Lost Foam

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  Ladeluft­verteiler­leitung

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  schematische Dar­stell­ung

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  Zerlegung

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  zusammen­gesetzter Schäumling

Lost Foam (deutsch Gießen mit verlorenem Schaum) ist ein Gießverfahren, bei dem ein Positivmodell (Schäumling) aus formgeschäumtem, Polystyrol (Styropor) oder Polymethylmethacrylat (Acrylglas) in einen Formstoff, meist aus Quarzsand, eingebettet und der so entstehende Hohlraum mit flüssigem Metall ausgegossen wird. Das Modell wird dabei durch die Metallschmelze thermisch zersetzt. Beim Gießen ist somit für jedes Gussteil ein entsprechendes Positivmodell bereitzustellen, das nach dem Gießvorgang nicht mehr existiert (verlorenes Modell). Ein ähnliches Verfahren ist das Vollformgießen. Der Hauptunterschied ist, dass beim Vollformgießen Sand mit Bindemittel und beim Gießen in verlorenem Schaum Sand ohne Bindemittel verwendet werden. Beide Verfahren gehören zum Gießen mit verdampfenden Modellen.

Der Schäumling kann aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein und somit komplexe Formen, auch solche mit Hinterschneidungen, annehmen. Die Konturen der Gussteile müssen nach dem Gießen wenig nachbearbeitet werden, weil sie ihrer endgültigen Kontur schon sehr nahekommen.

Geschichte

Im Jahre 1958 patentierte der Amerikaner H. F. Shroyer das Vollformgießverfahren, das Modelle aus einem Polymerschaum in chemisch gebundenen Formsand einformt und durch die thermische Energie der einströmenden Schmelze das Modell vergast.

Das Verfahren

Das Fertigungsverfahren mittels Lost Foam setzt sich aus 8 Prozessschritten zusammen. Diese sind Schäumen und Zusammenfügen der Modellsegmente, anschließende Modellmontage und das Schlichten sowie das Einformen und Gießen, gefolgt vom Zersetzungsprozess und dem Entleeren.

Schäumen

Das Ausgangsmaterial zur Herstellung von Modellen für das Aluminiumgießen ist das mit dem Treibmittel Pentan (C₅H₁₂) versetzte expandierbare Polystyrol Rohmaterial (EPS). Das Copolymer aus EPS und EPMMA (expandierbares Polymethylmethacrylat) wird besonders für die Herstellung von Gusseisen und Stahlbauteilen eingesetzt. Diese beiden Stoffe liegen in kugeliger Form vor und bestehen zu 6 % aus Polymer und Pentan, die restlichen 94 % bestehen aus Luft.

Vorschäumen

Polystyrol ist durch die Einlagerung von Pentan als Treibmittel expandierfähig. Durch die Zufuhr von circa 110 °C heißem Wasserdampf wird das EPS-Material in einer Aufschäumkammer zum Expandieren gebracht. Der dadurch entstehende Überdruck im freien Volumen zwischen den Polystyrolmolekülen und die Erweichung der Polymermatrix aufgrund der weiter steigenden Temperatur bewirken eine Vergrößerung der EPS-Perlen auf das gewünschte, bis zu circa 30-Fache des ursprünglichen Volumens. Durch dieses Verfahren wird die zur Weiterbearbeitung benötigte Dichte erreicht.

Fertigschäumen

In diesem Verfahrensschritt werden die EPS-Perlen mit Druckluft durch einen Injektor in eine metallische Dauerform geblasen, wo sie zur gewünschten Modellform verschweißt werden. Dies geschieht durch erneutes Bedampfen der Formoberfläche mit ca. 110 °C heißem Wasserdampf, der in den Formhohlraum gelangt.

Fügen der Modellsegmente

Nach dem Schäumen und Trocknen der einzelnen Modellsegmente, müssen diese nun zur geplanten komplexen Modellform zusammengesetzt werden. Dies geschieht in der Regel serienmäßig mit Klebemaschinen zur Verarbeitung von Heißkleber, welche zusätzlich die Fixierung der Modellteile übernehmen.

Montage der Modellsegmente

Modelltrauben

Um den Gesamtprozess effizienter zu gestalten, werden nach Möglichkeiten Endmodelle mit einem Einguss-/ Angusssystem verbunden und so entsteht eine sogenannte Modelltraube oder Cluster. An dieser Modelltraube können unterschiedlich viele Modelle angebracht werden.

