Sand- Und Kokillenguss Aus Aluminium

7/24/2019 Sand- Und Kokillenguss Aus Aluminium

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Sand- und -Kokillenguss

aus Aluminium

Technische Richtlinien

Bundesverband

der Deutschen

Gieerei-Industrie (BDG)


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Impressum

Herausgeber

Bundesverband der Deutschen Gieerei-Industrie

Sohnstrae 70, 40237 Dsseldorf

Telefon: 02 11 / 68 71 0

Telefax: 02 11 / 68 71 364

Internet: www.bdguss.de

berarbeitet durch:

Urs BrandenbergerDr. Franz Josef Feikus

Michael Just

Manfred Kadner

Markus Kleemann

Dr. Hubert Koch

Achim Schroth

Aribert Simmack

Pascal Steinkller

Olaf Stuhldreier

Gestaltung:

Weusthoff Nol, Kln, Hamburg, www.wnkd.de

Titelfotos:

Ohm & Hner, Edgar Schoepal, Nemak Europe

berarbeitete Fassung Februar 2010


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Sand- und Kokillenguss aus Aluminium | 1

Vorwort

Diese Technischen Richtlinien fr Sand- und Kokillenguss aus Alu-minium sind in erster Linie fr den Konstrukteur und Fertigungsingenieurbestimmt. Sie sind angelehnt an die Abschnitte Leichtmetallguss, Ver-fahren mit verlorenen Formen, Verfahren mit Dauerformen und Ver-fahrensbedingte Richtlinien des im Gieerei-Verlag, Dsseldorf, erschie-nenen Standardwerkes Konstruieren mit Gusswerkstoffen sowie anweitere grundlegende Verffentlichungen ber Aluminiumguss z. B. imAluminium-Taschenbuch, in Fachzeitschriften und Mitteilungen verschie-

dener fachlicher Institutionen. Sie geben den fr den Konstrukteur undFertigungsingenieur wichtigen Stand der Technik wieder. Die Zusammen-arbeit mit dem Gieereifachmann und dem Metallurgen wird erleichtert,was der technischen und wirtschaftlichen Entwicklung von gegossenenBauteilen dient.

Aluminium-Gusswerkstoffe zeichnen sich durch sehr gute Gebrauchseigen-schaften aus. Besonders hervorzuheben ist das gnstige Festigkeits-/Gewichts-Verhltnis. Die vorteilhaften physikalischen Eigenschaften des

Aluminiums sind durch die Metallurgen fr die verschiedensten tech-nischen Anforderungen so entwickelt und modifiziert worden, dass dieAluminiumgusslegierungen als Konstruktionswerkstoffe die moderne Tech-nik mittragen. Aluminiumgusswerkstoffe sind hervorragend fr die Herstel-lung von Bauteilen mit Hilfe aller Gietechnologien geeignet, es liegt alsoeine ideale Kombination von Werkstoff und Formgebungsverfahren vor.

Die Auswahl der Legierungen richtet sich in erster Linie nach der Funk-tion des fertigen Gussstcks. Um werkstoff- und giegerechte Bauteile zukonstruieren und zu fertigen, ist es daher zweckmig, wenn sich der

Konstrukteur so frhzeitig wie mglich mit der ausfhrenden Gieerei inVerbindung setzt.

Der Konstrukteur, der fr das Funktionieren des Bauteiles und diewirtschaftliche Herstellung verantwortlich ist, kann dieser Broschreviele Mglichkeiten, Hilfen und Voraussetzungen fr das Konstruieren mitAluminium-Gusswerkstoffen entnehmen.

Dsseldorf, im Februar 2010

Bundesverband der Deutschen Gieerei-Industrie (BDG)

ber Druckguss unter-

richtet in gleicher Wei-

se die Schrift Druck-

guss aus NE-Metallen

Technische Richtlinien.

Herausgegeben vom

Verband DeutscherDruckgieereien (VDD),

Sohnstr. 70, 40237

Dsseldorf.


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| BDG Technische Richtlinien2

1 Aluminium-Gusswerkstoffe fr Sand-

und Kokillenguss 4

1.1 berblick Werkstoffeigenschaften 51.2 Mechanische Eigenschaften Zugversuch 61.3 Weitere mechanische Eigenschaften 111.3.1 Warmfestigkeit 111.3.2 Werkstoffverhalten bei tiefen und hohen Temperaturen 131.3.3 Sonstige Festigkeitseigenschaften 14

1.4 Chemische Bestndigkeit 151.5 Sonstige Eigenschaften 161.6 Gieeigenschaften und Hinweise zur Verarbeitung 181.7 Einsatzbereiche der Legierungsgruppen 201.8 Sonderanwendungen 21

2 Wrmebehandlung von Aluminium-Gussstcken 22

3 Form- und Gieverfahren 24

3.1 Sandgieverfahren 253.2 Kokillengieverfahren 273.2.1 Schwerkraft-Kokillengieverfahren 273.2.2 Niederdruck-Kokillengieverfahren 283.2.3 Gegendruck-Kokillengieverfahren 283.2.4 Schleuder-Kokillengieverfahren 293.3 Sondergieverfahren 303.3.1 Lost-Foam Gieverfahren 303.3.2 Maskenformverfahren 303.4 Herstellung und Verwendung von Sandkernen 31

3.5 Anwendungsbereiche Gieverfahren 32

4 Gestaltung 34

4.1 Allgemeines 344.2 Teilung 364.3 Speiserflchen und Anschnittleisten 364.4 Wanddicken, bergnge, Verrippungen 384.5 Aushebeschrgen, Auswerferaugen 424.6 Bohrungen, Durchbrche 44

Inhaltsverzeichnis


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4.7 Kerne 474.8 Hinterschneidungen/Schieber 484.9 Eingieteile 514.10 Gewindeeinstze 524.11 Schriftzeichen 534.12 Bearbeitungszugaben 544.13 Toleranzen 564.13.1 Einhaltbare Toleranzen (erzielbare Genauigkeit) 58

4.13.2 Allgemeintoleranzen 604.13.3 Form- und Lagetoleranzen 61

5 Prozesssimulation zur Bauteil- und

Werkzeugauslegung 62

5.1 Zielsetzungen der gietechnischen Simulation 625.2 Mathematische und physikalische Modelle 625.3 Aufbau der Programme 645.4 Ablaufbeschreibung der Simulationsrechnung 64

5.5 Simulation in der Lebensdauervorhersage 665.6 Technische und organisatorische Integration 66

6 Oberflchenbehandlung 68

7 Qualitt 70

7.1 Werkstoff, Gefge, Oberflche 707.1.1 Chemische Zusammensetzung 707.1.2 Gefge 707.1.3 Rissprfung (Farbeindringverfahren) 71

7.1.4 Oberflchenrauheit von Gussstcken 727.2 Prozessfhigkeit 727.3 Rckverfolgbarkeit 737.4 Beispiele fr Kennzeichnungsarten 74

8 Hinweise zur Gussstckanfrage und

Wirtschaftlichkeit 76

9 Weiterfhrende Literatur 78


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Aluminium-Gusswerkstoffe sind in erster Linie Konstruktionswerk-

stoffe; jedoch werden vielfach auch funktionelle Eigenschaften ge-

nutzt (z. B. Leitfhigkeit, Korrosions- und Witterungsbestndigkeit,

nicht magnetisches Verhalten). Aluminium ist zu einem Begriff fr wirt-schaftliche und rationelle Fertigung qualitativ hochwertiger Bauteilegeworden. Die grundlegenden Vorteile, die einzeln oder zusammen-genommen fr Verwendung und Wirtschaftlichkeit von Aluminiumgussentscheidend sind, lassen sich wie folgt zusammenfassen: Gute mechanische Eigenschaften (auch bei tiefen Temperaturen)

bei geringer Dichte (hohe Gewichtseinsparung gegenber Guss-eisen, Stahl oder Schwermetallen mglich ==> Leichtbau),

Gute Gieeigenschaften bei Anwendbarkeit vielfltigerGieverfahren,

Endformnahe Bauteilfertigung (hohe Magenauigkeit/Oberflchen-gte) gietechnisch realisierbar,

Saubere, glatte Oberflchen mit vielseitigen Veredelungs-mglichkeiten,

Gute Verschleieigenschaften, Leichte Spanbarkeit, d. h. kurze Bearbeitungszeiten und

geringer Werkzeugverschlei, Gute Witterungsbestndigkeit und chemische Bestndigkeit,

meerwasserfest, Gute Wrmeleitfhigkeit und elektrische Leitfhigkeit, Nicht magnetisch, Hohes Reflexionsvermgen fr Licht, Wrme und elektro-

magnetische Wellen, keine UV-Empfindlichkeit, Einfaches Rezyklieren.

In der Regel werden zur Fertigung von Sand- und Kokillengussstckengenormte Legierungen verwendet. In diesen Normen sind neben derchemischen Zusammensetzung auch mechanische und chemische Eigen-schaften und Hinweise zur Verarbeitung und dem Gieverhalten enthaltensowie Empfehlungen fr die Anwendung. Fr die Aluminiumguss-werkstoffe ist die DIN EN 1676 anzuwenden; fr Aluminiumgussstcke dieDIN EN 1706.

Da in den Normen in der Regel die Bereiche der chemischen Zusammen-setzung weit gespannt sind, ist es oft empfehlenswert, diese auf den

1. Aluminium-Gusswerkstoffe fr

Sand- und Kokillenguss



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Anwendungsfall anzupassen, d. h. einzuschrnken, um eine gleichmigeGussqualitt zu gewhrleisten. Dies soll in enger Abstimmung mit demGieer erfolgen. Die frher bliche scharfe Differenzierung in Htten- undUmschmelzlegierungen wird heute nicht mehr eingehalten. Es existierennahezu stufenlose bergnge hinsichtlich der Gehalte an Begleitelementen.

1.1 berblick WerkstoffeigenschaftenUm fr einen bestimmten Anwendungsfall den richtigen Werkstoff aus-

whlen zu knnen, mssen die Eigenschaften bekannt sein. Gusswerkstof-fe erfllen viele Anforderungen, wenn auch nicht immer alle gleichzeitig.Man hat daher bei der Werkstoffwahl sorgfltig abzuwgen, auf welcheEigenschaften es besonders ankommt und welche Legierung bzw. Legie-rungsgruppe diese umfassend in sich vereinigt. Neben den physikalischenund mechanischen Eigenschaften haben die Gieeigenschaften einen ma-geblichen Einfluss auf das Erreichen der mechanischen Kennwerte. DieFestlegung der Gusslegierung fr ein Bauteil sollte daher immer in engerAbstimmung zwischen Konstrukteur und Gieer erfolgen. Einen allgemei-

nen berblick ber die Werkstoffeigenschaften (physikalische und mecha-nische Kennwerte) der Aluminium-Gusslegierungen gibt Tabelle 1.


