Präzise Messung von Gussteilen

Sandguss ist ein Verfahren, bei dem geschmolzenes Metall in eine Sandform mit der gewünschten Form gegossen wird, wo es anschließend abkühlt und erstarrt. Der Sand, der zur Formbildung verwendet wird, heißt Formsand und besteht aus Siliziumsandkörnern, die mit einem Bindemittel oder Zusatzstoff wie Bentonit (Tonmineral), Wasserglas oder Harz gemischt werden. Sandformen ermöglichen komplexe Geometrien, und bei Fertigung kleiner Losgrößen können sie kostengünstiger und schneller hergestellt werden als Formen beim Kokillenguss. Aufgrund der geringeren Abkühlgeschwindigkeit während des Gießens weisen Sandgussprodukte jedoch im Allgemeinen eine geringere Maßgenauigkeit und eine geringere Festigkeit auf als Produkte aus anderen Verfahren. Außerdem wird eine Sandform nach einmaligem Einsatz zerstört, was bei der Massenproduktion zu höheren laufenden Kosten führt.

Kokillenguss ist ein Gießverfahren, bei dem geschmolzenes Metall in eine Metallform gegossen wird, wo es anschließend abkühlt und erstarrt.

Beim Schwerkraftguss wird die Form durch die Schwerkraft mit Schmelze gefüllt. Schwerkraft wird auch beim Sandguss genutzt, jedoch können die bei diesem Verfahren verwendeten Formen wiederholt eingesetzt werden, wodurch es sich besser für die Massenproduktion eignet. Da die Schmelze rasch abkühlt, kann Schwerkraftguss Gussteile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften erzeugen. Die Schmelze wird zudem mit niedriger Geschwindigkeit gegossen, wodurch weniger Luft und Gase eingeschlossen werden als beim Druckguss. Da beim Füllen der Form kein Druck angelegt wird, können sogenannte Kerne eingesetzt werden, um Gussprodukte mit komplexen Formen und hohlen Innenräumen herzustellen.
Aufgrund dieser Vorteile ist Schwerkraftguss das am häufigsten verwendete Verfahren zur Herstellung einer großen Bandbreite an Gussprodukten. Allerdings hat dieses Verfahren auch Nachteile. Da kein Druck angelegt wird, muss die Form vollständig mit Schmelze gefüllt werden, was die Ausbeute reduziert. Die geringe Füllgeschwindigkeit erhöht zudem die Zykluszeit.

Beim Hochdruckguss wird die Form zunächst mit Schmelze bei niedriger Geschwindigkeit gefüllt, und während der Erstarrung wird von außen Druck angelegt. Da die Form bei niedriger Geschwindigkeit gefüllt wird, kommt es im Vergleich zum Druckguss zu weniger Einschluss von Luft und Gasen. Weil der Druck höher ist als beim Schwerkraftguss, lassen sich mechanisch feste Gussteile mit feinen Metallgefügen herstellen.
Der Druck kann direkt oder indirekt angelegt werden. Bei direkter Druckbeaufschlagung wird ein Druckstempel (Punch) verwendet, um den Druck direkt auf die Schmelze auszuüben. Bei indirekter Druckbeaufschlagung wird Druck angelegt, während der Formhohlraum mittels eines Kolbens mit Schmelze gefüllt wird. Allgemein gilt: Direkte Druckbeaufschlagung ist eher für Gussteile mit einfachen Formen geeignet, während indirekte Druckbeaufschlagung eher für mittel- oder großformatige Gussteile mit komplexen Formen geeignet ist.

Beim Niederdruckguss wird die Form mittels Druckluft oder inertem Gasdruck mit Schmelze gefüllt. Die Schmelze erreicht jede Ecke des Formhohlraums und bleibt bis zum Abkühlen und Erstarren unter Druck. Dadurch wird das Auftreten von Defekten wie Lunkern und Gasporen reduziert. Die Druckausübung wird beendet, wenn die Schmelze am Anschnitt erstarrt ist, und nicht zur Gussteilherstellung benötigte Schmelze fließt in den Tiegel zurück. Dies führt zu Ausbeuten, die höher sind als beim Sandguss und Schwerkraftguss. Kerne können wie beim Schwerkraftguss eingesetzt werden, sodass sich Gussprodukte mit komplexen Formen und hohlen Innenräumen herstellen lassen. Gleichzeitig führt die lange Abkühlzeit bei diesem Verfahren zum Nachteil einer geringeren Produktivität aufgrund der langen Zykluszeit.

