Angepasste Maschinentechnik für die Kernherstellung mit anorganischen Bindemitteln


Dipl.-Ing. Rudolf Wintgens, Schopfheim

Kurzform

Seit etwa 10 Jahren erleben anorganische Kernsandbinder eine Renaissance aufgrund von Umweltgesichtspunkten und Vorteilen im eigentlichen Gießereiprozess.

Moderne anorganische Bindersysteme haben gegenüber konventionellen CO2-härtenden Bindersystemen eine andere Härtereaktion. Die Härtereaktion erfolgt hauptsächlich durch Dehydration, also dem Entzug von Wasser. Daraus ergeben sich zwei Hauptanforderungen an Kernschießmaschinen- und Werkzeugausführungen: Die Kernschießmaschine muss den Kernkasten auf eine zur Wasserverdunstung ausreichend hohe Temperatur bringen und sie muss mit einer Heißluftspüleinrichtung die Feuchtigkeit aus dem Kernkasten transportieren. Dazu sind verschiedene Beheizungsmethoden verfügbar, von denen jede ihre spezifischen Vor- und Nachteile bietet.

Neben den beiden Hauptanforderungen Kernkastenheizung und Heißluftspüleinrichtung werden weitere Zusatzeinrichtungen an Kernschießmaschinen empfohlen, um eine Produktion mit konstant hoher Qualität und ökonomisch sinnvoll zu gewährleisten.

Die Zusatzeinrichtungen müssen das vorzeitige Aushärten der Sandmischungen verhindern und die Fließfähigkeit im Prozess sichern.

Einleitung

Seit etwa 10 Jahren erleben anorganische Kernsandbinder eine Renaissance aufgrund von Umweltgesichtspunkten und Vorteilen im eigentlichen Gießereiprozess.

Bei der Kernherstellung und beim Abguss werden keine (oder nur wenige) organische Stoffe frei. Die positiven Effekte für Arbeitsumgebung und Umwelt werden somit auch durch wirtschaftliche Vorteile ergänzt, da keine oder deutlich weniger aufwändige Absaug- und Abgasreinigungsanlagen installiert werden müssen.

Insbesondere beim Leichtmetallkokillenguss ist der Verschmutzung der Gießkokillen durch Verbrennungsprodukte und Binderkondensate effizienzreduzierend. Die Verwendung anorganischer Kernsandbinder erhöht hier die Verfügbarkeit durch deutlich reduzierten Reinigungsaufwand, Bild 1 & 2.

Bei einigen anorganischen Bindemitteln lässt sich die Wasserlöslichkeit bedarfsgerecht einstellen. Für Gussprodukte, bei denen die Entkernung schwierig ist, besteht somit die Möglichkeit, die Kerne auszuspülen und absolut sandfreie Gussstücke zu erhalten.

Die Härtereaktion anorganischer Bindersysteme erfolgt hauptsächlich durch Dehydration, also dem Entzug von Wasser. Neben den daraus resultierenden Hauptanforderungen Kernkastenheizung und Heißluftspüleinrichtung werden weitere Zusatzeinrichtung an Kernschießmaschinen empfohlen, um eine ökonomisch sinnvolle Produktion mit konstant hoher Qualität zu gewährleisten.

Die Zusatzeinrichtungen müssen das vorzeitige Aushärten der Sandmischungen verhindern und die Fließfähigkeit im Prozess sichern.

Anforderungen an die Maschinentechnik

Kernsandmisch- und Verteilanlagen

Beginnend mit der Herstellung der Kernsandmischung muss den besonderen Eigenschaften und Anforderungen anorganischer Formstoffgemische Rechnung getragen werden.

Die Bindersysteme bestehen meist aus bis zu zwei flüssigen und einer pulverförmigen Komponente. Bei der Flüssigkeitsdosierung können meist herkömmliche Dosiersysteme eingesetzt werden. Im Vergleich zu den manchmal eingesetzten Pulveradditiven wie Holzmehl, Eisenoxid etc. sind die Pulverzugabemengen für die anorganischen Bindemittel deutlich geringer. Damit sind die Anforderungen an die Dosiergenauigkeit deutlich höher.

Die anorganischen Formstoffgemische reagieren auf Feuchtigkeitsverlust durch vorzeitiges Aushärten. Für die Verarbeitung bedeutet dies einigen Aufwand.

Der verwendet Sand sollte in einem engen Temperaturbereich zum Mischer gelangen. Hier empfiehlt sich der Einsatz eines Heiz-Kühl-Sichters.