Tabelle 1: bersicht

ber die Eigenschaften

von Aluminium-Gussle-

gierungen (bei Raum-

temperatur (RT), sofern

kein anderer Bereich

angegeben)


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1.2 Mechanische Eigenschaften ZugversuchZur Erleichterung der Werkstoffauswahl fr den Konstrukteur und Ferti-gungsingenieur gibt die Tabelle 2a einen berblick fr den Sandguss, dieTabelle 2b fr den Kokillenguss mit Schwerpunkt auf den mechanischenEigenschaften. Alle Angaben sind angelehnt an die DIN EN 1706.

Tabelle 2a: Werkstoff-

eigenschaften der

Aluminium-Sandguss-

legierungen

1. Aluminium-Gusswerkstoffe

fr Sand- und Kokillenguss


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*) Bewertungsschema Warmfestigkeit

(1) ausgezeichnet

(2) gut(3) annehmbar(4) unzureichend(5) nicht empfehlenswert

Werkstoffzustnde

(F) Gusszustand

(T1) Kontrollierte Abkhlung nach dem Gussund kaltausgelagert

(T4) Lsungsgeglht und kaltausgelagert(T5) Kontrollierte Abkhlung nach dem Guss

und warmausgelagert oder beraltert

(T6) Lsungsgeglht und vollstndig warmausgelagert(T64) Lsungsgeglht und teilausgelagert(T7) Lsungsgeglht und beraltert


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Tabelle 2b: Werkstoff-

eigenschaften der

Aluminium-Kokillen-

gusslegierungen


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*) Bewertungsschema Warmfestigkeit

(1) ausgezeichnet(2) gut(3) annehmbar(4) unzureichend(5) nicht empfehlenswert

Werkstoffzustnde

(F) Gusszustand(T1) Kontrollierte Abkhlung nach dem Guss

und kaltausgelagert

(T4) Lsungsgeglht und kaltausgelagert(T5) Kontrollierte Abkhlung nach dem Guss

und warmausgelagert oder beraltert(T6) Lsungsgeglht und vollstndig warmausgelagert(T64) Lsungsgeglht und teilausgelagert(T7) Lsungsgeglht und beraltert


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Fr den Nachweis der geforderten mechanischen Eigenschaften nachDIN EN 1706 (siehe Tabellen 2 a-b) knnen sowohl getrennt gegosseneund angegossene Probestbe verwendet werden wie auch Probestbe,die aus dem Gussstck entnommen werden. Fr die Probestabherstellungbzw. Probestabentnahme sind die in Tabelle 3 aufgefhrten Punkte einzu-halten. Es ist weiterhin zu beachten, dass Proben aus dem Gussstck mg-lichst aus belastungsrelevanten Querschnitten entnommen werden sollen.Querschnitte, die mechanisch bearbeitet werden (Bearbeitungszugabe,

Bohrung, etc.), sind fr die Prfung der mechanischen Eigenschaftenbevorzugt auszuwhlen.

Wird vom Gussabnehmer eine Abnahmeprfung entsprechend der EN 10204gefordert (z. B. zur chemischen Zusammensetzung oder zu den mecha-nischen Kennwerten), so muss diese bei der Bestellung vereinbart werden.

*) Entnahmeposition aus dem Gussteil ist zu vereinbaren



Tabelle 3: Vorgaben zur

Probestabentnahme, -

geometrie und Einhal-

tung von Mindestwertenin der Abnahmeprfung


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1.3 WEITERE MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN1.3.1 WarmfestigkeitDie hohe Wrmeleitfhigkeit der Aluminium-Gusslegierungen ermglicht imBauteil eine schnelle Wrmeaufnahme und -ableitung. Dadurch kann dieTemperaturbelastung des Bauteils auch bei hoher Oberflchentemperaturunterhalb kritischer Werte gehalten werden. Durch schnellen Temperatur-ausgleich werden Wrmespannungen und Rissbildung vermieden. Beieiner Bauteilbeanspruchung ber einen lngeren Zeitraum im Temperatur-

bereich ber 150C ist fr Al-Gusslegierungen, die insbesondere Magne-sium als festigkeitssteigerndes Element enthalten, zu beachten, dass dieAusgangswerte fr die Festigkeit legierungsabhngig um mehr als 50% ab-fallen knnen. Fr den Anwendungsbereich von Motorkomponenten (ins-besondere fr Zylinderkpfe) hat sich die Kenntnis dieses Werkstoffverhal-tens als unverzichtbar erwiesen.

Bild 1a: Warmfestigkeit

von AlSi-Gusslegierun-

gen (separat gegossene

Probestbe aus Kokil-

lenguss)

0,2%-Dehngrenze beieiner Prftemperatur

von 200 C im Ver-

gleich unmittelbar nach

Wrmebehandlung und

nach 500-stndiger

Temperaturbelastung

von 200 C.


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Bild 1b: Warmfestigkeit von AlSi-Gusslegierungen (separat gegossene Probestbe aus Kokillenguss).

0,2 % Dehngrenze als Funktion der Prftemperatur nach 500-stndiger Temperaturbelastung, jeweils bei

Prftemperatur.


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(a) EN AC-Al Si7Mg0,3 T6, (b) EN AC-Al Si11 F, (c) EN AC-Al Cu4Ti T64,(d) EN AC-Al Mg3 F

1.3.2 Werkstoffverhalten bei tiefen und hohen TemperaturenAuf das grundstzliche Fehlen der Versprdung bei tiefen Temperaturen fralle Aluminium-Gusslegierungen ist besonders hinzuweisen. Zugfestigkeit,Biegewechselfestigkeit und Schlagbiegezhigkeit nehmen mit sinkendenTemperaturen zu, die Bruchdehnung in der Regel leicht ab. Dieses Verhal-ten ist in den Bildern 2 und 3 aufgezeigt.

Bild 2: Verhalten vonAluminium-Gusslegie-

rungen bei tiefen Tempe-

raturen, Einfluss auf

Zugfestigkeit und Bruch-

dehnung bei verschiede-

nen Legierungen

(Quelle:RHEINF

ELDENALLOYSGmbH&Co.KG)


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(a) EN AC-Al Si9Mg T6, (b) EN AC-Al Zn10Si8Mg T1,(c) EN AC-Al Si12CuNiMg T5, (d) EN AC-Al Cu4NiMg T4, (e) EN AC-Al Si9 F,(f) EN AC-Al Si11 F, (g) EN AC-Al Mg3 F

Bild 3: Verhalten von

Aluminium-Gusslegie-

rungen bei hohen Tem-

peraturen, Einfluss auf

0,2%-24h-Zeitdehngren-

ze bei verschiedenen

Legierungen

(Quelle:RHEINFELDEN

ALLOYSGmbH&Co.KG)

1.3.3 Sonstige FestigkeitseigenschaftenNachstehende Beziehungen gelten als Richtwerte fr weitere Festigkeits-eigenschaften: Stauchgrenze = 0,8 bis 1,0 * Rp0,2 Druckfestigkeit = 1,5 * Rm Scherfestigkeit = 0,8 * Rm Verdrehfestigkeit = 0,2 bis 0,5 * Rp0,2


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Diese Werte gelten fr statische Belastungen. Bei dynamischer Beanspru-chung sind Kennwerte zu verwenden, die auch unter zyklischer Belastungermittelt worden sind. Da Kennwerte, die unter zyklischer Beanspruchunggemessen werden, stark bauteilabhngig sind, empfiehlt es sich, Bauteil-prfungen durchzufhren.

1.4 Chemische Bestndigkeit

Die meisten Aluminiumgusslegierungen weisen eine sehr gute Korrosionsbe-stndigkeit auf. Abhngig von der chemischen Legierungszusammensetzungbesteht eine ausreichende bis ausgezeichnete Bestndigkeit gegenberWitterungseinflssen. Kupferfreie Legierungen der Gruppen AlSi und AlMg zeich-nen sich durch eine bemerkenswert gute Bestndigkeit gegenber salz-haltiger Meeresluft und Meerwasser aus. Hierzu gehrt auch die gute praktischeBewhrung von Radiatoren, z. B. aus EN AC-Al Si12(a), fr die Warmwasser-heizung. Allgemein gilt, dass die reinen insbesondere kupferfreien Legierun-gen die bessere Korrosionsbestndigkeit aufweisen.

In der Praxis bilden sich vielfach Deckschichten aus, die einen guten Schutzfr das darunterliegende Metall bilden, so dass in manchen Fllen auchkupferhaltige Legierungen eingesetzt werden knnen (z. B. fr Motor-blcke und Zylinderkpfe). Chemisch bestndig sind Aluminium-Gusslegie-rungen im Bereich der pH-Werte von 58. Bei Kontakt mit anderen Metal-len ist zu beachten, dass Aluminium aufgrund des hufig geringeren elek-trochemischen Potentials (z. B. gegenber Fe oder Cu) leicht angegriffenwerden kann. Hier sind konstruktive Schutzmanahmen zu treffen.

Ein korrosionsbeanspruchtes Gussstck sollte eine mglichst glatte unddichte Oberflche aufweisen. Die unbearbeitete Gusshaut stellt eine guteSchutzschicht dar.


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1.5 Sonstige EigenschaftenIn Tabelle 4 sind eine Reihe weiterer fr die mechanische Bearbeitung undden Einsatz von Al-Gusstcken wichtiger Eigenschaften aufgefhrt.



Tabelle 4: Sonstige

Eigenschaften Al-Guss-

legierungen


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*) Bewertungsschema Eigenschaften

(1) ausgezeichnet(2) gut(3) annehmbar(4) unzureichend

(5) nicht empfehlenswert


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1.6 Gieeigenschaften und Hinweise zur VerarbeitungDie Tabelle 5 gibt Anhaltspunkte zum gietechnischen Verhalten undHinweise zur Verarbeitung der verschiedenen Al-Gusslegierungen.