Beim Schleuderguss wird Schmelze in eine zylindrische Form gegossen, die mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Durch die Zentrifugalkraft verteilt sich die Schmelze entlang der Innenwand der Form und bildet ein zylindrisches Gussteil. Die Zylinder können vertikal oder horizontal ausgerichtet sein. Vertikale Formen werden zur Herstellung kurzer Gussteile verwendet. Horizontale Formen werden zur Herstellung langer Gussteile verwendet. Schleuderguss kann hohle Gussteile ohne Kerne herstellen. Weitere Vorteile sind, dass kein Anschnitt und keine Druckbeaufschlagung erforderlich sind und dass die Metalldichte des Gussteils durch die Drehzahlsteuerung verändert werden kann. Mit kurzer Abkühlzeit eignet sich Schleuderguss für das Gießen schnell erstarrender Materialien und die Herstellung dünnwandiger Rohre. Zudem können Gussteile mit komplexen Formen hergestellt werden. Daher wird Schleuderguss zur Herstellung von Gussprodukten wie Wasserrohren, Gasrohren, Lagermetall und silbernen Zahnkronen verwendet. Schleuderguss hat auch Nachteile, z. B. Teilungen durch die Zentrifugalkraft sowie Rissbildung, die unmittelbar nach dem Abkühlen auftreten kann.

Beim Druckguss wird Schmelze unter hohem Druck mit hoher Geschwindigkeit in eine Form eingespritzt und anschließend in kurzer Zeit abgekühlt. Druckguss ermöglicht das Gießen filigraner Formen mit hochgenauen Abmessungen, und die kurze Zykluszeit macht ihn für die Massenproduktion geeignet. Druckguss wird hauptsächlich für Metalle mit niedrigen Schmelzpunkten eingesetzt, z. B. Aluminiumlegierungen, Zinklegierungen und Magnesiumlegierungen. Es gibt zwei Arten von Druckgießmaschinen: Warmkammer- und Kaltkammermaschinen.
Bei einer Warmkammermaschine ist die Gießmaschine mit einem Ofen, der die Schmelze enthält, integriert. Bei einer Kaltkammermaschine sind Gießmaschine und Ofen mit der Schmelze getrennt. Die Schmelze wird mit einer Gießkelle in die Einspritzöffnung gefüllt.
Druckguss ermöglicht das Gießen filigraner Formen mit hochgenauen Abmessungen, hat jedoch den Nachteil, dass beim Hochgeschwindigkeits-Einspritzen der Schmelze in die Form Luft, Trennmittel und andere Stoffe in das Gussteil gelangen können. Aus diesem Grund können durch Druckguss hergestellte Gussteile nicht als Teile verwendet werden, die Festigkeit erfordern.

Das Wachsausschmelzverfahren, auch als Feinguss (Investment Casting) bekannt, ist ein Präzisionsgussverfahren. Ein Modell wird aus einer Mischung von Materialien mit niedrigen Schmelzpunkten hergestellt, z. B. Paraffin, Harz und Füllstoff. Das Modell wird anschließend mit einem feuerfesten Material wie Keramik überzogen. Das Modell wird dann ausgeschmolzen und fließt aus, um die Form zu erzeugen. Ein Vorteil des Wachsausschmelzverfahrens ist, dass – da die Formen nicht geöffnet werden müssen – Metalle in komplexen Formen gegossen werden können, die mit Sandguss oder anderem Kokillenguss nicht möglich sind. Außerdem können aufgrund der feuerfesten Formmaterialien wie Keramik Metalle mit hohen Schmelzpunkten gegossen werden, z. B. Kohlenstoffstahl und Edelstahl. Ein Nachteil des Wachsausschmelzverfahrens ist, dass die Formen nach einmaligem Einsatz entsorgt werden müssen, was das Verfahren für die Massenproduktion ungeeignet macht.

