Formguss

alternativtext=Aus einem rot glühenden Eimer, der an einer Stange befestigt und leicht nach vorne geneigt ist, fließt gelb glühende flüssige Bronze in ein Loch einer rechteckigen Form.|mini|Bronzeguss in der Kunstgiesserei München Formguss ist ein Gießverfahren. Unter Formguss versteht man die Gesamtheit technischer Möglichkeiten, geschmolzene Metalle – entweder rein oder als Legierung – in eine von der künftigen Verwendung bestimmte Form zu bringen. Dies schließt moderne Techniken, wie den Gradientenguss und den fertigungstechnisch verwandten Hybridguss ein, nicht aber das Gießen von Rohlingen, die den späteren Verwendungszweck zwar andeuten, aber intensiv weiterbearbeitet werden müssen (Beispiele: Gesenkschmieden, Tiefziehen). Das Gießen von Kunststoffen erfolgt meist als Spritzguss von Thermoplasten oder mit Gießharz als Material.

Geschichte Die Herstellung metallischer Schmuck- und Gebrauchsgegenstände durch Gießen geschmolzenen Metalls in eine Form war schon in der frühen Bronzezeit bekannt. Funde, die bereits auf Kleinserien schließen lassen, zeigen dies und geben zugleich Aufschluss über Kenntnisse der Formherstellung aus verschiedenen Materialien. Die einfachste Form diente dem einmaligen Abguss von Büsten und Statuen und wurde nach Erkalten des Gussteils durch Zerschlagen von diesem abgetrennt, eine Technik, die im Glockenguss als „verlorene Form“ bis heute überdauert hat. Eine andere Entwicklung nahm der „Herdguss“ (bekanntestes Beispiel sind die eisernen, reich verzierten Ofenplatten aus dem 15. und 16. Jahrhundert), bei dem in eine nach oben offene Form gegossen wurde, die durch einfaches Eindrücken einer Gussvorlage in das Formbett entstand. Die Unterseite des Abgusses zeigte dann die gewünschte Konturierung. Auch diese Formtechnik eignete sich nur für einen Abguss, der jedoch nach Auffrischung des Formbetts wiederholt werden konnte.

Ein großer Schritt war die Erfindung des bis heute bekannten Wachsausschmelzverfahrens. Dazu wurde ein Modell aus Wachs benutzt, einem Material, das erlaubte, jede gewünschte Feinheit der Modellvorlage herauszuarbeiten. Das Wachsmodell wurde danach vollständig in eine sich anpassende und dennoch standfeste Tonmasse eingebettet, das Wachs durch Erhitzen ausgeschmolzen und an seiner Stelle das verflüssigte Metall oder die Legierung in den entstandenen Hohlraum eingegossen. Nach dem Erkalten wurde die tönerne Form abgeschlagen. Für eine Serienfertigung war diese Technik wenig geeignet. Schon im 12. Jahrhundert v. Chr. finden sich daher zweiteilige Gießformen aus Bronze, mittels derer man Beile in Serie zu gießen vermochte.H. Wübbenhorst: 5000 Jahre Gießen von Metallen. Gießerei-Verlag, Düsseldorf 1984, S. 11 f.

Zu technischer Bedeutung gelangte der Formguss erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts, als die Gusseisenzeit den Eintritt in das Industriezeitalter markierte. Alles was sich in Eisen gießen ließ, wurde hergestellt. (→ Hauptartikel, Lahn-Dill-Gebiet, Eisengießereien, u. a. Kochherde und Heizöfen) Dazu wurden Einzelteile aus Eisenguss serienmäßig in Sandformen hergestellt und auch zu Konstruktionen verbunden.

Einige Gießereien sind als Industriedenkmale bis heute erhalten geblieben.Eines davon ist die um 1828 fertiggestellte Gießhalle der Sayner Hütte (hierzu ausführliche Beiträge in Auch ein kaltes Denkmal braucht mehr als warme Worte. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung. Nr. 197, 26. August 2010 sowie in Als Vorbild diente eine gotische Kirche. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung. Nr. 207, 7. September 2010 S. T6.). Ein vergleichbares Objekt ist die 1799 eingeweihte und heute noch begehbare Brücke über den britischen Fluss Sewern.

Heute hat Eisenformguss vielfältigeren Ansprüchen zu genügen. Neue Entwicklungen erlauben es sogar, den bisherigen Gewichtsnachteil gegenüber Aluminiumguss auszugleichen und bei extremer Dünnwandigkeit die Ansprüche moderner Motorentechnik zu erfüllen (ADI, austempered duktile iron).

