Bessere Qualität und Prozesskontrolle durch EXACTPORE 3D-gedruckte Filter

Die Grenzen der gesinterten keramischen Schaumfilter sind in der Tat eine Herausforderung in der Gießereiindustrie. Hier sind einige spezifische Aspekte, die die Problematik der Filterpartikelbildung und die Vorteile von 3D-gedruckten Filtern zeigen:

1. Flüssige Metalle filtrieren

Das Streben nach Reinheit in der Schmelze begleitet das Gießen seit seinen Anfängen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um Eisen- oder Nichteisenmetalle und deren Legierungen handelt – nichtmetallische Verunreinigungen in den Schmelzen sind grundsätzlich unerwünscht. Ihre Anwesenheit führt fast immer zu einer Beeinträchtigung der Eigenschaften des Gussstücks, bis hin zum Gussausschuss, was einen wirtschaftlichen Verlust bedeutet. Es mag möglich sein, Gussteile nachzuarbeiten, aber auch diese Maßnahmen sollten nur als letzte Möglichkeit betrachtet werden, da sie zusätzlichen Aufwand bedeuten. In einigen Fällen ist eine Reparatur nicht einmal möglich, da bestimmte Anwendungen dieser Teile dies nicht zulassen.

Die Vermeidung von Verunreinigungen während des Gießprozesses ist daher entscheidend. Hierbei sind zwei Hauptaspekte zu berücksichtigen: die Entfernung vorhandener Verunreinigungen in der Schmelze mittels geeigneter Hilfsmittel und die Reduzierung der Reoxidation während des Gießens durch eine möglichst gleichmäßige und turbulenzarme Füllung des Formhohlraums. Insbesondere die Vermeidung von Turbulenzen spielt eine zentrale Rolle bei der Herstellung sauberer Gussstücke. Dieser Aspekt sollte bereits bei der Konzeption und Gestaltung des Gieß- und Angusssystems berücksichtigt werden. Der Einsatz vorhandener Simulationsprogramme ist hierbei äußerst hilfreich.

Warum ist ein ruhiger Füllprozess so wichtig? Um dies zu verstehen, lohnt sich ein kurzer Blick auf die Physik, genauer gesagt die Strömungsmechanik von Flüssigkeiten, und die Betrachtung der Wechselwirkungen zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Geometrie der durchströmten Bereiche.

2. Ist die Reynolds-Zahl ein Troublemaker?

Kurz gesagt, ist die Reynolds-Zahl Rn das Verhältnis der Trägheitskräfte, die auf die Strömungsteilchen (in diesem Fall einer Flüssigkeit) wirken, zu den viskosen Kräften (Reibungskräften) derselben. Sie ist dimensionslos und wird unter anderem verwendet, um zwischen laminarer und turbulenter Strömung zu unterscheiden. Laminarer Strömung wird eine Reynolds-Zahl von < 2000 zugeschrieben, turbulenter Strömung eine Reynolds-Zahl von > 4000. Der Bereich dazwischen wird als laminar instabil bezeichnet.

Was hat das mit dem Gießen zu tun? Eine Menge. Um ihr Gießsystem zu bestimmen, verwenden Gießereien eine Gleichung, die aus den Grundformeln der Strömungsmechanik gebildet wurde, um den Anschnitt der Gussteile zu berechnen:

In dieser Gleichung wird ein gießereispezifischer Koeffizient ξ verwendet, der strömungsbedingte Geschwindigkeitsverluste berücksichtigen soll. Neben den üblichen Strömungsumlenkungen im Gießsystem wird auch die Reynolds-Zahl berücksichtigt. Die Gießmethode (z. B. fallend, steigend usw.), die Querschnittsverhältnisse (Steiger/Läufer/Summe aller Anschnitte) und die effektiven Gießhöhen werden dabei berücksichtigt. Weitere Daten fließen ebenfalls ein.

Selbst ein einfacher Zulauf kann zur Verunreinigung führen. In einem sehr interessanten Aufsatz von Majidi, S.H. und Beckermann, C. über Lufteintrag während der Formfüllung wurde gezeigt, dass dies eine der Hauptquellen für Sauerstoff ist, der zur Bildung von Reoxidationseinschlüssen und somit zu Verunreinigungen führt. Bei einer Auftreffgeschwindigkeit von ca. 5 m/s des eingegossenen Materialstroms in ein stehendes Flüssigkeitsbad wurde ein Verhältnis von 1:1 zwischen Flüssigkeitsvolumen und eingetragener Luft festgestellt.