Die Schmelze, die die Form füllt, schrumpft beim Abkühlen. Wenn das abgekühlte Metall zu erstarren beginnt, schrumpft es weiter. Die Schrumpfung muss durch Schmelze aus einem Bereich ausgeglichen werden, der noch nicht erstarrt ist. Da jedoch nach dem Erstarren des Produkts keine Schmelze mehr nachfließen kann, entstehen Hohlräume oder Vertiefungen an Stellen, an denen die Schmelzmenge unzureichend war. Diese Hohlräume und Vertiefungen werden als Lunker bezeichnet.
Lunker treten innen und außen an Gussprodukten auf. Äußere Lunker werden auch als offene Lunker bezeichnet und sind Vertiefungen auf der Oberfläche eines Gussteils. Innere Lunker sind Hohlräume, die im Inneren eines Gussteils entstehen. Die Oberfläche des Hohlraums ist rau und hat eine bläulich-violette oder schwärzlich-braune Farbe. Beide Arten von Lunkern entstehen an Teilen, die zuletzt erstarren, z. B. an dicken Bereichen, Kreuzungsstellen, Ecken, Kanten und Anschnitten.

Gasblasen und Nadelstichporen sind Defekte, bei denen runde Hohlräume im Inneren eines Gussteils entstehen. Diese Defekte treten auf, wenn Gas oder Luft in die Schmelze gelangt, die in die Form eingebracht wird. Die Bezeichnung hängt von der Hohlraumgröße ab. Ein Hohlraum mit einem Durchmesser von 2 mm (0,08”) oder mehr wird als Gasblase bezeichnet, während ein Hohlraum mit einem Durchmesser von weniger als 2 mm (0,08”) als Nadelstichpore bezeichnet wird.
Die Gase, die diese Defekte verursachen, entstehen durch chemische Reaktionen zwischen der Schmelze und Fremdstoffen oder durch Feuchtigkeit. Beim Druckguss und anderen Verfahren, bei denen Schmelze mit hoher Geschwindigkeit eingespritzt wird, können Gasblasen und Nadelstichporen entstehen, wenn Luft in der Schmelze eingeschlossen wird.

A : Form (Oberform) B : Gasblasen/Nadelstichporen C : Gussprodukt D : Form (Unterform)

Rissbildung ist ein Defekt, bei dem Risse im Gussteil auftreten. Rissbildung bei hohen Temperaturen unterscheidet sich von Rissbildung bei niedrigen Temperaturen. Rissbildung bei hohen Temperaturen wird als Heißrissbildung bezeichnet, wobei Risse in dem Bereich auftreten, der zuletzt erstarrt. Rissbildung bei niedrigen Temperaturen wird als Kaltrissbildung bezeichnet, wobei Risse während oder nach dem Abkühlen auftreten. Rissbildung, die entsteht, wenn ein bereits erstarrter Bereich während des weiteren Erstarrungsprozesses von einem noch nicht erstarrten Bereich gezogen wird, werden als Erstarrungsrisse bzw. Schrumpfrisse bezeichnet. Rissbildung, die durch mechanische Spannungen infolge ungleichmäßiger Wanddicken oder durch Spannungen infolge von Schrumpfung entsteht, wird als Spannungsrissbildung bezeichnet.

Ein Fehlguss ist ein Defekt, bei dem der Formhohlraum nicht vollständig mit Schmelze gefüllt wird, wodurch eine unvollständige Gussteilform entsteht. Fehlguss tritt an dünnen oder schmalen Bereichen auf und erzeugt eine Form mit abgerundeten Kanten. Dieser Defekt entsteht, wenn die Schmelze den Formhohlraum nicht vollständig füllt, und kann durch zu schmale Formhohlräume, geringe Füllgeschwindigkeit der Schmelze, niedrige Formtemperatur oder unzureichende Entgasung des Formhohlraums verursacht werden. Weitere Defekte, die infolge eines ungeeigneten Schmelzefüllens auftreten können, sind Kaltlaufstellen, die eine Grenzlinie auf der Gussteiloberfläche bilden, sowie Fließlinien, die unregelmäßige Falten auf der Gussteiloberfläche bilden.

Verzug bei Gussprodukten umfasst Verwölbung und Welligkeit und wird durch ein Problem im Gießprozess verursacht. Beim Gießen variiert die Abkühlgeschwindigkeit je nach Wanddicke und je nach Bereich. Dünne Bereiche kühlen schneller ab, während dicke Bereiche und die zuletzt gefüllten Bereiche mehr Zeit zum Abkühlen benötigen. Wenn ein innerer Bereich, der lange zum Abkühlen braucht, an einem bereits abgekühlten Bereich zieht, entsteht Eigenspannung, die eine Ursache für Verzug ist.