Tabelle 5: Hinweise

zur Verarbeitung und

Gieeigenschaften von

Aluminium-Gusslegie-

rungen




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*) Bewertungsschema Gieeigenschaften

(1) ausgezeichnet(2) gut(3) annehmbar(4) unzureichend(5) nicht empfehlenswert


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1.7 Einsatzbereiche der LegierungsgruppenDie wichtigste Gruppe der Aluminium-Gusslegierungen ist die der untereu-tektischen Aluminium-Siliciumlegierungen. Sie haben einen Silicium-Gehaltvon 5-12%. Dies verleiht diesen Legierungen ein hervorragendes Form-fllungsvermgen und gnstiges Erstarrungsverhalten, so dass eine Viel-falt an gestalterischen Mglichkeiten in Bauteilen umgesetzt werden kann.

Der Werkstoff EN AC-Al Si8Cu3 ist mengenmig die wichtigste Gusslegie-

rung. Auf Grund der weiten Legierungsspannen und zugelassenen Anteilean Verunreinigungen wird der Werkstoff kostengnstig aus Schrotten(Recycling-Gusslegierung) hergestellt. Er zeichnet sich durch sehr guteGieeigenschaften aus. Durch den hohen Kupfergehalt ist diese Legierungwarmfest und kann daher auch in Bereichen erhhter Temperaturbelastungeingesetzt werden (Motorblcke, Zylinderkpfe) ohne grere Einbuen inder Festigkeit hinnehmen zu mssen. Der Kupfergehalt hat allerdings denNachteil, dass die Korrosionsbestndigkeit eingeschrnkt ist.

Die Gruppe der eisenarmen Gusslegierungen (Httengusslegierungen) zeich-net sich durch exzellente mechanische und dynamische Eigenschaftensowie einen hohen Korrosionswiderstand aus. Typische Vertreter dieserGusslegierungen sind die EN AC-Al Si7Mg0,3 oder EN AC-Al Si9Mg.

Eine typisch warmfeste und verschleibestndige Aluminium-Gusslegierungist die EN ACAl Si12CuNiMg. Diese Legierung wird hauptschlich frKolben eingesetzt.

Eine besondere Verschleifestigkeit weisen die bereutektischen Al-Si-

Legierungen auf, mit Siliciumgehalten ber 13%. Durch Zustze von Cu, Mgund Fe kann die Hrte bis auf etwa 140 HBW gesteigert werden. Aufgrundder feinverteilten Silicium-Primrausscheidungen lassen sich nach beson-derer mechanischer Endbearbeitung der Oberflche gute tribologischeEigenschaften erzielen. Darber hinaus sind die Legierungen warmfest undhaben einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Sie werdenin erster Linie fr Kurbelgehuse ohne Laufbchsen oder Beschichtungen,Kolben oder Pumpengehuse eingesetzt.




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Besonders hohe Festigkeiten, vor allem bei erhhten Einsatztemperaturenbis ber 250 C, weist die Gruppe der AlCu-Gusslegierungen auf. Extre-me Warmfestigkeitsanforderungen und Kriechbelastungen knnen gege-benenfalls mit den nicht genormten WerkstoffenAlCu5NiCo (RR 350) oder

AlCu4NiMg(Y-Legierung) erfllt werden. Einschrnkend ist hier allerdingsauf die schlechteren Gieeigenschaften dieser Legierungsgruppe hinzu-weisen.

Bei der selbstaushrtenden Legierung EN AC-Al Zn10Si8Mglaufen nachder Erstarrung und Abkhlung auf Raumtemperatur Ausscheidungsvorgn-ge ab, die mit einer Hrte- und Festigkeitssteigerung verbunden sind.Die Legierung wird gelegentlich verwendet, wenn z. B. bei Schweikon-struktionen keine Wrmebehandlung mglich ist, aber hohe Festigkeitsan-forderungen an die fertige Komponente gestellt werden. Ein Problemdieser selbstaushrtenden Legierung sind die nur schwer gezielt einstell-baren mechanischen Eigenschaften. Der Aushrtungsvorgang ist teilweiseselbst nach einer Dauer von vielen Monaten noch nicht abgeschlossen.

Unter Einsatzbedingungen mit Zugbeanspruchung kann eine innere Korro-sion der Legierung erfolgen.

Zur Herstellung von Kurzschlusslufern im Verbundguss wird Reinalu-minium, sog. Rotorenaluminium, mit besonders hoher elektrischer Leit-fhigkeit verwendet. Es handelt sich hier um Reinaluminium 99,5% bzw.99,7%.

1.8 SonderanwendungenDie genormten Aluminiumgusslegierungen decken eine groe Breite an

Eigenschaftsanforderungen ab und sollten nicht zuletzt aus wirtschaft-lichen Grnden vorzugsweise angewendet werden. Fr extreme Anfor-derungen z. B. hinsichtlich Warmfestigkeit, Leitfhigkeit oder Korrosions-bestndigkeit existieren nichtgenormte Sonderlegierungen. Sie sollten nurin Ausnahmefllen gewhlt werden, wenn die genormten Legierungen dasAnforderungsprofil nicht erfllen.


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Eine Wrmebehandlung von Aluminiumguss kann aus folgenden Grndenvorgenommen werden: Zur Steigerung der Festigkeitswerte bei den wrmebehandelbaren

Aluminium-Gusslegierungen oder zur Verbesserung der Duktilitt beinicht aushrtbaren Legierungen.

Zum Abbau von Spannungen, die infolge rascher Erstarrung in derForm, durch schroffes Abschrecken nach dem Gieen oder beispanender Bearbeitung der Gussstcke entstehen.

Zum Stabilisieren von Gussstcken, die im Betrieb besonders guteMahaltigkeit gewhrleisten mssen.

Zum Vorwrmen von Gussstcken, an denen Schwei- oderLtarbeiten ausgefhrt werden sollen.

Sollen die mechanischen Eigenschaften durch eine Wrmebehandlungverbessert werden, so mssen Aluminiumgusslegierungen als Legierungs-element Cu und/oder

Mg in Kombination mit Si und/oder Zn in Kombination mit Mg

enthalten. AlCu-Legierungen werden immer wrmebehandelt.

Im Gegensatz zu konventionellen Druckgussstcken knnen Aluminium-Sand- und -Kokillengussstcke uneingeschrnkt wrmebehandeltwerden.

Art und Zeitpunkt der Wrmebehandlung richten sich nach der Legierungs-

zusammensetzung, dem Gieverfahren, der Wanddicke/ dem Gussstck-gewicht und dem jeweils beabsichtigten Zweck. Whrend das Aushrtenvon Gussstcken zweckmig stets vor der Bearbeitung erfolgt, kann einEntspannungsglhen bei 200 bis 300 oC von Fall zu Fall auch zwischeneinzelnen Bearbeitungsstufen (z. B. vor dem letzten Spanen) vorgenom-men werden. Die Durchfhrung der Wrmebehandlung erfolgt in derRegel in der Gieerei, die ber die notwendige Erfahrung verfgt.

2. Wrmebehandlung von

Aluminium-Gussstcken


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Folgende Varianten der Wrmebehandlung sind im Bereich des Alu-miniumgusses verbreitet: T4 Lsungsgeglht, abgeschreckt und kaltausgelagert T5 Kontrollierte Abkhlung aus der Giehitze und warmausgelagert

oder beraltert T6 Lsungsgeglht, abgeschreckt und vollstndig warmausgelagert T7 Lsungsgeglht, abgeschreckt und beraltert (warmausgelagert,

stabilisierter Zustand)

Hinsichtlich der Kosten fr die Wrmebehandlung ist zu beachten, dassvor allem die Lsungsglhbehandlung sehr energieintensiv ist und damithohe Kosten verursacht.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Wrmebehandlung ist das Ab-schrecken nach der Lsungsglhbehandlung. Die Wirksamkeit dieserBehandlung ist stark abhngig von der Abkhlrate.

bliche Medien sind Wasser, Luft oder Aquatenside. Bestimmend bei

der Wahl des Abschreckmediums sind die erforderlichen mechanischenEigenschaften und die gegenlufig wirkenden Eigenspannungen im Guss-stck. Allgemein besteht der Zusammenhang beim Abschrecken, dassje grer die Temperaturdifferenzen im Gussstck sind, desto grerwerden die aufgebauten Eigenspannungen. Nach diesem Zusammenhangweisen in der Regel in Wasser abgeschreckte Gussstcke die hchstenEigenspannungen auf, im Luftstrom abgeschreckte Teile die geringsten.


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Den krzesten Weg vom Rohmetall zum fertigen Produkt bietet dasGieen. Allen gietechnischen Verfahren ist gemeinsam, dass eine dieGestalt des Bauteils abbildende Form herzustellen ist, in welche dasMetall eingegossen wird und in der es erstarrt.

Bild 4 gibt einen berblick ber die serienblichen Gie- und Formverfah-ren fr Aluminiumlegierungen. Grundstzlich ist zu unterscheiden zwischenVerfahren, die mit verlorenen Formen arbeiten, welche nach jedem Guss

zerstrt werden (z. B. Grnsandverfahren) und Dauerformen, mit deneneine groe Anzahl von Gussstcken hergestellt wird (z. B. Kokillenguss).

3. Form- und Gieverfahren

Bild 4: bersicht ber die Form- und Gieverfahren fr Aluminiumlegierungen


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Die Wahl des am besten geeigneten Verfahrens wird mageblich bestimmtvon technischen Faktoren (z. B. Festigkeitsanforderungen, Bauteilgestalt,Gre, Gewicht, Stckzahl). Fr die verschiedenen Gieverfahren lassensich dann die Fertigungskosten errechnen, die in der Regel ber die Wahldes Gieverfahrens entscheiden. Wichtig in der Gesamtkostenbetrachtungist es, insbesondere beim Vergleich konkurrierender Fertigungsverfahren,die gesamten Herstellungskosten bis zum einsatzbereiten Bauteil zubetrachten. In der Regel lassen sich mit den Gieverfahren bei einer werk-

stoff- und giegerechten Gestaltung Einsparungen in der mechanischenBearbeitung/Fgetechnik erzielen. Vor diesem Hintergrund ist dem Kon-strukteur zu empfehlen, sich so frh wie mglich mit einem erfahrenenGieer in Verbindung zu setzen. Allgemein gilt, je komplexer ein Bauteil ist,desto wirtschaftlicher kann es mit Gieverfahren gefertigt werden.Der Einsatz des fr die Serie infrage kommenden Gieverfahrens kanndurch eine Prozess-FMEA (Fehlermglichkeits- und Einfluss-Analyse) ab-gesichert werden.