Dies verdeutlicht, dass die Reduzierung von Turbulenzen eine äußerst wichtige Rolle spielt, wenn es darum geht, nichtmetallische Einschlüsse in Schmelzen zu vermeiden. Viele Maßnahmen werden sowohl während des Schmelzens der Metalle als auch außerhalb und innerhalb des Formhohlraums getroffen. Unabhängig davon, ob es sich um Schlackenrückhaltung oder spezielle Anschnitte handelt, ist ein Hilfsmittel hier besonders geeignet: der keramische Schaumfilter.

3. Filter in keramischem Schaum

Der Einsatz feuerfester keramischer Schaumfilter zur Filtration und, noch wichtiger, zur ruhigen Formfüllung wird sehr geschätzt. Keramische Schaumfilter sind in verschiedenen Materialien erhältlich, die einige grundlegende gemeinsame Anforderungen erfüllen müssen: Gute chemische, thermische und mechanische Eigenschaften sind nur einige davon. Verwendete Materialien umfassen Siliziumkarbid, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid mit möglichen Stabilisatoren und Bindemitteln. Teilweise stabilisiertes Zirkoniumoxid wird sehr oft für höchste Anforderungen verwendet. Je nach verwendetem Herstellungsverfahren für das Basismaterial ist es in zwei Farben erhältlich (weiß und gelb/orange). Der Nachteil bei der Herstellung solcher Filter aus diesem Material ist der Schrumpfungsprozess, der während des Brennvorgangs der Filter stattfindet und bis zu 20% betragen kann, was die Einhaltung der entsprechenden Maßtoleranzen der jeweiligen Filter recht anspruchsvoll macht. Betrachtet man die normale Filterstruktur genauer, erkennt man sich wiederholende Strukturen. Dies erklärt die Begriffe Stegfinger, Zelle und Pore.

Obwohl die Verteilung der Poren und Zellen eine gewisse Regelmäßigkeit aufweist, variiert sie dennoch in ihrer genauen Anordnung, Größe und Verbindung, sodass Schäume innerhalb derselben PPI-Zahl eine Verteilung aufweisen. Filter werden in PPI (Pores per Inch) klassifiziert, was es ermöglicht, die Kapazitäten und möglichen Durchflussraten je nach durch den Filter fließendem Metall abzuschätzen. Die Einteilung in PPI-Klassen und andere Klassifizierungen erfolgt üblicherweise visuell durch speziell geschultes Personal mithilfe von Vergleichsstandards (Retainern). Dieses Verfahren ist rein manuell und wird kontrovers diskutiert, ist aber seit vielen Jahren ein gängiges und ausreichend genaues System. Für spezielle Anwendungen können auch andere Lösungen verwendet werden, wie z. B. vereinbarte Gewichtskontrollen o. ä. Spezielle Prüfverfahren, wie ein Impingement-Test, können ebenfalls eingesetzt werden, um genauere Daten zu erhalten und diese gezielt zu nutzen.

Trotz aller Bemühungen der Filterhersteller hängt die Qualität der keramischen Schaumfilter von der Qualität der phenolischen Polyurethanschäume ab. Trotz präziser und strenger Kontrollen können Strukturen in den Schäumen vorhanden sein, die die Filtrationseffizienz und das Verhalten beim Durchfluss von flüssigem Metall durch den Filter negativ beeinflussen. Das mögliche Vorhandensein von dünnen, unterbrochenen Stegen, ungleichmäßigen Strukturen und Porengrößen kann sich negativ auswirken.

Die kleinsten Partikel, sogenannte Filterbits, die möglicherweise nicht fest genug mit dem Basismaterial versintert sind, könnten sich beim Eingießen der flüssigen Schmelze lösen.

4. 3D-gedruckte EXACTPORE Filter – Die neueste Filtrationsinnovation

Die Lösung, um Filterbits effektiv zu verhindern und gleichzeitig die Wiederholbarkeit der Filterstrukturen zu gewährleisten, besteht darin, die Filter mit geeigneten 3D-Druckverfahren herzustellen. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt auf der Hand: exakte Reproduzierbarkeit. Sobald die Struktur des Filters als CAD-Datei im Computer vorliegt, entstehen saubere Geometrien, die stets exakt reproduziert werden können. Der 3D-gedruckte Filter (Abb. 5) stellt eine neue Qualität der Reproduzierbarkeit dar. Ein gedruckter Filter ist identisch mit dem zuvor gedruckten, und der nächste Filter wird genau derselbe sein. Dies verbessert die Prozesssicherheit erheblich.