Mit einem 3D-Scanner ist die Formmessung relativ einfach, da das Gerät Licht auf das Werkstück richtet und seine Form anhand des vom Werkstück reflektierten Lichts misst. Konventionelle 3D-Scanner können jedoch unter niedriger Bildauflösung, langen Verarbeitungszeiten und geringer Genauigkeit bei der Messung komplexer Oberflächen leiden. Zudem können 3D-Scanner je nach Position und Lage des Werkstücks Formen möglicherweise nicht korrekt messen, und der Mangel an Messfunktionen macht es unmöglich, ausreichende Prüfungen durchzuführen.

Mit einem einzigen Klick kann die Modellreihe VL 9 Millionen Messpunkte erfassen und ermöglicht so eine präzise Messung komplexer Gussprodukte.
Die maximalen und minimalen Oberflächenunregelmäßigkeiten können in einer leicht verständlichen Farbdarstellung angezeigt werden, wodurch sich defekte Bereiche identifizieren lassen. Zusätzlich unterstützen Querschnitte innerhalb des 3D-Vergleichs das Verständnis über die gemessenen Gussteile.
Darüber hinaus können Messdaten mehrerer Messobjekte miteinander verglichen werden, als auch können die gewünschten Messungen auf mehrere Messobjekte automatisch angewendet werden.
Dank dieser Funktionen können Kosten und Zeitaufwand optimiert werden.

Die 3D-Formmessung kann leicht durchgeführt werden, indem das Bauteil einfach platziert und die Messung per Klick gestartet wird. Da eine automatische Positionsanpassung auf Basis von Merkmalen möglich ist, ist kein striktes Nivellieren oder Positionieren erforderlich. Die Modellreihe VL bietet die Smart-Stage-Funktion, die den Messbereich automatisch entsprechend der Größe des Messobjekts konfiguriert. Dadurch entfallen herkömmliche Arbeiten wie das Einstellen des Messbereichs in XY und Z.
Insgesamt stehen verschiedenste GD&T-Messwerkzeuge zur Verfügung, um Formtoleranzen, Lagetoleranzen und Positionstoleranzen anhand der erfassten 3D-Daten zu messen. Während die Ebenheitsmessung gewöhnlich viel Zeit erfordert, da viele einzelne Punkte gemessen werden müssen, kann die Modellreihe VL die Messung in einem Augenblick abschließen, indem sie die Oberfläche optisch erfasst.
Für die gesamte Form kann eine hochpräzise Analyse durchgeführt werden, wodurch eine schnelle und genaue Bestimmung von Defekten möglich ist.
Neben dem einfachen Setup ermöglicht die leichte Bedienung der Modellreihe VL auch Bedienern, die mit Messungen nicht vertraut sind, Formen präzise zu messen. Dadurch kann die Stichprobenzahl nicht nur für F&E sondern auch für Messung und Prüfung von Produkten in der Serienproduktion leicht erhöht werden.

Es ist möglich, die 3D-CAD-Daten eines Produkts mit den erfassten Messdaten zu vergleichen, um Abweichungen zwischen dem tatsächlichen Produkt und der Konstruktion zu visualisieren. Bei Objekten, die mit konventionellen Mitteln schwer zu messen waren, lassen sich durch den Vergleich der Messergebnisse mit den 3D-CAD-Daten zuvor nicht erkannte Defekte identifizieren. Dadurch kann das Entwicklungs- und Konstruktionsteam unmittelbares Feedback geben. Dies reduziert die für Analysen erforderliche Zeit drastisch – etwa bei der Untersuchung von Gussdefekten, der Ursachenidentifikation und anderen damit verbundenen Aktivitäten.
Da ein breites Spektrum an Dimensionsmessungen unterstützt wird, ermöglicht das präzise Messen der Abmessungen an kritischen Stellen eine detaillierte Problemanalyse.

Die Modellreihe VL liefert erhebliche Verbesserungen der Effizienz bei Messung, Defektanalyse und Umsetzung von Gegenmaßnahmen.