Der Mischer selbst sollte möglichst geschlossen sein, um Feuchte nicht an die Umgebung zu verlieren. Bei zentralen Mischanlagen, die über einen Verteilgefäß mehrere Maschinen bedienen, sollte auch das Verteilgefäß sowie die Sandtrichter der einzelnen Kernschießmaschinen abgedeckt werden. Jedoch selbst bei abgedeckten Behältern bilden sich jedoch immer wieder angetrocknete Sandkrusten. Diese müssen regelmäßig entfernt werden, da ansonsten die Gefahr besteht, dass sie in die Formstoffmischung fallen und ggfs. Ausschussdüsen blockieren und/oder Fehlstellen im Kern verursachen.

Das Austrocknen  und damit die Krustenbildung samt anschließender Reinigung  kann deutlich reduziert werden, wenn der Feuchteverlust kompensiert wird. Die Befeuchtung mittels Sprühdüsen hat sich allerdings als problematisch erwiesen, da selbst kleinste Wassertröpfchen, die mit dem Formstoffgemisch in Berührung kommen, Binder vom Sandkorn waschen. Als Lösung bietet sich hier ein Befeuchtungssystem an, dass kalten Wasserdampf in vollständig gasförmiger Phase über das Formstoffgemisch liefert. Direkte Tröpfchen oder auch Kondensat entstehen so nicht, der Binder wird nicht ausgewaschen.

Dieser „kalte Wasserdampf“ kann mittels Ultraschallgenerator erzeugt werden (Patent der Laempe & Mössner GmbH).

Die Anzahl der Umfüllvorgänge, die das Formstoffgemisch austrocknen, kann dadurch reduziert werden, dass jede Kernschießmaschine mit einem eigenen Mischer versorgt. Es ist möglich, den Mischer direkt auf der Schießeinheit zu platzieren, so dass der Mischerboden gleichzeitig die Schießeinheit druckdicht nach oben abschließt. Bei diesem System entfällt nicht nur ein Umfüllvorgang, sondern auch die Sandlagerung im Trichter, Bild 3.

Kernkasten

Für die Trocknung mit der Kernkasten beheizbar sein. Übliche Werkzeugtemperaturen liegen zwischen ca. 150- 220°C. Diese Temperaturen können durch direkt elektrische, durch Thermoöl oder durch Dampf-Beheizung erreicht werden. Die der Temperatur entsprechenden Wärmeausdehnungen sind bei der Kernkastengestaltung zu berücksichtigen.

Elementar für kurze Taktzeiten ist eine ausreichende Entlüftung im Kernkasten, die die Feuchtigkeit aus allen Bereichen sicher und schnell abführen kann.

Kernschießmaschine

Die beiden Hauptanforderungen Kernkastenbeheizung und Heißluftspülung müssen von der Kernschießmaschine bereitgestellt werden.

Die verschiedenen Beheizungsarten der Werkzeuge haben jeweils spezifische Vor- und Nachteile:

Tabelle1

Tabelle1

Tabelle2

Tabelle2

Für die Heißluftspülung sollten die Lufterhitzer möglichst nahe an der Begasungsplatte/-haube installiert werden, um Rohrleitungstemperaturverluste zu vermeiden. Ist das nicht möglich, sollte die Rohrleitung mindestens isoliert, besser jedoch beheizt werden. Ist die Maschine mit Dampfheizung ausgestattet, bietet sich neben den konventionellen elektrisch beheizten Lufterhitzern auch ein dampfbeheizter Wärmetauscher an.

Durch Strahlungs- und Kontaktwärme der beheizten Kernkästen erwärmt sich die Kernschießmaschine. Um hier das vorzeitige Aushärten des Formstoffgemischs zu verhindern, müssen in der Regel Sandtrichter, Schießkopf und Schießplatte gekühlt werden. Werden Ausschussdüsen verwendet, sollte diese ebenfalls gekühlt werden.

Einige der anorganischen Sandsysteme sind teilweise wärmereaktiv. Die Kühlung von Schießkopf und –platte verhindert vorzeitiges Aushärten und reduzieren den Reinigungsaufwand erheblich.

Bei der Kühlung der verschiedenen Bereiche ist allerdings darauf zu achten, dass die Temperaturdifferenz von gekühlten Bauteilen und Umgebungstemperatur nicht so groß ist, dass Kondensation auftritt. Dann kommt es wieder zu Auswaschungen.

Um die Produktionsqualität reproduzierbar zu gestalten, können die einzelnen Wasserkühlkreise temperaturgeregelt ausgeführt werden.

Je nach Bindersystem erreichen die Werkzeugtemperaturen ähnliche Bereiche wie im Warmbox- oder Hotbox-Verfahren. Dementsprechend muss die Konstruktion der Kernschießmaschine der Wärmeausdehnung Rechnung tragen. Schwimmende Lagerungen müssen Wärmeausdehnungen so kompensieren, dass die Zentrierungen von Maschine und Werkzeug temperaturunabhängig übereinstimmen.

