 80er Jahre wurden damit im wesentlichen großvolumige Gußteile in Einzelfertigung erstellt (Full Mold Casting). Dabei waren in erster Linie die günstigen Modellkosten als Vorteil zu sehen. Für die Fertigung dünnwandiger Seriengußteile wurde das hohe Innovationspotential der Vollfomgießtechnik dann Anfang der 80er Jahre erkannt und für die Herstellung komplizierter Serienbauteile in Form des Lost Foam-Verfahrens weiterentwickelt. Inzwischen findet das Verfahren in der Serienfertigung Anwendung.

4 7 Lost-Foam-Verfahren - Historie
1958 wurde das Patent in den USA als EPS-Modell (aus Vollmaterial, maschinell hergestellt) in gebundenen Formstoff von H. F. Shroyer angemeldet und erteilt. 1962 wurde das Patent auch in Deutschland erteilt. 1962 beschreibt M. C. Fierning erstmals die Arbeiten mit ungebundenem Formstoff. Im amerikanischen Sprachraum ist es unter dem Namen EPC, Expendable Pattern Casting oder Lost Foam Process, LF-Process bekannt. 1960 Verwendung von binderlosem Sand, 1964 das Trockensandverfahren zum Einformen, 1968 das Magnetformverfahren und das Unterdruck-vollformgießen. In Deutschland fand das Lost-Foam-Verfahren 1975 erstmalig größere Anwendung zur Produktion von Benzinabscheidern (HAH, FAH-1) In Deutschland startete dieses Gießverfahren unter der Bezeichnung Vollformgießverfahren. Heute wird das Herstellen von Gussteilen mittels in gebundenem Sand eingebetteten Schaumstoffmodellen als Vollformgießen bezeichnet, wohingegen die Gussteilproduktion durch in binderlosem Sand eingebetteten Schaumstoffmodellen als Lost Foam-Verfahren bezeichnet wird. Lost Foam Council e. V.

5 7 Lost-Foam-Verfahren - Vorschäumen
Beim Vorschäumen wird das perlenförmige Rohmaterial, welches ein Treibmittel (beispielsweise Pentan) beinhaltet, durch einwirkenden Wasserdampf (mit einer Temperatur von 110 °C – 120°C) in einem sogenannten Vorschäumer zum Expandieren gebracht. Die Ausgangsgröße der Perlen liegt bei 0,25mm, nach dem Vorschäumen bei 1mm. Durch diesen Vorgang wird das Volumen der Polymerperle um das 30 fache vergrößert, um später bei der Modellherstellung eine geringe Dichte des Modells zu erhalten. Eine geringe Modelldichte (18-25 g/l) wird benötigt, um im späteren Gießprozess eine  vollständige Zersetzung und Formfüllung zu gewährleisten. Nach dem Vorschäumen werden die Polymerperlen in einem Fließbett getrocknet und anschließend für mehrere Stunden in Silos zwischengelagert. Der Grund hierfür ist, dass die Polymerperlen nach dem Schäumprozess infolge von Kondensation von Wasserdampf und Pentan einen Unterdruck aufweisen und somit instabil sind. Während der Zwischenlagerung werden die vorgeschäumten Polymerperlen einem Druckausgleichsprozess mit Umgebungsluft unterzogen, so dass die Perlen für die weitere Verarbeitung eine ausreichende Stabilität aufweisen. Animation

6 7 Lost-Foam-Verfahren – Fertigschäumen und Fügen
Nach der Zwischenlagerung wird das vorgeschäumte Material im Fertigschäumprozess zu einem Modell beziehungsweise zu einem Modellsegment geformt. Hierfür werden die vorgeschäumten Polymerperlen in geschlossene Formwerkzeuge aus Aluminium gefüllt und mit Wasserdampf beaufschlagt, wodurch die Perlen erneut expandieren. Durch das begrenzte Formvolumen kommen die Perlen bei der Expansion in Kontakt und verschweißen miteinander an der Oberfläche zu einem Modellsegment. Animation Beim anschließenden Fügen werden die Segmente durch stecken, schweißen oder kleben zu einem komplexen Modell vereint und an ein Angusssystem gefügt. In der Serienfertigung wird in der Regel ein automatisierter Klebprozess mit Heißkleber eingesetzt um die Modelltraube aus Angussystem und Modellen aufzubauen. Durch die sogenannte Modelltraube können mehrere Gussteile in einem Abguss gefertigt werden. Animation