3.1 SandgieverfahrenBeim Sandgieverfahren werden Verfahrensvarianten nach dem jeweilsverwendeten Binder unterschieden: Ton (Bentonit) zusammen mit Wasser oder organische Harze (z. B. Polyurethan, Furanharz).

Darber hinaus finden weitere anorganische Bindersysteme Verwendung.

Als Formgrundstoff wird von Ausnahmen abgesehen Quarzsand

verwendet.

Das Verfahren, bei dem mit Bentonit als Binder gearbeitet wird, wird in derGieereipraxis als Grnsandverfahren bezeichnet. Formen werden erzeugt,indem der Formsand (tonmineralumhllter Quarzsand) auf eine Modell-platte in einem Kasten oder auch kastenlos aufgebracht und anschlieendverdichtet wird. Die Verdichtung des Formsandes kann von Hand (Hand-formguss) oder maschinell (Maschinenformguss) erfolgen. Durch dasZusammenlegen der Formhlften wird der Hohlraum erzeugt, in den das

Metall eingegossen werden kann.


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Alternativ zum Grnsandverfahren kann an Stelle des tongebundenen Form-sandes auch mit kunstharzgebundenem Sand gearbeitet werden. Dieabgiefhige Festigkeit des Formsandes wird dabei ber eine chemischeReaktion erreicht.

Eine dritte Mglichkeit Sandformen herzustellen besteht darin, dass meh-rere kunstharzgebundene Sandkerne hergestellt und zu einem Paketzusammengebaut werden. In dem Fall spricht man vom Kernpaket- oder

Kernblockverfahren. Die Herstellung von Sandkernen wird in Kapitel 3.4beschrieben.

In Verbindung mit Kernen bieten die Sandgieverfahren sehr weitreichen-de Konstruktionsmglichkeiten. Es ist mglich, Gussstcke mit mehr als2 m Raumdiagonale zu erzeugen. Hinsichtlich der Stckzahlen reicht dieBandbreite von der Einzelstckfertigung bis zu Serien in grter Stckzahl.

ber den Grad der Mechanisierung des Formverfahrens sowie ber die

Gteklasse der Modelle kann die Magenauigkeit der Gussstcke gesteu-ert werden (vergleiche auch Kapitel 4.12 Bearbeitungszugaben und 4.13Toleranzen). Bei entsprechender Auslegung ist es mglich, die Genauigkeitvon Kokillengussteilen zu erreichen oder sogar zu berbieten (Kernpaket-verfahren). Im Allgemeinen liegt die Magenauigkeit aber unterhalb der derDauerformverfahren. Gleiches gilt fr die Oberflchengte, die ebenfallsunter denen der Kokillen- oder Sonderformverfahren liegt. Durch Anwen-dung besonders feiner Formsande oder spezieller Schlichten lsst sich dieOberflchengte verbessern.

Bedingt durch die geringere Erstarrungsgeschwindigkeit im Sandguss,lassen sich im Vergleich zum Kokillenguss nicht ganz so hohe Festigkeits-werte erreichen. Ein deutliches Steigerungspotential besteht aber durchden lokalen Einsatz von Khlkrpern oder Eingieteilen. Diese Khlkrperwerden gezielt in Bereichen positioniert, in denen hhere Anforderungenan die mechanischen Eigenschaften gestellt werden. Neuere Verfahrens-entwicklungen zielen darauf ab, durch eine Formfllung mit Niederdruck-anwendung statt der serienblichen Schwerkraftfllung hhere Festig-keiten unter zyklischer Beanspruchung zu erzielen. Die Niederdruckfllung



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im Sandguss wird bereits seit vielen Jahren zur Herstellung von Prototypen

sowie von Bauteilen mit besonderen Anforderungen an die Magenauigkeit

und Dnnwandigkeit eingesetzt.

3.2 KOKILLENGIE

3.2.1 Schwerkraft-Kokillengieverfahren

Mit dem Kokillengieverfahren lassen sich magenaue Gussstcke mit

guter Oberflchenbeschaffenheit herstellen. Die relativ schnelle Erstarrung

beim Kokillengieverfahren ergibt gegenber dem Standard-Sandguss gns-

tigere mechanische Werkstoffkennwerte. Unter Bercksichtigung der Werk-

zeugkosten knnen breit gespannte Seriengren abgedeckt werden.

Die Kokillen (=Formen) werden aus Sthlen oder aus Gusseisen mit Lamel-

lengraphit gefertigt. Fr Gussstcke, die in grerer Serie produziert

werden sollen, werden Kokillen aus Warmarbeitssthlen (1.2343, 1.2344)

verwendet. Besteht die gesamte Kokille aus Metall, so spricht man von

einer Vollkokille; besteht bei einer Form das Unterteil aus einer Kokille unddas Oberteil aus einer Sandform, so spricht man von einer Halbkokille.

Wie Sandgussstcke sind auch Kokillengussstcke uneingeschrnkt wr-

mebehandlungsfhig, schweigeeignet und dekorativ anodisch oxidierbar,

wenn die hierfr geeigneten Legierungen gewhlt werden.

Beim Standard-Kokillengieverfahren erfolgt die Formfllung mittels Schwer-

kraft und in der Regel im steigenden Guss, d. h. die Schmelze wird durch

einen Einguss gefllt, fliet dann ber einen Lauf, der unterhalb und ggf.

seitlich des eigentlichen Gussstcks angeordnet ist, ber den (die) An-schnitt(e) in den Formhohlraum. Damit wird die Form von unten nach oben

steigend gefllt.

Um den Fllprozess zu optimieren wurden alternativ zum Standard-Kokil-

lengieverfahren Verfahrensvarianten entwickelt, bei denen die Form ber

eine Drehbewegung um die Kokillenlngsachse gefllt wird. Diese Varian-

ten werden als Kippkokillenguss bezeichnet. Abhngig von der Gussteil-

geometrie erfolgt die Fllung direkt durch sogenannte Einlaufspeiser oder

VERFAHRENSS


30/82


durch seitlich angeordnete Gielufe. Durch die Neigung der Form zuBeginn der Formfllung werden schdliche Turbulenzen vermieden. Gleich-zeitig wird die gelenkte Erstarrung gefrdert, da in der Regel durch jenegietechnischen Elemente gefllt wird, aus denen whrend der Erstarrungdie Sttigung (Speisung) erfolgt. Mit dem Kippkokillenguss lsst sich dieGussteilqualitt verbessern, da weniger fllbedingte Einschlsse und Porenim Gussteil vorliegen.

3.2.2 Niederdruck-KokillengieverfahrenDiese Technologie stellt eine Variante des Kokillengieverfahrens dar.Whrend beim oben beschriebenen Kokillengieverfahren die Formfllungmittels Schwerkraft erfolgt, geschieht dies beim Niederdruck-Kokillengie-verfahren durch einen geringen berdruck von etwa 0,3 0,7 bar. Dazuwird ein druckdichter Gieofen ber ein Steigrohr mit der darber angeord-neten Kokille verbunden. Durch eine Druckerhhung steigt der Metallspie-gel durch das Steigrohr von unten in den Formhohlraum. Damit wird eineruhige Formfllung und bei geeigneter Gussstckgestalt eine gute Speisung

erzielt. Vorteilhaft sind die mit dem Prinzip verbundene ruhige Metallzufh-rung und der geringe Kreislaufanteil. Die relativ lange Erstarrungszeit unddamit zeitliche Beanspruchung des teuren Gieaggregates senkt die Pro-duktivitt. Bei entsprechenden Gussstcken und Seriengren lsst sichauch das Niederdruck-Kokillengieverfahren weitgehend mechanisieren.Bevorzugt werden rotationssymmetrische Teile im ND-Kokillenguss her-gestellt, z. B. das Aluminium-Rad.

3.2.3 Gegendruck-KokillengieverfahrenDas Prinzip des Gegendruck-Kokillenverfahrens (auch CPC-Verfahren

Counter Pressure Casting) wurde aus dem Niederdruckgieen entwickelt.Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Kokille druckdicht aus-gefhrt wird. Vor der Formfllung wird die Kokille unter Druck gesetzt (ca.4-5 bar) und dann ber einen entsprechend hher liegenden Differenzdruckgefllt. Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass der Speisungsdruckgegenber dem klassischen ND-Guss erhht ist, wodurch sich ein porenr-meres Gefge und damit bessere mechanische Eigenschaften erzeugenlassen. Der verfahrenstechnische Aufwand ist hher und dementsprechendauch die Gussstckkosten.



31/82


3.2.4 Schleuder-KokillengieverfahrenDas Schleuder-Kokillengieverfahren lsst sich vorteilhaft zur Herstellungvon dickwandigen Bchsen und Rohren aus Aluminiumlegierungen anwen-den. Bei diesem Verfahren wird das flssige Metall in eine sich drehenderohrfrmige Kokille mit horizontal liegender Lngsachse eingefllt. Durchdie Zentrifugalkraft wird die Schmelze an die Innenwand der Form geschleu-dert, wo sie unter dem Druck der Zentrifugalkraft erstarrt. Dadurch wirdein sehr dichtes, porenarmes Gefge erzeugt.

Zur Abgrenzung zum Schleuder-Kokillengieverfahren sei an dieser Stelleauf das Form-Schleudergieverfahren verwiesen. Beim Formschleudergie-en wird das Metall ber eine vertikal stehende Drehachse ber eine Dreh-bewegung in den radial angeordneten Formhohlraum geschleudert. DasVerfahren wird vorwiegend in der Schmuckindustrie und fr die Erzeugungvon Dentalguss angewendet.


32/82


3.3 SONDERGIE VERFAHREN

3.3.1 Lost-Foam Gieverfahren

Beim Lost-Foam Verfahren wird mit verlorenen Modellen aus expandier-

barem Polystyrol (EPS) und binderlosem Quarzsand als Formstoff gearbei-

tet. Die aus Polystyrol aufgeschumten Modelle werden zu Trauben zusam-

mengefgt, geschlichtet und in Behlter gesetzt, die anschlieend mit

binderlosem Quarzsand gefllt werden. Es wird mit einer einteiligen Form

gearbeitet. Durch das Einfllen der Schmelze wird das Modell aus EPS

verdampft bzw. verflssigt. Das Lost-Foam Verfahren zeichnet sich durch

seine auerordentlich hohe Gestaltungsfreiheit aus, mit dem heute kom-

plexe, qualitativ hochwertige Bauteile hergestellt werden. Das Lost-Foam

Verfahren hat eingeschrnkt Anwendungen in der Groserienfertigung

gefunden.