Wesentliche Bedeutung kommt auch in der Kernschießmaschine dem Verhindern vorzeitigen Austrocknens der Formstoffmischung zu. Direkter Luftkontakt besteht vor allem im Sandtrichter und an den Ausschussdüsen. An beiden Stellen wird durch Benebelung des Umfelds mit Wasserdampf das Austrocknen wirksam verhindert, Bild 4.

Weiterhin kommt die verbleibende Formstoffmischung in der Schießeinheit nach Schuss und Entlüftung mit Luft in Kontakt. Dieser grundsätzlich verbleibende Rest wurde zusätzlich der die hindurch strömende Schussluft ausgetrocknet. Der Feuchteverlust kann auch in der Schießeinheit durch Nebel kompensiert werden. Bei Maschinentypen, bei denen die Schießeinheit zwischen Schuss und Befüllstation verfährt, sollte die Schießeinheit nach dem Befüllen benebelt und abgedeckt werden. Wie schon bei der Sandversorgung ist hier tropfenfreier Nebel notwendig, Bild 5.

Je nach Fließfähigkeit und Position der Schießdüsen kann es in der Schießeinheit zur Kanalbildung bzw. Sandbrücken kommen. Formstoffgemische fließen dabei nur in bestimmten Bereichen. Der Rest aber verbleibt als „tote“ Zone im System, trocknet aus, reibt ab und verschlechtert die Kernqualität. Durch den Einsatz eines „Brückenbrechers“ (System patentiert von der Laempe & Mössner GmbH)) kann dem wirksam entgegengewirkt werden. Der Brückenbrecher bricht durch eine einfache Drehbewegung während Schuss und Entlüftung die Kanäle auf; Bild 6.

Als Nebeneffekte kann aus der Bestimmung des Drehmoments die Füllhöhe der Schießeinheit bestimmt und somit die Bebunkerung gesteuert werden.

Allgemeines

Die Formstoffgemische sind in der Regel alkalisch und weisen Anteile verschiedener Salze auf. Daher müssen formstoffberührten Teile vor Korrosion geschützt werden bzw. aus korrosionsresistenten Materialien gefertigt sein.

Kernhandling und Kernlagerung

Im Vergleich zu mit organischen Bindemitteln hergestellte Kerne weisen anorganisch gefertigte Kerne oft eine geringere Anfangsfestigkeit auf, die erst mit der Abkühlung und Endtrocknung der Kerne ansteigt. Dieser geringeren Anfangsfestigkeit muss bei dem der Kernfertigung nachfolgenden Handling (Entnahme aus der Maschine, Entgraten, Montieren etc.) Rechnung getragen werden. Sowohl bei manuellem als auch bei automatischem Handling müssen Greifkräfte und ggfs. Verfahrgeschwindigkeiten angepasst werden. Wie bei allen warmen/heißen Verfahren sollte die Entgratung immer bei einer konstanten Temperatur durchgeführt, also in der Regel nach dem Abkühlen. Entgratung bei unterschiedlichen Temperaturen kann zu Kernbruch führen.

Um Qualitätsverluste bei der Lagerung der Kerne zu minimieren, muss in den Lagerräumen den Luftfeuchtigkeit auf einem kontrolliert niedrigen Niveau gehalten werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Beachtet man bei der Kernfertigung die Besonderheiten anorganischer Kernsandbindersysteme und stellt die Prozessparameter in ausreichend engen Grenzen ein, kann diese Art der Kernfertigung nicht nur aus rein umweltpolitischen Gesichtspunkten eine echte Alternative für die Kernproduktion sein.

Aufgrund der (derzeit noch) benötigten heißen Werkzeuge besteht hier allerdings die wesentliche Einschränkung, dass eine anorganische Kernfertigung zurzeit nur für die Serienproduktion wirtschaftlich darstellbar ist. Die hohen Investitionskosten für geeignete Werkzeuge sind für Kundengießereien mit Kleinserien und Einzelfertigung unrentabel.

Bisher nur teilweise gelöst sind die Herausforderungen in Regenerierbarkeit, Mischbarkeit mit anderen Sand und Verwendbarkeit bei höher schmelzenden Werkstoffen.

Es ist allerdings abzusehen, dass in Kürze Bindersysteme auf den Markt kommen, die diese Aufgabenstellungen durch geschickte Binderzusammensetzungen und weiter angepasste Maschinentechnik lösen.

Somit trägt auch die Gießereitechnik durch Verfahrensoptimierungen wesentlich zu einer Verbesserung der Umweltsituation bei.

Modulated machine design