Formenbau

mini|Lego-Spritzgusswerkzeug, Unterseite mini|Lego-Spritzgusswerkzeug, Oberseite mini|Lego-Spritzgusswerkzeug, Detail Oberseite mini|Sand-Gussform plus Kerne für Metallguss als Beispiel für eine Verlorene Form

Formenbau ist der Oberbegriff zur Herstellung von Gussformen, welche zur Fertigung von Gussteilen sowohl aus Metall als auch aus Kunststoff benötigt werden.

Im nachfolgenden Artikel wird im Wesentlichen die Herstellung von Formen beschrieben, die zur Produktion von Kunststoffteilen verwendet werden. Der Gebrauch und die Herstellung von Formen zur Produktion von Metallteilen wird im Artikel Gießen (Metall) beschrieben.

Grundlagen

Dauerform und Verlorene Form

Dauerformen sind Formen, die zahlreiche Gussvorgänge überstehen, z. B. für Serienproduktion.

Für hohe Stückzahlen gibt es Dauerformen aus Stahl für Kunststoffguss oder Metalldruckguss. Andere Dauerformen bestehen etwa aus Schamotten im Metallguss, Beton im Beton- und Kunststeinguss, und anderes. Für kleine Stückzahlen (Kleinserien) gibt es Formen aus Holz, Gips oder ähnlichen Material. Hiermit können z. B. glasfaserverstärkte Kunststoffteile oder Kunstgüsse hergestellt werden.

Verlorene Formen werden beim oder nach dem Guss zerstört

im Industrieguss aus Sand (mit Bindemitteln) nach einem Modell erstellt eine Besonderheit ist das Wachsausschmelzverfahren (z. B. für Kleinteile im Feinmaschinenbau, Medizintechnik oder für Schmuck)

Formbestandteile: Matrize, Kern, Kavität

Metallformen können aus mehreren hundert Einzelteilen (Formbestandteilen) bestehen. Diese Einzelteile können geformte Teile oder eingekaufte Normteile und Normalien sein.

Eine Metallform besteht mindestens aus einer Matrize („Mutterform“), welche das Negativ der Außenform für das herzustellende Massenteil bildet. Soll das Bauteil einen Hohlraum oder eine konkave Form erhalten, wird ein Kern als Innenform benötigt. Der Kern kann entfernt werden, wenn die Form offen ist und keine Hinterschneidungen die Entnahme behindern. Andernfalls verbleibt er im Material, wird chemisch oder durch Erhitzen aufgelöst oder mechanisch zerstört und dann entfernt. Wenn etwa ein Kern aus Styropor mit Ton als Gussmaterial verwendet wird, so gast der Kern beim Brennen aus, und es ist nur eine kleine Öffnung nötig, um das Gas entweichen zu lassen.

Zwischen Kern und Matrize verbleibt die Kavität als die auszufüllende Hohlform. Die Gesamtheit der Form ist das Model. Dieser Begriff ist nicht in allen Gusstechniken geläufig.

Bei Druck- und Pressformen spricht man auch von Patrize (Gegenform).

Werkzeugaufbau

Die meisten Formaufbauten unterteilt man in Düsenseite und Auswerferseite. In beiden Hälften ist die negative Kontur des Gießlings als Hohlraum vorhanden. Die Gießmaschine fährt diese beiden Formhälften, nach dem Gießvorgang (Einspritzen) und erfolgter Erstarrung, auseinander. Das Formteil verbleibt in der Ausstosserseite und wird mit der separaten Auswerfervorrichtung ausgeworfen. Die Kontur des Formteils erlaubt keine Unterschneidungen in Öffnungsrichtung. Falls die Kontur dennoch Unterschneidungen haben muss, werden zusätzliche Schieber eingebaut, die vor dem Ausstoßvorgang zurückgefahren werden.

Teile einer typischen Form sind danach:

Aufspannplatte Düsenseite Formplatte Düsenseite Formplatte Auswerferseite Distanzleisten für die Auswerferplatten Auswerferplatten mit den Auswerfern Aufspannplatte Auswerferseite Anschlüsse für die Kühlbohrungen Heißkanal- oder Kaltkanaldüse

Gegebenenfalls kommen noch Schieber und diverse Anbauteile, wie Typenschilder, Transportbügel, Zykluszähler etc. hinzu.

Handwerkliche Formen

Historischer Guss in Steinform mini|Eine der Gussformen von Palekastro aus der Zeit der minoischen Kultur Der Guss in Stein ist eine historische Art Gegenstände aus Metall herzustellen. Schon vor Jahrtausenden entwickelten die Menschen darin eine beeindruckende Geschicklichkeit und waren in der Lage feinste Gegenstände zu produzieren.

