Formstoffverdichtungsverfahren

Allgemein

Verdichten eines Formstoffes in der Weise, dass sich der Kornabstand vermindert und das mittlere Raumgewicht erhöht. Hierzu gehören das Stampfen, Pressen, Rütteln, Vibrieren, Slingern und das Verdichten durch Druckluft (Blasen, Schießen, Luftimpuls). In der technischen Anwendung werden auch Verfahrenskombinationen wie beispielsweise Rüttelpressen, Vibrationspressen vorzugsweise für tongebundene Formstoffe angewandt. Die erreichbaren Formfestigkeiten über die Formenhöhe werden vom Verdichtungsverfahren charakterisiert (Bild 1). Die wichtigsten Formstoffverdichtungsverfahren sind:

Rüttelformverfahren:

Beim Verdichten durch Rütteln wird der Maschinentisch mit Modellplatte und Formkasten einschließlich Formstoff um einen Betrag h (30 bis 100 mm) angehoben. Am oberen Totpunkt wirkt die über das Rüttelgetriebe eingebrachte Hubkraft nicht mehr, unter Wirkung der Schwerkraft fällt der Maschinentisch gegen den Amboss. Da die dadurch entstehende Verdichtungskraft nur kurzzeitig wirkt (0,002 bis 0,007  s), sind mehrere Verdichtungsvorgänge (Rütteln) notwendig. Allgemein werden 20 bis 50 Rüttelschläge zur Formverdichtung benötigt.

Pressformverfahren:

Die Verdichtung des Formstoffes durch Pressen ist dadurch gekennzeichnet, dass der lose Formstoff durch die über den Pressstempel wirkende Verdichtungskraft in einem einmaligen Arbeitstakt verdichtet wird.

Das Pressen ist daher ein statisches Verdichtungsverfahren. Die Pressverdichtung beginnt am Formrücken, unmittelbar unter dem Presshaupt. Die obersten Formstoffschichten werden verdichtet, mit zunehmender Entfernung vom Presshaupt nimmt infolge der Reibungswiderstände in der Form die Verdichtung bis hin zur Modellplatte ab. Der Verdichtungsdruck verursacht infolge der Keilwirkung jedoch einen Seitendruck über der Höhe der Form. Eine Modellvorstellung über die auftretenden Druckspannungen in einer durch Pressen verdichteten Form zeigt Bild 2. 

Rüttel-Pressformverfahren:

Auf den Maschinentisch wird die Modellplatte befestigt und der Formkasten aufgesetzt. Nach dem Einfüllen des Sandes erfolgt die Verdichtung durch Rütteln mit anschließendem Pressen oder durch Rütteln unter Pressdruck. Rütteln mit Nachpressen zeigt eine bessere Härteverteilung als das Rüttelpressen. Hier bildet sich in der gesamten Form das von der Pressverdichtung bekannte Härtezentrum aus (Bild 3).

Hochdruck-Pressformverfahren:

Hochdruck-Pressformanlagen arbeiten mit Teilflächendrücken von 7 bis 20 bar. Wie Bild 2 aber zeigt, ist auch bei höchsten Pressdrücken keine zufriedenstellende Härteverteilung über dem Formquerschnitt gewährleistet. Deshalb werden technisch-technologische Maßnahmen erforderlich, bei deren Anwendung eine hohe und vor allem gleichmäßige Verdichtung in allen Bereichen der Form erreicht wird. Solche Maßnahmen sind zum Beispiel eine Anpassung der Formstoffeigenschaften an das Verdichtungsverfahren (hohe Schüttdichte, gute Fließbarkeit) oder verfahrenstechnische Entwicklungen wie die Anpassung des Presshauptes an die Modellkontur (Konturenpressplatten, Membran- beziehungsweise Presskissen, Vielstempelpressen). Bild  4 zeigt am Beispiel des Dynapuls-Verfahrens die Wirkungsweise des Vielstempelpressens.

Schieß-/Blas-Pressformverfahren:

Schieß-Pressformmaschinen für Kastenformen wurden Anfang der 60er Jahre aus Kernschießmaschinen entwickelt und nach und nach von den meisten Herstellern gebaut. Bei der typischen Konstruktionsform (Bild  5) wird der Sand durch eine mit Schlitzen versehene Schießkopfplatte in den Formkasten geschossen.

Die Endverdichtung erfolgt durch Pressen gegen die Schießkopfplatte. Die Luft wird beim Schießvorgang durch Entlüftungsöffnungen (Schlitzdüsen) in den Stegen der Schießkopfplatte, im Füllrahmen und über Öffnungen im Modell beziehungsweise der Modellplatte abgeführt.

Die Luftabführung ist sehr sorgfältig vorzunehmen, da diese Luftmenge etwa dreißigmal größer ist als das Formballenvolumen. Durch die Anwendung der Zweistufenverdichtung wird vor allem eine wesentliche Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Formeigenschaften über Höhe und Querschnitt erreicht.

Impuls-Formverfahren:

Das Impuls-Formverfahren, auch als Impact-Verfahren bezeichnet, verwendet Druckluft als Druckmedium. Durch das kurzzeitige Öffnen eines Ventils wird die vordosierte Formstoffmasse mit einem Druckluftstoß beaufschlagt, vom Formrücken ausgehend beschleunigt und beim Abbremsen am Modell verdichtet. Der maximale Luftdruck für die Verdichtung beträgt 6 bar. Der Grad der Verdichtung kann auf einfache Art – durch Änderung des Druckes – gesteuert werden.