In Abgrenzung zum Lost-Foam Verfahren ist das Vollformgieverfahren auf-

zufhren. Beim Vollformgieen werden ebenfalls Modelle aus EPS herge-

stellt. Diese werden dann aber in Formstoffen mit vornehmlich Quarzsandund kalthrtendem Furanharz als Bindemittel eingeformt. Das einflieen-

de Metall verflssigt wie beim Lost-Foam Verfahren das Schaumstoff-

modell. Das Vollformgieen hat sich z. B. zur Herstellung von Groguss-

stcken fr den Vorrichtungsbau sowie fr den Kunstguss gut bewhrt.

3.3.2 Maskenformverfahren

Beim Maskenformverfahren wird ein schtt- und blasbarer kunstharzgebun-

dener Formstoff in einer heien Metallmodell-Einrichtung ausgehrtet. Da-

mit lassen sich masken- (oder schalen-)frmige Formhlften herstellen und

zu Gieformen zusammensetzen. Mit diesem Verfahren knnen mage-naue Gussstcke mit guter Oberflchenbeschaffenheit gefertigt werden.

Aufgrund der hohen Werkzeugkosten wird das Verfahren fr den Alumini-

umguss jedoch nur selten zur Herstellung von Formen eingesetzt. Fr die

Herstellung von Sandkernen im Aluminiumguss hat es jedoch einen gewis-

sen Produktionsanteil erreicht (siehe Kapitel 3.4 Herstellung und Verwen-

dung von Sandkernen).


SS


33/82


3.4 Herstellung und Verwendung von SandkernenMit Hilfe von in die Form eingelegten Kernen lassen sich Hohlrume,Kanle, Durchbrche und Hinterschneidungen gietechnisch erzeugen.

Kerne sollten nur dann verwendet werden, wenn dies aus Formgebungs-grnden erforderlich ist. Auf eine sichere Positionierung der Kerne in derForm ist zu achten. Die Verwendung von Kernen ist mit erhhten Kostenverbunden. Die nachstehende bersicht in Tabelle 6 gibt einen zusam-

menfassenden berblick ber die wichtigsten Kernfertigungsverfahren.

Als Formgrundstoff wird allgemein Quarzsand verwendet. Motivation frdie Entwicklung der anorganischen Verfahren ist die geringere Arbeitsplatz-und Umweltbelastung. Darber hinaus knnen sich weitere technische Vor-

teile wie eine geringere Gasentwicklung beim Abguss ergeben. Jede Kern-herstellungsmethode hat ihre besonderen verfahrens- und anwendungs-technischen Merkmale, die auf die unterschiedlichen Anforderungen (z. B.erforderliche Stckzahl, Kernfestigkeit, Kernzerfall, ) entwickelt wordensind. Fr besondere Anforderungen stehen weitere Techniken zur Verf-gung. Die neuen in der Entwicklung befindlichen thermisch aushrtendenanorganischen Verfahren erfordern u. U. alternative Formstoffe (syntheti-sche Sande), um optimale Oberflchengten erzielen zu knnen.

Tabelle 6: bersicht

Kernherstellungsver-

fahren

*) in der Entwicklung


34/82


3.5 Anwendungsbereiche der GieverfahrenDie nachstehende bersicht enthlt Angaben ber Stckgewichte, Abmes-sungen und Mindeststckzahlen bei den verschiedenen Form- und Gie-verfahren. Sie soll lediglich eine Orientierung geben. Im Einzelfall kanneine Abweichung nach oben oder unten durchaus mglich und sinnvoll sein.


Tabelle 7: Abgrenzung

Anwendungsbereicheder verschiedenen

Gieverfahren


35/82



36/82


4.1 AllgemeinesNach Vorgabe des funktionsbestimmten Anforderungsprofils (Lastenheft)sind zur gietechnischen Auslegung von Bauteilen folgende grundlegendePunkte vom Konstrukteur in Zusammenarbeit mit dem Gieer zu klren: Welches Fertigungsverfahren ist fr das Bauteil das technisch am

besten geeignete und wirtschaftlich gnstigste? Welcher Werkstoff in Kombination mit dem Fertigungsverfahren

(=Gieverfahren) kann das Anforderungsprofil am besten erfllen?

Diese grundlegende Klrung erfordert einen groen Erfahrungshorizont.Im Idealfall sollten verfahrensspezifische Vorteile mglichst bereits vorder endgltigen Festlegung der Bauteilgeometrie bercksichtigt werden.Folgende Punkte sollten stets geprft und bercksichtigt werden:

1. Wirtschaftlich2. Funktions- und beanspruchungsoptimiert3. Gieverfahrens- und werkstoffoptimiert

4. Modell- und formoptimiert5. Putz- (Bearbeitungszugaben auf Mindestma)und bearbeitungsoptimiert

6. Prfgerecht7. Formschn

Die bei der Erstarrung auftretende Volumenkontraktion und dadurch ent-stehende Speisungsdefizite knnen durch gelenkte Erstarrung in einemhohen Mae aufgefangen werden. Dazu sind folgende Grundvoraussetzun-gen zu erfllen: Materialanhufungen mglichst vermeiden, Knotenpunkte auflsen, Wanddicken sollten zum Speiser hin grer werden, Keine scharfen Wandstrkenbergnge, Querschnittsabstufungen sollten mit der Modulrechnung przise

ermittelt werden (Gieer mit einbeziehen!).

4. Gestaltung


37/82


Darber hinaus bestehen weitere Mglichkeiten, die Dichtheit des Guss-gefges zu optimieren: Erstarrungslenkung durch Anlegen von Khlkrpern (Khleisen)

im Sandguss Erstarrungslenkung durch Temperierung (Khlen/Heizen) der Kokille

Die Modelleinrichtungen bzw. Kokillen haben einen hohen Anteil anden Fertigungskosten. Zur optimalen Werkzeuggestaltung sind folgende

Punkte zu beachten: ausreichend groe Aushebeschrgen (s. Kap. 4.5), mglichst keine Hinterschneidungen, mglichst ungehinderte Schwindung / Gusstckkontraktion, zweckmige Anordnung der Formteilung, ausreichend groe Kernlagerung, Versteifung groer Flchen durch Verrippung.

Als Schwindmae knnen fr den Sandguss 1,0 bis 1,25 Prozent und fr

den Kokillenguss 0,5 bis 0,7 Prozent angesetzt werden. Bei sehr langen,dnnen Gussstcken und solchen, bei denen durch Abstze und Hinter-schneidungen die Schwindung behindert ist, knnen die Mae abweichen.Weiterhin bestimmt die Gusslegierung das Schwindma. In Tabelle 5(Kap. 1.6) sind entsprechende verfahrens- und legierungsspezifische An-gaben zum Schwindma enthalten.

Zur Bercksichtigung der spezifischen Belange der Aluminium Gusslegie-rungen sollten bei der Konstruktion der Bauteile folgende Punkte beach-tet werden: wenn die Option besteht, auf Druckbeanspruchung auslegen, zur Minimierung lokaler Belastungsspitzen Krafteinwirkung auf groe

Querschnittsbereiche verteilen: Verwendung von Unterlegscheiben,Eingieteilen und Gewindeeinstzen.

Die Gussteilkonstruktion soll in enger Abstimmung mit dem Gieer erfolgen.


38/82


4. Gestaltung

4.2 TeilungDie Teilungsebene einer Sandform oder Kokille soll so einfach wie mg-lich gestaltet werden. Der Teilungsverlauf am Gussteil soll geradlinig seinund nicht durch Flchen gehen, deren Aussehen durch Abschleifen desTeilungsgrates beeintrchtigt werden knnte.

Hufig erlaubt die Konstruktion des Gussstcks keinen ebenen Teilungs-verlauf. Auftraggeber und Gieer sollten gemeinsam versuchen, die ein-

fachste und damit auch wirtschaftlichste Lsung zu finden.

4.3 Speiserflchen und AnschnittleistenSpeiserflchen und Anschnittleisten sind notwendig, um eine optimaleFormfllung und Erstarrung zu gewhrleisten.

Das Putzen und Entgraten von Gussteilen (Entfernen von Graten, des Spei-ser- und Anschnittsystems, ) verursacht Kosten. Bei der Konstruktionsollten daher folgende Punkte beachtet werden:

Ebene Flchen konstruieren Innen- und Auenflchen mssen fr die Putzwerkzeuge gut

zugnglich sein

Die Beispiele in Bild 5 zeigen, wie man durch geringfgige konstruktivenderungen wirtschaftlicher und besser putzen kann:


39/82


Bild 5: Beispiele fr

konstruktive nderun-

gen zur Optimierung

des Abtrennens von An-

schnitten und Speisern

a

ungnstig

b

gnstig

c

ungnstig

d

gnstig

e

ungnstig

f

gnstig

g

ungnstig

h

gnstig


40/82


4. Gestaltung

4.4 Wanddicken, bergnge, VerrippungenDie guten Gieeigenschaften von Aluminium erlauben die Fertigung gerin-ger Wanddicken. Um optimale Bauteileigenschaften zu erzielen, sollten dieWandstrken nur so dick wie ntig ausgelegt werden. Die spezifischeFestigkeit ist umso geringer, je dicker die Wand ist. Wandstrkenbergn-ge sollten so ausgelegt werden, dass die Wandstrken zum Speiser hinzunehmen. Dadurch werden eine optimale Speisung in allen Querschnit-ten des Bauteils erreicht und schrumpfungsbedingte Porositten minimiert.

Durch gietechnische Manahmen (z. B. Anlegen von Khlkrpern) kanndie Erstarrung gezielt beeinflusst werden.

Die kleinstmgliche Wanddicke wird bestimmt von: der Gre des Gussstckes, dem Gieverfahren und der Legierung.