Die zu Beginn des 21. Jahrhunderts aktuelle Entwicklung bei Formguss ist die Bionik, die sich hinsichtlich Formgebung und Stabilität am menschlichen Knochenbau und dessen Strukturen orientiert. Ziel ist gute Festigkeitswerte mit Leichtbau und Gewichtsersparnis zu verbinden.Leopold Kniewallner, Guido Rau: Bionik und Guss – eine gute Kombination. In: Giesserei-Rundschau. 56, Nr. 9/10, 2009, S. 158 f.

Insbesondere im Fahrzeugbau ist Gewichts- und die damit verbundene Energieeinsparung zu einem die Fertigungsverfahren bestimmenden Faktor geworden. Werkstoffwahl, Formgebung und Fertigungsverfahren unterwerfen sich dabei dem übergeordneten Konzept „Leichtbau“.Anton Stich: Ressourceneffizienz und Leichtbau mit Guss aus Sicht eines Premiumherstellers. Vortrag, gehalten am 5. Februar 2013 in Magdeburg, auf der 7. VDI-Tagung "Gießtechnik im Motorenbau", siehe auch gleichlautende Berichte im VDI-Verlag, Düsseldorf 2013, (S. 51–60)

Modellbau als historische Voraussetzung der Formherstellung alternativtext=Auf einer Werkbank stehen mehrer Versionen eines Kopfes einer antiken Frauenstatue – einmal mit rötlicher Färbung, einmal schwarz und zwei graue Versionen. Dahinter der Oberkörper eines Mannes in einem grauen Pulli, der gerade eine der grauen Köpfe mit der rechten Hand berührt.|mini|Tonmodell, Wachsmodell und fertig gegossene Bronzen Einfach ausgedrückt ist jede Gussform (gleichbedeutend auch Gießform) ein Hohlraum, der mit geschmolzenem Metall gefüllt wird und ihn bei der Erstarrung unter Berücksichtigung ihm von seiner Ausformung vorgegebener Einzelheiten wiedergibt. Dies geschieht mit Hilfe eines Modells, das dem späteren Gussstück unter Berücksichtigung des linearen Schwindmaßes bei der Abkühlung von der Gieß- auf die Raumtemperatur genauest möglich entspricht. Es ist dabei zu unterscheiden zwischen verlorenenWachsausschmelzverfahren, Vollformverfahren und mehrfach einsetzbaren Modellen aus Gipsmasse, Holz, Kunstharzen oder Metall.

Modellschreiner, Modellschlosser

Der Modellbau ist ein technisches Spezialgebiet. Früher fertigte man die Modelle, von denen nur eine geringe Anzahl von Abgüssen oder nur Einzelstücke benötigt wurden, zumeist nur aus Holz (daher die alte Berufsbezeichnung „Modellschreiner oder -tischler“). Für Serienabgüsse (Maschinenteile, Automobilindustrie, Herde und Öfen) wurde als Modellwerkstoff Aluminium, seltener Bronze oder Grauguß verwendet. Die Berufsbezeichnung für diese Spezialisten war „Modellschlosser“; sie fertigten ehemals auch Kokillen und Formen für den Spritzguss an, bevor sich diese Tätigkeit als Spezialgebiet (Formenbau) abspaltete.

Die in ihren Möglichkeiten sich seit Ende des 20. Jahrhunderts ausweitende Digitalisierung hat den Beruf stark beeinflusst, denn es ist im 3D-Verfahren möglich, Modelle rasch und leicht abänderbar herzustellen. Dies geschieht mittels Computer, der im CAD/CAM-Verfahren aus einer vorliegenden Zeichnung ein dreidimensionales Modell entweder aus thermisch resistenten Kunststoff- oder Metallpulvern erstellt. Selbst einsatzfähige Prototypen sind herstellbar (Rapid-prototyping-Verfahren). Größere Sandformen können unter Verzicht auf ein Modell aus einem kunstharzfreien Vormaterial, zum Beispiel Sand, dem anorganische Bindemittel zugegeben werden, die eine thermische Härtung ermöglichen, mittels des 3D-Verfahrens aufgebaut werden. Aus den USA wird die Inbetriebnahme des größten 3D-Drucksystems für Formen berichtet.Pressenotiz vom 25. April 2016, Erzmetall 3/2016, S. 138, daselbst W. Volk und Mitarbeiter: Prozeßentwicklung für das 3D-Drucken mit anorganischen Formstoffsystemen. Vortrag anläßlich der VÖG-Tagung 2014 in Bad Ischl, abgedruckt in VÖG Giesserei-Rundschau. Jhg 61, Heft 5/6, S. 152. Umgekehrt ist auch das Ausfräsen eines Modells aus dem Vollen möglich. Da sich Modelle mittels 3D-Technik aus nahezu beliebigem Material leicht herstellen und auch verändern lassen, ermöglichen sie in Auswertung der Ergebnisse der jeweiligen Gießsimulation Modellveränderungen bis zu deren gießtechnischer Optimierung und Freigabe für die Serienfertigung.