7 7 Lost-Foam-Verfahren - Fertigstellen
Beim nächsten Schritt, dem Schlichten, werden
 die Modelltrauben mit einem dünnen, feuerfesten Überzug versehen. Die sogenannte Schlichte besteht aus einer wässrigen Suspension von keramischen Partikeln und muss im Lost Foam verschiedenste Anforderungen und Aufgaben erfüllen. Sie dient vorwiegend zur Steuerung des Gaswechsels während der Formfüllung, zur Stabilisierung des Formhohlraums und zur Trennung der Schmelze vom Formstoff. Als Formstoff kommt in der Regel Quarzsand zum Einsatz, der im Gegensatz zum konventionellen Sandguss keinen Binder enthält und dadurch fließfähig ist. Animation Zunächst dient die Schlichte der Stabilisierung des Modells während des Einformprozesses in bindemittelfreiem Quarzsand. Die Verwendung dieses  Sandes wird erst durch die Schlichte möglich: Da während des Abgießens ein Polster aus Gas und Kunststoffschmelze zwischen Modell und Metallschmelze entsteht, würde ohne die Schlichte als Barriere der Sand unweigerlich einbrechen, und das Gußstück unbrauchbar machen. Weiterhin beeinflußt die Schlichte durch ihre Gasdurchlässigkeit die Abfuhr der entstehenden Gase und Flüssigkeiten in den umliegenden Sand und bestimmt deshalb den Druck, der sich in dem Gaspolster zwischen Modell und Metallschmelze aufbauen kann. Damit steuert sie in entscheidendem Maße die Geschwindigkeit der Formfüllung und nimmt damit unmittelbaren Einfluß auf das Gießergebnis.

8 7 Lost-Foam-Verfahren - Vorschäumen
Der Formstoff umhüllt während des Einformens die Gießtraube und fließt durch das Anlegen von Vibrationen in sämtliche Hohlräume und Hinterschnitte, wird verdichtet und bildet eine Form um das Modell. Animation Beim anschließenden Gießen nach dem Schwerkraftguß wird das Schaummodell durch die thermische Energie der Schmelze  zersetzt und füllt den entstehenden Formhohlraum exakt aus, das vorliegende Schaumstoffmodell wird exakt in Metall abgebildet. Die entstehenden Zerstezungsgase treten über die Schlichteschicht in den Sand ein und können über ein am Behälter installiertes Absaugsystem direkt einer Filteranlage zugeführt werden. Animation   Nach dem Erstarren der Schmelze kann der Sand durch einfaches Entleeren des Formbehälters von der Gusstraube getrennt werden. Der binderlose Sand rieselt dabei aus Bohrungen und Kanälen ohne weitere Hilfe direkt heraus. Dieser Vorgang wird als Entformen bezeichnet. Die Putz- und Strahlarbeit beim Lost Foam-Verfahren ist sehr gering. Da die Form nicht geteilt ist, entsteht beim Abgießen kein Grat. Animation

9 7 Lost-Foam-Verfahren - Fertigschäumen

10 7 Lost-Foam-Verfahren – Fertige Schaumstoffteile

11 7 Lost-Foam-Verfahren – Fertige Modelltraube
Dieses Bild zeigt eine Modelltraube, die aus mehreren EPS- Modellscheiben zusammengeklebt worden ist. Der Kleber ist rot dargestellt. Durch das Zusammenkleben von Teilmodellen können auch Geometrien von hoher Komplexität mit Hinterschneidungen dargestellt werden ohne das Sandkerne verwendet werden müssen. Dieses Beispiel zeigt vereinfacht eine Gießtraube mit zentralem Einguss und rechts und links eine vereinfachte Darstellung einer Gießtraube der Zylinderköpfe von BMW-Sechszylinder-Motore). Diese Modelltraube wird in ungebundenen rieselfähigen Sand eingeformt und abgegossen. Dies ist mit den Forderungen einer wirtschaftlichen Produktion nicht vereinbar. Durch eine Begasung mit Amin kann die Aushärtezeit auf wenige Sekunden verringert werden. Der Kernkasten wird zunächst wieder nach unten gefahren. (*)

12 7 Lost-Foam-Verfahren - Schlichten
Zunächst wird die Gießtraube in Schlichte getaucht und dabei langsam gedreht, damit die Schlichte alle Hinterschneidungen benetzen kann. Die Modelltraube wird zu diesem Zweck meist in einem Käfig gehalten um so dem starken Auftrieb zu begegnen. Diese keramische Schlichte muss wegen der unterschiedlichen Dichte seiner einzelnen Bestandteile permanent gerührt und temperiert werden. Der Schlichteüberzug ist 0,1 –0, 3 mm dick.