Nachfolgend sind einige Konstruktionsbeispiele mit gietechnisch opti-

mierten Lsungen aufgefhrt:

Bild 6a: ungnstige

Konstruktion mit gro-

er Wandstrke und

der Gefahr von Defekt-

bildungen

Bild 6b: Auflsung der

groen Wandstrke

durch verrippte Kon-

struktion

Einfallstellen

porse Stellen

Rand Rippe

Einfallstellen

porse Stellen

Rand Rippe


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Bild 6c: Verrippung als

Sttze

Bild 6d: Erhhung der

Steifigkeit durch Wel-

lenprofil oder Flchen-

rippen

Bild 6e: Gitterstege

versetzt anordnen

schlecht gut

schlecht: X-Knotenpunkt gut: H-Knotenpunkt

Bild 6f: Knotenpunkt

nicht einziehen

AA


42/82

ungnstig gnstig


4. Gestaltung

Bild 7: Vermeidung von

Materialanhufungen

oder von zu groen

Wanddicken

a b

ungnstig

c

gnstig

d

ungnstig

e

gnstig

f

A-A

A2:1

A2:1

A

A2:1

d

d

d

d

min2d

r=d

r

r

d

r=d

r

A

A A-A

A2:1

A


43/82


Bild 8: Beispiele richtigausgelegter Quer-

schnittsbergnge

g

a

c

b

Weiterhin ist es wichtig, dass bergnge allmhlich erfolgen und in denEcken ausgerundet werden. Die Ausbildung solcher bergnge und Hohl-kehlen ist in Bild 8 skizziert.

2(a+b)

2a+b2

a

r=d

dd

d

d

rr

b

b1

0.7

5b

D+d=R

Neigung 1:5

d

D

2

D+d2

2a+b2

a

b

2a+b2

a+b12

5 ( )


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4. Gestaltung

4.5 Aushebeschrgen, AuswerferaugenBeim Sandgieen muss ein einwandfreies Ausheben des Modells ohneBeschdigung der sehr empfindlichen Sandform mglich sein. Dazu sindan den Modellwerkzeugen Formschrgen vorzusehen. Formschrgen klei-ner als 2 sind unbedingt zu vermeiden! Beim Kokillenguss entstehen durchdie Erstarrung des Metalls Schrumpfkrfte, die es ntig machen, dieAbzugsflchen der Kokillen mit Schrgen zu versehen, um den Ab-guss einwandfrei aus der Form entnehmen zu knnen. Die Konizitt

richtet sich nach der Gestalt des Gussstcks.

Es ist stets zu bercksichtigen, wie die einzelnen Partien freigelegt und ausder Form gehoben werden. So sind z. B. fr Innenflchen, die durch einenfesten Kern gebildet und mittels Auswerfer aus der Form gedrckt werden,grere Verjngungen erforderlich, als wenn der Formkern beweglichangeordnet ist und nach der Erstarrung des Gussstcks zurckgezogenwerden kann, Bild 9.

K = Aushebeschrge

a bBild 9: Aushebeschr-

gen bei (a) festem und

(b) beweglichem Kern

2KK


45/82


Bild 10: Beispiel zur

Ausfhrung von Aus-

werferaugen

Auch Sandkerne erfordern Aushebeschrgen, um sie fehlerfrei aus demKernkasten entnehmen zu knnen.

Bezglich der Formschrgen fr Gussstcke findet man in der DIN EN ISO10135Zeichnungsangaben und in der DIN EN 12890 Wertevorschlge frSandformen. Weiterhin werden in der DIN EN ISO 8062 Ausformschrgendefiniert. Es ist geplant zuknftig in der DIN EN ISO 8062-3 einen Anhang

mit Zahlenangaben fr Ausformschrgen in Abhngigkeit der jeweiligenFertigungsverfahren (Sand-, Kokillen-, Druck- und Feinguss) zu ergnzen.Details standen bei Drucklegung der vorliegenden Schrift noch nicht fest.

Auswerfer-augen


46/82


4. Gestaltung

4.6 Bohrungen, DurchbrcheBeim Sandgieen muss man sich in der Regel auf das Eingieen durchge-hender und gengend groer Bohrungen und Durchbrche beschrnken.Bei zu geringen Durchmessern kann die erforderliche Kernlagerung nichtrealisiert und damit keine ausreichende Genauigkeit gewhrleistet werden.

Demgegenber lassen sich beim Kokillengieen durch die Verwendunggenau gefhrter Stahlkerne kleine Bohrungen und Sacklcher gieen.

Der Durchmesser muss in einem ausreichenden Verhltnis zur Lnge derBohrung stehen, siehe Tabelle 8, die Formschrge der Kerne muss aus-reichend gro sein, mindestens 2.

Tabelle 8: Empfohlene

Grenzwerte (Durchmes-ser und Lnge) fr ge-

gossene Bohrungen

(L) Bohrungslnge, (d) Bohrungsdurchmesser


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Kritische Schrumpfkrfte bei groen Lochabstnden und relativ dnnemKern fngt man zweckmig durch Anordnung besonderer Sttzflchenzwischen diesen Bohrungen ab, siehe Bild 12.

a b Bild 11: Abstufung bei

gegossenen Bohrungen

a b Bild 12: Sttzflchen

zum Abfangen der

Schrumpfkrfte bei

Bohrungen

Falls die Funktion des Gussstckes eine Abstufung des Bohrungsdurch-messers zulsst, sollte diese Mglichkeit ausgenutzt werden. Dadurch wirddie Betriebssicherheit der Gieform erhht, siehe Bild 11.

d D


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4. Gestaltung

In greren ebenen Flchen werden Bohrungen am besten ein- oder beid-

seitig durch Augen verstrkt. Das bringt neben einer hheren Festigkeit

und Steifigkeit auch Vorteile bei der spanenden Bearbeitung, da nur die

Augenflchen bearbeitet werden mssen. Gestaltungsbeispiele von Augen

und Wlsten zeigt Bild 13.

Bild 13: Gestaltung von

Augen und Wlsten

schlecht, da keine Wulst gut, da Loch einseitig durch Wulst

a b

Wulst zu dick, Lunkergefahr

c

gut, da beidseitiger Wulst

richtig bemessen

d

ungnstig gnstig

e f

1.5s

2D

D

2D

2D

D

2D

1.5-2s

s

2-3s

s

s


49/82


4.7 KerneEine mglichst einfache Formteilung ohne Abstufungen oder seitlicheDurchbrche liegt im Interesse von Gieerei und Abnehmer. Bild 14 zeigteinige Beispiele wie Sandkerne vermieden oder deren Anzahl minimiertwerden knnen.

Bei Gussstcken mit Sandkernen ist besonders darauf zu achten, dass aus-reichend und gengend groe Austrittsffnungen am Gussteil vorhandensind, um eine gute Lagerung des Kerns in der Form zu erreichen und das Abfhren der Giegase beim Abguss sicherzustellen sowie das einwandfreie Entfernen des Kernsandes aus dem Gussstck

zu ermglichen.

mit Kern

a

ohne Kern, naturgeformt

b

ungnstig

c

besser, kann bei Kokillenguss ohne

Sandkern gegossen werden

d

Bild 14: Beispiele zur

Vermeidung von Sand-kernen


50/82

48 | BDG Technische Richtlinien

4. Gestaltung

Bei manchen Gussstcken mit mehreren Hohlrumen ist es oft durch ent-sprechende Verbindung der Hohlrume miteinander mglich, die Anzahlder Sandkerne zu verringern, siehe Bild 15.

Bild 15: Konstruktions-

beispiele zur Reduzie-

rung der erforderlichen

Anzahl an Kernen

a b

schlecht, 2 Kerne gut, 1 Kern und bessere Lagerung

4.8 Hinterschneidungen/SchieberGenerell sollten vom Gussteilkonstrukteur Konturen vermieden werden,die beim Entformen eine Hinterschneidung bilden und somit nur kompli-ziert oder gar nicht entformbar sind.

Sollte dies nicht mglich sein, besteht die Mglichkeit aufwndige, mg-licherweise auch komplexe geteilte Schieber in der Form einzusetzen.Bild 16 zeigt ein Beispiel, bei dem ein Hinterschnitt, gietechnischzunchst umgesetzt durch Verwendung eines Schiebers, durch eine Kon-struktionsanpassung eliminiert worden ist. Bild 17 gibt ein Beispiel, wieein mehrteiliger Schieber ber eine Konstruktionsanpassung durch eineneinfachen Schieber ersetzt werden kann.


51/82


Bild 16: Konstruktions-

beispiele zum Vermei-

den von Schiebern

(a) ursprngliche Kon-

struktion, (b) und (c)

Lsungsvorschlge

ohne seitlichen Schieber

a

b

c


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4. Gestaltung

Bild 17: Eliminierung

eines mehrteiligen

Schiebers durch ber-

arbeitung der Bauteil-

geometrie

a b

ungnstig besser

Komplizierte Bauelemente mit nicht formbaren Hohlrumen lassen sich

vielfach in zwei einfache Gussstcke unterteilen, die anschlieend zusam-mengefgt werden mssen.

Bei der Verwendung von Schiebern (auch Stahlkern oder Kernzug) inKokillen sind folgende Punkte zu beachten: Schieber knnen hydraulisch oder mechanisch bewegt werden. Es ist eine Anordnung in Richtung der Formffnung (senkrecht zur

Formteilung) anzustreben. Seitliche Schieber knnen parallel zur Formteilung auch schrg

zu diesen oder in einem bestimmten Winkel zur Formteilung

angeordnet werden, wenn gengend Platz vorhanden ist. Ineinandergreifende Schieber sind stranfllig und nach Mglichkeit

zu vermeiden. Schieber knnen auch auf einer kreisfrmigen Bahn entformt werden. Die Genauigkeit eines Lochabstandes ist am grten, wenn die

betreffenden Bohrungskerne in derselben Formhlfte oder in dem-selben Schieber untergebracht werden.


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4.9 EingieteileAluminium-Gussstcke knnen durch Eingieen von Einlegeteilen aus Stahloder anderen Werkstoffen fr besondere Beanspruchungen verwendbar ge-macht werden, z. B. Gewindebuchsen, Gewindestifte oder Zylinderlaufflchen.