Schlichten

Schlichtvorgang

Durch ein Tauchverfahren werden die fertigen Modelltrauben mit einer wasserbasierten, keramischen Schlichte überzogen. Der Sinn dieses Vorganges liegt darin, die liquiden und gasförmigen Bestandteile abzuleiten und somit die Formfüllung zu steuern. Außerdem bildet die Schlichte eine feuerfeste Barriere. Die Modelltrauben werden anschließend getrocknet, um die Restfeuchtigkeit zu reduzieren. Restfeuchtigkeit kann Porosität im Gussteil erzeugen. Dies geschieht in der Regel in einem 50 °C warmen Ofen, wobei auch Mikrowellentrocknung möglich ist.

Einformen

Beim Einformen wird die nun getrocknete Modelltraube in einen Gießbehälter eingesetzt und sequenziell mit einem Formstoff berieselt. In der Regel wird Quarzsand als Formstoff verwendet, aber es kann auch Mullit zum Einsatz kommen. Um das Modell oder die Modelle detailgetreu auszuformen, wird die Modelltraube Vibrationen ausgesetzt, wodurch der Formstoff in alle Hohlräume fließen kann.

Das Gießen

Durch einen Gießlauf und ein Anschnittsystem wird die Metallschmelze in das Schaumstoffmodell geleitet, wo die thermische Energie die Modelltraube zersetzt. Die Schmelze füllt nun den freigewordenen Hohlraum vollständig aus und es wird somit nach dem Erstarren des Metalls die exakte Teilekontur gebildet.

Entleeren

Das Entleeren erfolgt durch Kippen der Gießbehälter, wobei der Formstoff (Quarzsand) aus den Hohlräumen fließen kann. Der Quarzsand kann anschließend wieder in das Sandrückführsystem geleitet werden. Die Entfernung möglicher Rückstände der Schlichte, aber auch eine Einflussnahme auf die mechanischen Werte kann durch ein Wasserbad bei 30–40 °C bewerkstelligt werden. Hierzu ist aber eine Traubentemperatur von ca. 300 °C nötig.

Vorteile

Das Lost-Foam-Verfahren bietet im Vergleich mit anderen Gießverfahren eine größere Gestaltungs- und Designfreiheit bei der Konstruktion von Gussteilen. Funktionsintegrierte Gusskomponenten können durch den schichtweisen Aufbau der Modellsegmente einteilig dargestellt werden, was somit auch einen Kostenvorteil bietet. Das Verfahren erfordert nur eine geringe Gussnachbearbeitung (near net shape). Durch den Wegfall von Bearbeitungsvorgängen, Einbauteilen, Verschraubungen etc. ergeben sich auch reduzierte Montage- und Bearbeitungskosten. Außerdem können die einzelnen Arbeitsschritte gut automatisiert werden. Das ergibt dann eine hohe Flexibilität durch geringe Rüstzeiten. Auch hohe EPS-Formstandzeiten sind ein Vorteil, woraus sich geringere anteilige Werkzeugkosten ergeben.

Nachteile

Nachteile des Lost-Foam-Verfahrens sind zum Beispiel die hohen Anforderungen an die Modellqualität, die Zersetzung des Modells beim Gießprozess und die Reproduzierbarkeit des Formfüllverhaltens. Die Modelle bzw. Modelltrauben sind empfindlich, deshalb besteht die Gefahr der Deformierung bzw. Beschädigung beim Schlichten, Trocknen und Einformen. Nachteilig kann es sich auswirken, wenn man die gleichmäßige Abführung der EPS-Zersetzungsprodukte beim Gießvorgang nicht gewährleistet. Darüber hinaus entstehen beim Gießen durch das Zersetzungsverfahren des Modells Kohlenwasserstoffverbindungen, welche den Einsatz von Absaugsystemen erforderlich machen.

Mögliche Bauteile und Anwendungsbereiche

Mit dem Lost-Foam-Verfahren sind heute komplexe Bauteile herstellbar, wie sie in keinem anderen Gießverfahren herstellbar sind. Die Vorteile des Verfahrens erlauben es, komplizierte Geometrien einfach umzusetzen. Beispiele finden sich in der Automobilzulieferung, aber auch in vielen anderen Bereichen, wo Gießverfahren wie Druckguss oder Kokillenguss an ihre Grenzen stoßen.

Siehe auch

• Gießverfahren
• Vollformgießen (sehr ähnliches Verfahren)
• Kokillengießverfahren
• Aluminiumdruckguss
• Magnesiumdruckguss

Literatur

• Lost Foam Inside: Ein Erfahrungsaustausch über das Lost Foam Gießverfahren. 1. Auflage. Lost Foam Council e.V., 2010, ISBN 978-3-9813947-0-2.
• Michael Hagemann: Einfluss des Castyralverfahrens auf ausgewählte Bauteileigenschaften beim Aluminiumvollformgießen. Dissertation. Shaker Verlag, 2002, ISBN 3-8322-0490-3.

Weblinks

• Gießerei-Lexikon
• Lost Foam Council