Für die Herstellung dünnwandiger Gussteile oder solcher mit unterschiedlichen Wandstärken ist im Modellbau in zunehmender Vervollkommnung die dreidimensionale Simulation des Gießvorgangs Standard und das nicht nur für das Strömungsverhalten bei der Formfüllung, sondern auch für deren Verlauf und die Vorgänge bei der Erstarrung des gegossenen Teils in der Form. Damit können eventuelle Schwachstellen, insbesondere bei der Füllung der Gießform, wie der Erstarrungskontraktion und Vermeidung von Lunkern, aufgezeigt und durch gezielte Modelländerung rasch behoben werden.

Das im Modellbau verwendete Material bestimmt die Zahl, der mit ihm herzustellenden Formen. Gussstückgetreue, gespritzte Metallmodelle können als Prototypen ein Gussstück ersetzen. Kleinserien für Versuchszwecke waren bisher schon üblich, reguläre gedruckte Teile treten fallweise bereits an die Stelle gegossener.ALCOA berichtet in einer Pressenotiz vom 7. April 2016 über die vorgesehene Verwendung von Airbus-Teilen auf Titanbasis.Erzmetall 3/2016, S. 136.

Verwickelte Gussstücke, wie etwa der Motorblock oder der Zylinderkopf eines Automobilmotors, verlangen von den erforderlichen Modellen noch die Berücksichtigung notwendiger, innerer Kerne aus Metall, Sand, Salz oder anderen mineralischen Stoffen, die nach dem Guss entfernt werden und dann die technisch erforderlichen Hohlräume des Gussstücks wiedergeben. Es gibt sowohl Einzelkerne als auch „Kernpakete“ aus miteinander verbundenen Einzelkernen.

Formstoff und Formherstellung

Ein Unterscheidungsmerkmal beim Formguss bezieht sich auf den verwendeten Formstoff, das Material, aus dem die Form gebildet wird, wobei dies unabhängig von der Modelltechnik zu sehen ist.

Sandguss

mini|hochkant|Bildguss, unsigniert, etwa 1900, vielfach aufgelegt, unlimitiert mini|hochkant|Kunstguss eines Mörsers, unsigniertes Serienstück

Unabhängig von Neuerungen ist das Gießen in einmalig zu nutzende Sandformen auch im 21. Jahrhundert noch „Stand der Technik“. Neuerungen sind allerdings hinzugetreten, etwa die für einmalige Nutzung bestimmte Auskleidung von Gießpfannen, die den Temperaturabfall des Gießmetalls beim aufeinanderfolgenden Abgießen mehrerer Formen begrenzt.Kaltek-System FOSECO

Der Formsand kann tongebunden oder chemisch gebunden sein. Natursand, der in Formsandgruben abgebaut wird, ist stets tonhaltig, eine Voraussetzung für Bindefähigkeit und Bildsamkeit. Da Natursand Schwankungen in seiner Zusammensetzung ausgesetzt sein kann, bevorzugt man für hochwertigen Sandguss reinen Quarzsand, der mit präzise dosierten, quellfähigen und bindenden Zusätzen auf Basis des Minerals Bentonit aufbereitet wird, um den Hauptforderungen optimaler Druck- sowie Scherfestigkeit (wichtig für Stabilität von Kanten) zu genügen.

Die Alternative zu tongebundenem Sand ist der chemisch gebundene. Körner reinen Quarzsandes werden mit einer dünnen Kunstharzschicht umhüllt, die entweder infolge Polymerisation selbstaushärtend ist, oder beim Erwärmen einem thermischen Prozess unterliegt, der bindend wirkt und die Festigkeit der Form sichert.

Bentonit und kalt- oder warmabbindende Kunstharze werden als Formstoffzusätze bezeichnet. Der Zusatz beträgt je nach Stoff zwischen 0,3 und 3 bis 5 Prozent. Bei Eisen- und auch Schwermetallguss wird zur Erlangung einwandfreier Gussoberflächen vorwiegend Steinkohlenstaub als Glanzkohlenstoffbildner zugesetzt, aber auch andere Kohlenstoffträger werden angewendet. Beim Vergießen von Magnesium oder magnesiumreichen Aluminiumlegierungen dient ein Zusatz von Borsäure zur Begrenzung der Formstoffreaktion.