Die Materialien für Steinformen waren überwiegend gut zu bearbeitende Steinarten wie Sand- oder Speckstein. Formen aus Granit sind äußerst selten zu finden.

Das Negativ wird durch Meißeln, Schaben oder Schnitzen in den Stein eingearbeitet. Das flüssige Metall wird in die Form gefüllt und erstarrt dort.

Beim Gießen in Steinformen existieren vier Arten:

Die erste ist der offene Herdguss. Hierbei verwendet man nur eine Formhälfte. Durch die offene Seite tritt eine starke Reaktion mit Sauerstoff ein, welche zu Bläschenbildungen auf dem Metall führt und dieses rau und porös werden lässt. Eine zweite Variante ist der verdeckte Herdguss, wobei eine Formhälfte mit einer Blindhälfte zusammengelegt wird. Ein übermäßiges Oxidieren der Schmelze wird dadurch verhindert. Da eine Hälfte blind ist, sind Passlöcher, Schlösser und dgl. nicht notwendig. Handelt es sich um zwei Hälften mit Formnegativ, müssen diese in die Steine eingearbeitet werden, um ein Verschieben der beiden Formen zu verhindern. Diese Gussstücke erkennt man auch an den Gussnähten, die entlang der Formteilung entstehen. Eine weitere Variante nennt sich Kernguss, welcher zum Anfertigen von Gegenständen mit Hohlräumen verwendet wird. Die vierte und letzte Art ist der Überfang- bzw. Verbundguss. Dabei handelt es sich um einen zweiten Aufguss auf ein halbfertiges Fabrikat. Diese Technik wird auch zur Reparatur oder Ausbesserung defekter oder misslungener Stücke genutzt. Verbund- oder Überfangguss fand auch beim Wachsausschmelzverfahren Anwendung.

Moderne Formen

Formen für geringe Stückzahlen werden meist aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) hergestellt, seltener aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Solche Formen sind nach der Herstellung von etwa 10–200 Bauteilen verschlissen. Sinnvoll sind sie besonders zur Herstellung komplexer und großer Teile, zum Beispiel im Bootsbau. GFK-Formen werden meist per Hand angefertigt, indem dünne Glasfasermatten um ein Urmodell (oft ein massiver Polystyrol-Kern) oder um ein Muster-Bauteil gelegt werden und härten. Dadurch entsteht eine sogenannte Negativform. Bei der Herstellung des Bauteils wird der zu formende Werkstoff auf der Innenseite der Form angebracht, was eine glatte Außenfläche bewirkt. Eine Positivform (auch Kern) hingegen ist ein Abbild des herzustellenden Bauteils; das zu formende Material wird wie oben beschrieben auf der Außenseite aufgebracht, wodurch die innere Oberfläche glatt wird. Die Herstellung der Form und der Bauteile ist nach dem gleichen Verfahren möglich und unterscheidet sich in der Praxis oft nur geringfügig.

mini|134x134px|Standardform

Stahlformenbau: Dauerformen aus Stahl

Für hohe Stückzahlen werden Dauerformen aus Stahl eingesetzt, insbesondere zum Spritzguss von Kunststoffen sowie zum Druckguss und Metallpulverspritzguss von Metallen. Hier spricht man auch vom Stahlformenbau, der mit dem Werkzeugbau eng verwandt ist und häufig auch so bezeichnet wird. Stahlformen werden entsprechend auch als Werkzeuge bezeichnet.

Verschleißfestere Formen bestehen in der Regel aus gehärtetem oder vergütetem Werkzeugstahl oder aus Hartmetall. Die meistens sehr genauen Formkonturen werden mit Hilfe von verschiedenen Werkzeugmaschinen nach Konstruktionszeichnung und NC-Daten eingearbeitet, zum Teil auch mit der Hand. Das macht die Herstellung einer Form zwar teuer, aber für die Herstellung von Bauteilen in großen Mengen ist dies ab einer gewissen Losgröße (Mindeststückzahl) kostengünstiger und schneller als die Teileherstellung ohne Formen (zum Beispiel mit CNC-Fräsen). mini|157x157px|Backenform Als Grundlage für den Stahlformenbau dienen meist standardisierte Formaufbauten von Normalienherstellern. Je nach Anwendungsgebiet können die Formaufbauten in Größe und Ausführung variieren.

Standardformen

Die Standardformen eignen sich für vielseitige Anwendungen im Formenbau. Die Aufbauten sind modular aufgebaut. Das heißt, dass die Platten vom Werkzeugaufbau in Stärke und Material beliebig ausgewählt werden können.