Alle Vorteile von EXACTPORE:

• Konstante Durchflusseigenschaften bei jedem Filter
• Deutliche Reduzierung potenziell ablösender Partikel
• Verbessertes Fließverhalten der Schmelze
• Erhöhte Filterkapazitäten
• Exakte und gleichmäßige Porengrößen, auch nach individuellen Anforderungen
• Frei skalierbare Porengrößen
• Individuelle Lösungen mit größtmöglicher Gestaltungsfreiheit
• Präzisere Simulationsmöglichkeiten
• EXACTPORE 3D-Filter vermeiden Filterbits und ermöglichen eine signifikante Erhöhung der Durchflusskapazität im Vergleich zu Standardfiltern.

Die freien Gestaltungsmöglichkeiten und Skalierungsmöglichkeiten erlauben völlig neue Ansätze in der Herstellung von Filtern. Bisher wurden der Guss und die Gusstechnologie an den Filter angepasst – jetzt kann der Filter an die speziellen Anforderungen des Gusses angepasst werden.

5. 3D-gedruckte Filter: Möglichkeiten und Produktvariationen

Die neuen Möglichkeiten sind nur ein Merkmal des Einsatzes gedruckter Filter. Ein weiteres Merkmal ist die Vermeidung des Kippens von Filtern. Beim Eingießen der Schmelze in einen Steigertrichter kann der normale, runde Standardfilter kippen.

Die Lösung ist ein 3D-gedruckter EXACTPORE Filter mit einer speziellen Geometrie. Durch die Integration einer zusätzlichen Kante in die Filtergeometrie wird das Kippen erfolgreich eliminiert.

Darüber hinaus vermeidet der 3D-gedruckte EXACTPORE Filter eine wechselnde, unzureichende Gussleistung. Die erforderliche Gussleistung (kg/s) schwankt bei Verwendung des Standardfilters erheblich und führt gelegentlich zu Ausschuss. Das Problem kann durch den Wechsel zu einem gedruckten EXACTPORE Filter mit einer für die Anwendung genau eingestellten Porengröße gelöst werden. Dank des Herstellungsverfahrens wird diese einmalige Einstellung jetzt bei jedem Filter exakt wiederholt. Dies führt zu einer konstanten Gussleistung.

Eine mittelgroße Stahlgießerei stellte die EXACTPORE Filter vor eine Herausforderung. Die Anforderung bestand darin, die Filtereffizienz zu verbessern, indem die Kapazitäten und Durchflussraten bei mindestens gleicher Filtrationswirkung (im Vergleich zu den üblichen Standardschaumkeramikfiltern) durch den Einsatz gedruckter Filter gesteigert werden sollten.

Um die Aussagekraft des geplanten Tests zu maximieren, wurden verschiedene Filtergrößen und Schmelzmengen kombiniert. Vor allem jedoch wurden Gussteile ausgewählt, die in großen Mengen produziert und mit dem vergleichbaren Standardschaumkeramikfilter gegossen werden, um eine gute Vergleichsbasis zu haben.

Die verwendeten Filtergrößen waren runde Filter mit einem Durchmesser von 75 mm und einer Dicke von 25 mm in 10PPI sowie quadratische Filter mit Abmessungen von 150 x 150 x 30 mm in 10PPI, beide Typen aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid.

Mit dem Einsatz von 3D-gedruckten EXCATPORE Filtern lässt sich Folgendes erreichen: Die Reduzierung des Nachbearbeitungsaufwands um 33% und 38%, die durch den Einsatz dieser Filter im Vergleich zu den herkömmlichen Schaumkeramikfiltern im obigen Beispiel erreicht wurde, ist immens und zeigt deutlich den wirtschaftlichen Vorteil.

6. Und noch mehr Vorteile dank 3D-gedruckter EXACTPORE Filter

Der Einsatz von 3D-gedruckten EXACTPORE Filtern ist in vielen Fällen eine technische und wirtschaftliche Prozessoptimierung. Die Vorteile dieser Filter sowie die Produktvariationen und Anwendungsmöglichkeiten machen sie zu einer zukunftsweisenden Innovation für Gießerei-Anwendungen. EXACTPORE 3D-Filter bieten unschlagbare Vorteile, insbesondere für Großgussstücke (> 1.200 kg).