13 7 Lost-Foam-Verfahren - Trocknen
Nach dem Tauchen wird die geschlichtete Modelltraube mit getrockneter Luft von ca. 45 °C getrocknet. Nach dem Trocknen wird die Gießtraube in einen Formbehälter gestellt

14 7 Lost-Foam-Verfahren – Fertig montierte Traube

15 7 Lost-Foam-Verfahren

16 7 Lost-Foam-Verfahren Das Lost foam Gießverfahren ist ein spezielles Verfahren des Sandgusses bei dem das Modell nach der Formherstellung nicht entfernt wird, um dem Gusswerkstoff Platz zu machen. Das Modell sowie Angussstück und Speiser bestehen stattdessen aus geschäumtem Polystyrol (EPS). Der EPS wird mit einer keramischen Schlichte überzogen und in bindemittelfreien Formsand eingebracht. Da in der Form selbst kein Hohlraum ist, muss der Formstoff nur vibriert, aber nicht eigentlich verdichtet werden. Beim Eingießen der Schmelze vergast nun durch die Hitze das Polystyrol. Der Gießvorgang ist abgeschlossen, wenn das flüssige Metall den EPS vollständig verdrängt hat und erstarrt ist. Dank moderner Klebetechnik können selbst geometrisch komplizierteste Formstücke durch Hinterschnitte und Bohrungen mit einem einteiligen Modell realisiert werden. Auf diese Art und Weise können kleine, unterschiedliche Formstücke zu so genannten Trauben zusammengesetzt und gleichzeitig gegossen werden. Das Verfahren eignet sich gut zur Herstellung von Serien aber auch Prototypen. Die mechanischen Eigenschaften entsprechen in etwa denjenigen des Sandgusses. Es kann eine hohe Abbildungs-und Maßgenauigkeit erreicht werden bei Einsatz geeigneter Formsande und deren entsprechender Verarbeitung. Gleiches gilt für die gießbaren Mindestmaße bei Wanddicken und Bohrungsgrößen.

17 7 Lost-Foam-Verfahren – Hinterfüllen der Gießform
Dieses Bild zeigt die Gießtraube im Formbehälter. Der lose rieselfähige Quarzsand wird von oben Sand sequenziell eingefüllt. In jeder Sequenz wird der ganze Formbehälter in eine horizontale oder vertikale Vibration versetzt. Durch diese Bewegung wird der Quarzsand fließfähig und dringt in alle Hohlräume der Modelltraube ein. In der Praxis werden hohe Schüttgutsäulen schrittweise gefüllt und verdichtet. Danach ist die Form fertig zum Gießen. (*)

18 7 Lost-Foam-Verfahren - Gießen
Die Form wird durch den zentralen Einguss gefüllt. Durch die Wärmeenergie der Schmelze wird das EPS-Material zersetzt und die Schmelze steigt von unten nach oben in die Bauteilgeometrie bis der Hohlraum ( EPS-Modelltraube) komplett durch das Metall gefüllt ist. Nach dem Erstarren wird der Formbehälter gekippt und der lose rieselfähige Sand und die Gusstraube fließen heraus.

19 7 Lost-Foam-Verfahren - Gießen

20 7 Lost-Foam-Verfahren – Vorgänge beim Gießen

21 7 Lost-Foam-Verfahren – Abläufe beim Gießen
Dieses Bild zeigt in einer Momentaufnahme die Vorgänge bei der Füllung einer Sandform. Von oben fließt die Schmelze in das EPS-Material und zersetzt das EPS- Material. Das expandierte Polystyrol wird durch die Wärmeenergie der Schmelze verflüssigt, vergast und anschließend pyrolysiert (verbrannt). Die Schmelze nimmt dann vollständig den frei werdenden Hohlraum ein. Das Modell wird vor dem Einformen mit einer keramischen Schlichte überzogen. Diese Schlichte ist mit der ersten Schlickerschicht beim Feingießen vergleichbar. Hier ist allerdings eine Porosität der Schlichteschicht erwünscht. Die beim Vergasen des Modells entstehenden Kohlenwasserstoffe sollen die Schlichte passieren können. Die Metallschmelze dagegen muss von der Schlichte aufgehalten werden.

22 7 Lost-Foam-Verfahren Der Sand um die erstarrte Gusstraube ist rieselfähig. Die Gusstraube fließt mit dem Sand heraus und wird im Anschluss daran mit einem Manipulator in heißes Wasser von °C abgeschreckt und von Sandresten und anhaftender Schlichte gereinigt. Der Sand enthält nach dem Gießen die Pyrolyse-produkte des EPS und muss daher aufbereitet werden. Um die Anreicherung der Kohlenwasserstoffe im Formsand zu begrenzen geschieht dies durch eine Nachverbrennung der Kohlenwasserstoffe.

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25 7 Lost-Foam-Verfahren Lagerbock für Nutzfahrzeuge Material GGG 40
100 % Bearbeitungseinsparung, alle Bohrungen fertig gegossen Bohrung mit 63 H11 fertig gegossen Winkelgenauigkeit +/- 0,2 mm 8-fach Gießtraube Gewichtsreduzierung von 5,3 auf 4,4 kg  COMMON Produktservice Inh. Jörg Markus Common, Ötisheim

26 7 Lost-foam-Gießverfahren Film

27 © Albert Handtmann Metallgusswerk GmbH & Co. KG
7 Lost-Foam-Verfahren Animation Film © Albert Handtmann Metallgusswerk GmbH & Co. KG

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31 7 Lost-Foam-Verfahren - Vorschäumen

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