Backenformen

Die Backenformen besitzt einen funktionsfertigen Schieber, der die gesamte Länge abdeckt. Somit eignen sich diese Art des Formaufbaus für Bauteile mit großen Hinterschnitten.

Wechselformen mini|134x134px|Wechselform Gerade bei der Herstellung von Prototypen und Kleinserien werden kürzeste Rüstzeiten beim Werkzeugwechsel gefordert. Bei den Wechselformen bleibt der Formaufbau auf der Maschine, wobei nur die Wechseleinsätze auf der Düsen- und Auswerferseite getauscht werden.

Verwendung

Bei der Verwendung einer Form wird ein unförmiges Material vom Werkzeug in die gewünschte Form gebracht. Bei dem Material kann es sich beispielsweise um weiche Matten, ein Granulat oder eine Schmelze handeln. Das Material wird mit unterschiedlichen Verfahren in das Werkzeug (also die Form) eingebracht:

Mineralguss Spritzgießen (Verarbeitung von Kunststoff) (Thermoplast, Duroplast, Elastomer) Metallpulverspritzgießen Druckgießen (Verarbeitung von Nichteisen-Legierungen, z. B. Aluminium, Magnesium und Zink) Spritzpressen Faserspritzen Formpressen Strangpressen Gesenkschmieden (Verarbeitung von Metall)

Diese Verarbeitungsverfahren können miteinander kombiniert werden. Auch können komplett unterschiedliche oder ähnliche Materialien in nacheinander folgenden Prozessen kombiniert verarbeitet werden.

Erstarrung des Werkstoffes

Der in die Form eingebrachte Werkstoff muss erstarren, bevor er wieder entnommen wird. Je nach Beschaffenheit des Werkstoffes geschieht dies durch Erkalten oder mithilfe einer Wärmebehandlung. Auch das Härten in einer Vakuumkammer (siehe Vakuumgießen) ist möglich.

Entformung

Entformen bezeichnet das Herauslösen des gehärteten Materials aus der Form. Wie dies geschieht, hängt von zahlreichen Faktoren ab. Zum Teil werden komplizierte Mechanismen angewendet, um ein Teil aus dieser Form wieder herauszulösen. Die kompliziertesten Mechanismen werden beim Spritzgießen und beim Druckgießen angewendet. Neben ganz gewöhnlichen Ausstoßern, Flachausstoßern oder Abstreifern werden Schieber oder Schrägausstoßer verwendet. Eine besondere Schwierigkeit ist das Entformen von dreidimensionalen Formen, die wegen ihrer Gestaltung kein einfaches Herauslösen in eine Richtung ermöglichen; als Beispiel möge man sich eine Dreiviertelkugel vorstellen. Hier werden Gewinde- oder Zusammenfallkerne verwendet. In einigen Fällen kann der Kern einfach im Teil verbleiben. Die Entformungsvarianten können auch miteinander kombiniert werden.

Schwindung

Damit die verschiedenen Werkstoffe in der Massenfertigung verarbeitet werden können, müssen diese erwärmt werden oder es entsteht bei der Verarbeitung Wärme. Beim Abkühlen wird dabei das endgültige Werkstück etwas kleiner. Diese Verkleinerung nennt man Schwindung (Schwund). Die Schwindung hängt hauptsächlich vom verwendeten Material, aber auch vom angewendeten Verfahren, dessen Verarbeitung und weiteren Faktoren ab. Die Schwindung muss bei der Herstellung einer Form berücksichtigt werden. Das heißt, dass eine Kontur (jedes Maß) um einen bestimmten Prozentsatz vergrößert werden muss. Dies wird in der Konstruktion berücksichtigt. Bei stark formunterschiedlichen und unsymmetrischen Konturen wird oftmals auch ein so genanntes Puschen der Kontur notwendig. Damit wird die Maßhaltigkeit bei unterschiedlicher Längs- und Querschwindung verbessert.

Oberflächenbeschaffenheit

Ein Massenteil weist immer eine ganz bestimmte Oberflächenbeschaffenheit und Rauheit auf. Diese Oberflächenbeschaffenheit muss beim Herstellen einer Form berücksichtigt werden. Je nach Bedürfnis des Endkunden wird die Oberfläche einer Form poliert, nach einem bestimmten Muster strukturiert (z. B. ätzen, lasertexturieren oder sandstrahlen) oder im angewendeten Herstellungsverfahren der entsprechenden Werkzeugmaschine belassen.

Wichtige Funktionen in einer Form

Temperierung