Mit steigender Verdichtbarkeit des Formstoffs wird zwar eine höhere Bildsamkeit erzielt, das Einfüllen aber erschwert. Vor allem bei tiefen Ballen und kleinen Abständen zwischen Modell und Formkastenwand kommt dieses Problem zum Tragen.

Durch einen Vorimpuls, welcher eine gleichmäßige Formstofffüllung, auch beispielsweise im Modellschatten erreicht, wird diesem Problem begegnet. Der Vorimpuls läuft in zwei unterschiedlichen Druckanstiegsphasen. Ein erster niedriger Druckgradient geht in einen einstellbaren höheren Druckgradienten über. Dabei wird zum Beispiel die Wurzelfestigkeit des Ballens nahezu verdoppelt. Dem Vorimpuls folgt dann die Impact-Druckwelle zur Endverdichtung der Form.

Letztlich besteht natürlich auch noch die Möglichkeit, die eben beschriebenen Verfahrensprinzipien mit Pressen zu kombinieren. Hier wird ein modernes Presskissen aus weitgehend inkompressiblem, hochelastischem Kunststoff verwendet, dessen Verdichtungswirkung ähnlich der eines Vielstempelpresshauptes ist. Das Kissen passt sich zwangsläufig der Modellkontur an, die Form wird dadurch außerordentlich gleichmäßig verdichtet. Bild 6 zeigt das Verfahrensschema des Impuls-Pressfomverfahrens.

Luftstrom-Pressformverfahren:

Beim  Luftstrom-Pressformverfahren, auch „Seiatsu-Formverfahren“ genannt, wird der Formstoff von einer Druckwelle beaufschlagt, die durch plötzliche Entspannung von Druckluft erzeugt wird. Die Druckwelle durchströmt den Formsand vom Formrücken zum Modell, wo sie durch Düsen in der Modellplatte entweicht. Der zum Modell hin steigende Luftwiderstand führt zu einer ausgezeichneten Vorverdichtung im modellnahen Bereich. Ihre endgültige Härte erhält die Form durch Nachpressen mit einer flachen Pressplatte oder einem Mehrstempel-Presshaupt.

Damit die Luft ungehindert durch die Düsen entweichen kann, sollte der Gesamtquerschnitt der Düsenöffnungen etwa 1,5 % der gesamten Formfläche betragen. In der Praxis wird die Modellplatte, die in den Modellplattenträger einzulegen ist, soviel kleiner ausgeführt, dass um die Modellplatte herum ein Düsenkranz in den verbleibenden Rand des Modellplattenträgers angeordnet werden kann, so dass jede Form eine gute Randverdichtung erhält (Bild 7). Zur Erzielung einer optimalen Luftverteilung in der Form ist es mitunter notwendig, Teilabschnitte des Düsenkranzes im Modellplattenträger zu verschließen.

Wegen der Luftableitung durch die Düsen beziehungsweise den Düsenkranz an der Modellplatte kann man die Modelle sehr eng nebeneinander setzen und somit hohen Nutzungsgrad bei der Modellbelegung erzielen. Modelle mit einer Schräge von 0,5° oder weniger lassen sich einwandfrei abformen. Die Dauer der Druckluftbeaufschlagung beträgt in der Regel nur etwa 0,2 bis 0,5 Sekunden. Die Wirkung des Luftstromes ist umso größer, je lockerer der Sand in die Form gefüllt wird. Bei hohen Anforderungen an die Formqualität wird deshalb ein Auflockerungssieb am Auslauf der Sanddosierung angebracht. Die Beanspruchung der Formkastenwände ist wesentlich geringer als bei vergleichbaren Verfahren, da nur der Differenzdruck der strömenden Luft zur Wirkung kommt. Es können daher auch Holzmodelle verwendet werden.

Saugformverfahren:

Das Saugformverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass durch Luftabsaugung des Formraumes zwischen Formkasten und Modell ein Unterdruck entsteht. Der Sand (Grünsand) wird aus Vorratsbehältern angesaugt und dabei beschleunigt, so dass er sich unter dem Ansaugströmungsdruck dicht an die Modellflächen anlegt. Diese Arbeitsweise ist nicht zu verwechseln mit dem Vakuumformverfahren und erfordert eine Nachverdichtung durch Pressen.

Kombiniertes Luftstrom-Saugformverfahren:

Eine Kombination der beiden Verfahren kann wahlweise bei dieser Maschine angewandt werden. Bei der Mehrzahl aller Modelle wird ohne Änderung vorhandener Modellplatten gearbeitet, so dass nur für die weniger häufigen aber extrem schwierigen Modelle das Luftstromverfahren eingesetzt wird und hierfür düsenbestückte Modellplatten erforderlich sind.

Vakuumformverfahren:

Beim Vakuumformverfahren, auch V-Verfahren oder V-Prozess genannt, wird eine erwärmte Kunststofffolie über das Modell gezogen, der Formkasten aufgesetzt und mit losem, binderfreiem Quarzsand gefüllt. Nach Auflegen einer zweiten Folie auf den Formrücken wird die Luft aus der Form evakuiert. Der atmosphärische Druck hält die Form stabil, auch während des Gießens. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Gusstücken ohne Formschräge mit hoher Maßgenauigkeit und glatter Gusshaut.

Schleuderformverfahren (Slinger):

Der Formstoff wird radial oder tangential einem Schleuderrad zugeführt und von diesem in den Formkasten abgeworfen. Das Verfahren eignet sich vor allem für größere Formen und Füllmengen, obgleich es heute an Bedeutung verloren hat. Durchlaufmischer genießen den Vorzug, wenn chemisch härtende Formstoffe, vor allem Kaltharzsande, verwendet werden.

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