Bei der Verwendung von Eingieteilen sind grundstzlich folgende Punktezu beachten: Das Metall muss auf die Buchse, den Bolzen oder die sonstige

Einlage aufschrumpfen und darf auf keinen Fall vom Eingieteil inLngsrichtung weg schwinden;

Die Eingieteile mssen fr die entsprechende Formaufnahmetoleriert sein;

Eine Sicherung gegen eine Verlagerung durch Erschtterung beimSchlieen der Form und den Druck des einstrmenden Metallsmuss gewhrleistet werden;

Sicherung durch Ausfrsung, Rndelung, Rillen, Bunde, Vierkante usw.gegen Verdrehen oder axiale Lockerung im spteren Betrieb, Bild 18;

Eine ausreichende Griffigkeit fr leichtes Einfhren der Buchsen,Stifte usw. in die heie Form ist erforderlich; Gestaltung der Eingieteile und der Gussform muss so ausgefhrt

werden, dass ein falsches Einlegen in die Form unmglich ist; Die umschlieende Wand des Gusstckes darf nicht zu dnn

gestaltet werden, da sonst durch nicht ausgelaufene Stellen oderSchrumpfrisse Ausschuss entsteht;

Gussstcke mit Eingieteilen sollen nicht lsungsgeglht werden,da sich der Verbund sonst lst;

An der Verbundstelle Gusslegierung Eingieteil kann nicht immer

eine gute Druckdichtheit gewhrleistet werden; Durch eine Lsungsglhbehandlung kann der Verbund mit Eingie-

teilen beeintrchtigt werden.

Bild 18: Sichern von

Verbund-Einlagen

gegen Herausziehen

und Verdrehen


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4. Gestaltung

4.10 GewindeeinstzeEin Verfahren zum Einbringen von Gewinden ist das nachtrgliche Ein-pressen von Gewindeeinstzen. Diese zeichnen sich durch hervorragen-de technologische Werte aus. Bewhrt haben sich Gewindeeinstze, die bei vorgegossener Kern-

bohrung nachtrglich in das Gussstck eingearbeitet werden. Fr dieEnsat-Bchse, siehe Bild 19, wird gehrteter Stahl verwendet.Beim Eindrehen in eine vorgebohrte oder gegossene gewindelose

Bohrung schneidet sie mittels ihrer scharfkantigen Schlitze dasGewinde selbst.

Bei dem Heli-Coil-Einsatz, siehe Bild 20, handelt es sich um einefedernde Spirale aus Chrom-Nickel-Stahl. Die hochfesten, elas-tischen, sehr glatten Gewindeeinstze wirken spannungsausglei-chend und sichern einen satten Flankenkontakt ber die gesamteEinbaulnge; die Festigkeit der Verbindung wird um durchschnittlich25 bis 30 % gesteigert, so dass vielfach kleinere Einbaulngen oderDurchmesser vorgesehen werden knnen und in besonderen Fllen

eine Verringerung der Wanddicke mglich ist. In vielen Fllenerbrigen sich zustzliche Schraubensicherungen.

Bild 19: Einsatzbuchse

Ensat

Bild 20: Gewinde-

einsatz Heli-Coila cb

60o

60o


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4.11 SchriftzeichenWarenzeichen, Ziffern, Einstellmarken, Verzierungen und dergl. knnen aufAuen- und Innenflchen von Sand- und Kokillengussstcken bei Beach-tung der nachfolgenden Richtlinien fertig mitgegossen werden. Die Aus-fhrung nach Bild 21 a ist die gebruchlichste, da sie den geringsten Auf-wand an Zeit und Kosten beim Anfertigen des Modells und der Kokilleverursacht. Beim Sandgussmodell wird das Schriftzeichen aufgesetzt,whrend es in die Kokille vertieft eingearbeitet wird. Das Schriftzeichen

muss so angebracht werden, dass keine Hinterschneidung entsteht.Diese Ausfhrung ist gegenber dem einstrmenden Giemetall amwenigsten empfindlich.

Bei Gussstcken, auf deren Oberflche hervorstehende Schriftzeichenstren wrden oder beschriftete Flchen bearbeitet bzw. geschliffenwerden mssen, sind die erhabenen Schriftzeichen entsprechendBild 21 b versenkt anzuordnen.

Die Ausfhrung nach Bild 21 c ist sehr teuer. Die in der Form erhabenstehenden Gravuren sind der Gefahr der Beschdigung und des starken

Verschleies ausgesetzt.

Bild 21: Ausfhrung

mitgegossener Schrift-

zeichen


56/82


4. Gestaltung

4.12 BearbeitungszugabenNeben der Magenauigkeit wird die Bearbeitungszugabe von folgendenGren bestimmt: Formverfahren, Schwindungsverhalten der Gusslegierung, Werkstckgre, Art der Wrmebehandlung.

Allgemein betrgt die Bearbeitungszugabe fr Sandguss 1,5 bis 3 mm undfr Kokillenguss 0,7 bis 1,5 mm. Bei greren Flchen ist u. U. einegrere Zugabe notwendig. Wird die Bearbeitungszugabe minimiert, sobegnstigt dies auch die Dichtspeisung, den Materialeinsatz und Zer-spanungsaufwand.

DIN 1680 und DIN EN ISO 8062 machen allgemeine Angaben ber Bear-beitungszugaben.

Den Zusammenhang zwischen Bearbeitungszugaben und Allgemein-toleranzen erlutert Bild 22.

BZ = Bearbeitungszugabe; Ao = oberes Ma; Au = unteres Ma; T = Toleranz (Allgemeintoleranz);Btmin = Mindest-Bearbeitungsstufe

Bild 22: Zusammen-hang zwischen Bear-

beitungszugabe und

Allgemeintoleranz

Auenma Innenma

a bFertigteil-Nennmass

Fertigteil-Nennmass

Kleinstmass-Gussrohteil

Kleinstmass-Gussrohteil

Au A0 Au A0

TT

Btmin

BtminGroesstmass-Gussrohteil Groesstmass-

Gussrohteil

Gussrohteil-Nennmass

Gussteil-Nennmass

BZ BZ


57/82


Die Tabellen 9a und b enthalten die Bearbeitungszugaben fr den Sand-und Kokillenguss nach DIN EN ISO 8062.

Grundstzlich ist zu beachten, dass der Gieerei nicht nur die Rohteilzeich-nung/-daten fr die Herstellung des Gussstcks, sondern auch die Fertig-teilzeichnung/-daten des Werkstcks zur Verfgung gestellt werden sollen.

Tabelle 9a: Erforder-

liche Bearbeitungs-zugaben nach

DIN EN ISO 8062-3

Tabelle 9b: Typische,erforderliche Bearbei-

tungszugaben fr Roh-

gussstcke aus Leicht-

metalllegierungen (nach

DIN EN ISO 8062-3)


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4. Gestaltung

4.13 ToleranzenDie Magenauigkeit von Sandgussteilen und von Konturen, die berSandkerne abgebildet werden (dies gilt auch fr den Kokillenguss) ist ver-fahrensabhngig: Maschinengeformter Sandguss ist magenauer als handgeformter, Maschinell hergestellte Kerne sind genauer als handgefertigte, Metallkernksten gestatten ein genaueres Arbeiten als Holzkern-

ksten.

Die Modell- und Kokillentoleranzen und die tolerierten Mae bzw.Allgemeintoleranzen (Mae ohne Toleranzangabe) sind zwar unabhngigvoneinander festgelegt, mssen aber einander zugeordnet werden.

Empfehlung: Von einer einseitigen Gussteiltolerierung ist abzusehen.

ber die oben genannten Faktoren hinaus wird die Magenauigkeit vonfolgenden Faktoren beeinflusst:

Schwindungsverhalten des Gussteils in der Form, Gre und Komplexitt des Gussstcks, Schwindung der Gusslegierung, Dicke der Wandungen und Lage der betreffenden Partie zur

Schwindungsrichtung, Art und Lagerung der Kerne (Kernmarken), Spiel der Kerne und Schieber in ihren Fhrungen, Zustand und Abnutzungsgrad des Modells und der Dauerform.

Die grere Genauigkeit ist stets bei Maen zu erzielen, deren Begren-

zungsflchen innerhalb einer Formhlfte liegen (formgebundene Mae)und nicht durch die Teilung (nicht formgebundene Mae) beeinflusst wer-den, siehe Bild 23.


59/82


a

b

Grundstzlich ist zu unterscheiden zwischen tolerierten Maen und Allge-meintoleranzen. Bei tolerierten Maen sind die einhaltbaren Toleranzen,d. h. die erzielbaren Genauigkeiten, zu bercksichtigen.

Bild 23: (a) formgebun-

dene Mae, (b) nicht

formgebundene Mae

Auswerf-Formhlfte

Angu-Formhlfte

seitlichgezogenerKern

Auswerf-Formhlfte

Angu-Formhlfte

seitlichgezogenerKern


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4.13.1 Einhaltbare Toleranzen (erzielbare Genauigkeit)ber erzielbare Genauigkeiten gibt es vom Verein Deutscher Gieereifach-leute (VDG) aufgestellte Festlegungen, siehe Tabelle 10 fr den Alumini-um-Kokillenguss.

Die Teile werden entsprechend ihrer Raumdiagonale (Erluterung der Raum-diagonale siehe Bild 24) in Grenklassen eingeteilt. Die Raumdiagonaleergibt sich aus:

4. Gestaltung

Tabelle 10: EinhaltbareToleranzen fr Alumini-

um-Kokillenguss


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Diese einhaltbaren Toleranzen (erzielbare Genauigkeit) sind bei der Fest-legung von tolerierten Maen zu bercksichtigen. Erhhte Ansprche andie Magenauigkeit setzen einen entsprechend hheren Aufwand fr dieKokillen und fr die Fertigung voraus. Nicht zuletzt aus Kostengrndensollten daher allgemein nur funktionsnotwendige Genauigkeiten gefordert

werden; so genau wie notwendig, so grob wie mglich. Bei allen Gie-verfahren lassen sich durch spezielle, aufwendige Manahmen nochengere Toleranzen einhalten. Hier ist jedoch die Absprache mit der Gie-erei zwingend erforderlich.

Bild 24: Erluterung

der Raumdiagonale

4.13.2 AllgemeintoleranzenDie Allgemeintoleranzen sind umfassend in DIN EN ISO 8062 festgelegt.Die Norm gilt fr Neukonstruktionen ab 2008.

Fr ltere Konstruktionen vor 2008 enthalten die DIN 1680, Teile 1 und 2

das Grundstzliche ber Allgemeintoleranzen sowie Angaben ber die Be-rcksichtigung der Formschrgen.

Ebenfalls fr ltere Konstruktionen (vor 2008) sind die Allgemeintoleran-zen fr Lngen- und Dickenmae in DIN 1688, Teil 1 fr den Aluminium-Sandguss aufgefhrt.

Die DIN EN ISO 8062 enthlt ausschlielich fr Sand- und Kokillenguss: Toleranzgrade fr die Groserienfertigung, Tabelle 11a,

Toleranzgrade fr Einzelfertigung oder Kleinserien vonRohgussstcken, Tabelle 11b und Gusstoleranzen als Zahlenwerte, Tabelle 11c.

prismatischerHullkrper

Raumdiagonale R

R

h

b

Gussstck


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Anmerkung 1: Die angegebenen Toleranzgrade knnen blicherweise bei derGroserienfertigung von Gussstcken eingehalten werden und wenn Fertigungs-faktoren, die sich auf die Magenauigkeit des Gussstckes auswirken, vollbeherrscht werden.

Anmerkung 2: Fr komplizierte Gussstcke wird ein Toleranzgrad grer

empfohlen.

Anmerkung: Die Werte in dieser Tabelle gelten allgemein fr Nennmaeber 25 mm. Fr kleinere Abmessungen knnen blicherweise aus wirtschaft-lichen und praktischen Grnden engere Toleranzen wie folgt festgelegt werden: Nennma bis 10 mm: drei Grade niedriger; Nennma 10 bis 16 mm: zwei Grade niedriger; Nennma 16 bis 25 mm: ein Grad niedriger.

4. Gestaltung

Tabelle 11a: Typische

Matoleranzgrade fr

Groserien- oder

Massenfertigung von

Rohgussstcken aus

Leichtmetalllegierungen

Tabelle 11b: Typische

Matoleranzgrade fr

Kleinserien- oder Einzel-

fertigung von Rohguss-

stcken aus Leichtme-

talllegierungen


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Anmerkung: Fr Wanddicken gilt der nchsthhere Grad.

Tabelle 11c:Lngen-

matoleranzen des

Gussstckes (DCT)

4.13.3 Form- und Lagetoleranzen

Mit Form- und Lagetoleranzen knnen Zeichnungen oft sowohl funktions-als auch fertigungsgerecht erstellt werden. Fr Form- und Lagetoleranzen

muss zunchst ein Bezugssystem definiert werden. Idealerweise liegt dies

in einer Formhlfte. Der Gieer sollte seine Form nach diesem Bezugs-

system auslegen. Die Form- und Lagetoleranzen sind mit dem Gieer ab-

zustimmen.


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Die gietechnische Simulation ist heute eine akzeptierte und zuverlssigeTechnik, mit der der gesamte Entwicklungsprozess eines Bauteils bis hinzur Giewerkzeug- und Prozessauslegung begleitet wird.

Die zunehmende Integration der gietechnischen Simulation in dievirtuelle Entwicklung, verknpft mit anderen CAETechniken, wie der FE-Analyse, hilft bei der Umsetzung von Forderungen nach immer komplexerwerdenden Bauteilen. Seit vielen Jahren wird damit die Bauteilentwicklungbeim Erstellen von giegerechter Konstruktion untersttzt und die Ausle-

gung der Gieprozesse vorhersagbar und sicherer gemacht. Fr den Bau-teilentwickler treten die neuen Mglichkeiten zur Simulation von lokalenBauteileigenschaften immer strker in den Vordergrund, um die noch vor-handenen Werkstoffpotentiale in der Konstruktion auszuschpfen.

5.1 Zielsetzungen der gietechnischen Simulation Untersttzung bei der giegerechten Entwicklung von Bauteilen, Bereitstellen von lokalen Bauteileigenschaften zur optimalen

Ausnutzung des Werkstoffpotentials und Verbesserung von

Aussagen zur Lebensdauervorhersage, Auslegung der Giewerkzeuge, die Erkennung und Vermeidung von Gussfehlern vor ihrem Auftreten

in der Gussteilproduktion und / oder die Planung der Optimierung der Gussproduktion.

5.2 Mathematische und physikalische ModelleBei der gietechnischen Simulation wird mit Hilfe von numerischen Me-thoden der gesamte Gieprozess mglichst realittsnah abgebildet, d. h.modelliert. Die numerische Simulation nutzt fr die Berechnung der einzel-

nen Prozessschritte verschiedene mathematische Modelle.

Folgende Modelle haben sich etabliert:

Formfllung bzw. Gievorgang:Die Modellierung der Formfllung bzw. des Gievorgangs erfolgt unterVerwendung der dreidimensionalen Navier-Stokesschen Differential-gleichungen, die mit der Fourierschen Wrmeleitungsgleichung gekoppeltgelst werden mssen.

5. Prozesssimulation zur Bauteil-

und Werkzeugauslegung


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Erstarrung:Zum Modellieren der Erstarrung wird die Fouriersche Wrmeleitungs-gleichung verwendet, unter Bercksichtigung der Wrmebergngezwischen Gussstck und Form bzw. Formstoff, Gussstck und Khleisen,Form und Khlkanlen sowie Form und Umgebung.

Gusseigenspannungen und Verzug:Die dreidimensionale Modellierung der Entstehung von Eigenspannungen

und Verzug erfolgt unter Bercksichtigung des realen, nicht linearen Werk-stoffverhaltens. Bei dnnwandigen, flchigen Bauteilen muss das Gleitendes Bauteils entlang der Werkzeugoberflche whrend des Abkhlens inder Gieform im Rechenmodell bercksichtigt werden. Dies wird durchIntegration eines Kontaktalgorithmus in die Berechnung realisiert.

Lokale Gefge:Mit Mikromodellen wird die Bildung von Gefgen fr untereutektische Alu-minium-Gusslegierungen berechnet. Diese stellen die wichtigste Gruppe

der Al-Gusslegierungen dar. Die Berechnung der Gefge wird auf der Grund-lage der Legierungszusammensetzung aus den Gleichgewichtsphasen, derKinetik, mit der einzelne Phasen bei einer Temperatur wachsen knnen unddem Seigerungsverhalten von einzelnen Legierungselementen, die zueiner Verschiebung einzelner Phasenanteile oder sogar zu neuen Phasenfhren knnen, durchgefhrt. Die Berechnung erfolgt fr jeden Zeitschrittund in jedem Element.

Porositten:Die Mechanismen fr die Bildung von Porositten sind Speisungsdefizite

des schwindenden Werkstoffes whrend der Erstarrung und die Ausschei-dung von Gasporen. Porosittsmodelle in den gietechnischen Simu-lationsprogrammen bercksichtigen diese Bildungsmechanismen.

Lokale Bauteileigenschaften:Aus der Berechnung der Gefgeausbildung im Bauteil knnen mit demgietechnischen Simulationsprogramm quantitative Aussagen zu lokalenBauteileigenschaften abgeleitet werden.


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5.3 Aufbau der ProgrammeDie gietechnischen Simulationsprogramme sind wie alle Programme zurnumerischen Simulation in drei Hauptbereiche gegliedert. Preprocessing: Modellierung von Gussstck und Giesystem.

Schnittstellen zu CAD- und FE-Programmen. Mainprocessing: Eingabe der Prozess- und Berechnungsparameter

und Durchfhrung der Berechnung mit dem Lsungsprogramm,dem Solver.

Postprocessing: Auswertung der Simulationsergebnisse,FE-Schnittstellen.

Datenbank:Bestandteil der gietechnischen Simulationsprogramme ist eine umfang-reiche Datenbank mit den thermophysikalischen und thermomechanischenMaterialdaten fr die bei der Berechnung relevanten Werkstoffe wie Guss-legierungen, Formstoffe usw.

Verfahrensspezifische Module:In den heute verfgbaren Softwarepaketen zur gietechnischen Simu-lation sind verfahrensspezifische Module enthalten, mit denen man in dieLage versetzt wird, die unterschiedlichen Gieverfahren mit ihren spezifi-schen Prozessablufen und Parametern genau abzubilden.

Damit ist die Bauteilentwicklung in einem sehr frhen Stadium desProjekts in der Lage, mit gietechnischer Simulation das geeignete Gie-verfahren auszuwhlen.

5.4 Ablaufbeschreibung der SimulationsrechnungBasis fr die Simulation ist die 3D-Geometrie des Rohgussstcks oder dieGeometrie des fertig bearbeiteten Teiles, welche dann um die Bearbeitungs-zugaben ergnzt werden muss.

Falls keine 3D-Geometrie vorhanden ist, muss diese aus den Zeich-nungen des Bauteils erstellt werden.

Geometrien des Angusssystems, der Speiser und der Temperierung desWerkzeugs werden abhngig von dem Projektfortschritt ebenfalls in dasSimulationsmodell aufgenommen.




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Der Detaillierungsgrad des Gesamtmodells hngt von der Verfgbarkeit derDaten und des Zeitpunkts, zu dem die erste Simulation durchgefhrtwerden soll, ab (siehe organisatorische Integration).

Die 3D-Daten werden ber eine Schnittstelle in den Preprocessor desSimulationsprogramms bernommen. Im Preprocessor des Programms wirddas gesamte Modell, bestehend aus Rohgussstck, Angusssystem, Spei-ser und falls vorhanden den Werkzeugsegmenten mit Temperierkanlen zu-

sammengestellt. Fr die nachfolgende Berechnung muss das gesamte Mo-dell vernetzt werden.

Das im jeweiligen Programm angewandte numerische Lsungsverfah-ren bestimmt die Art der Vernetzung. Bei der Finite Volumen Methode kn-nen die Netze vollstndig automatisch erzeugt werden, bei der FiniteElemente Methode werden die Netze automatisch generiert und mssenvon Hand nachgearbeitet werden.

Der zeitliche Prozessablauf und die Prozessparameter fr den zu be-rechnenden Gieprozess mssen festgelegt werden und in das Programm

als Randbedingungen fr die Berechnung eingegeben werden. Dies ge-schieht interaktiv in den entsprechenden Eingabefenstern.

Sind die Eingaben abgeschlossen, wird die Berechnung gestartet. Es kannnun der Prozessablauf mit seinen einzelnen Teilen wie die Formfllung, dieErstarrung, die Berechnung von Eigenspannungen und lokalen Eigenschaf-ten berechnet werden.

Die Rechenzeit fr solche Berechnungen hngt von mehreren Parame-tern ab und kann mit leistungsfhigen PCs von einer Stunde bis zu einigenTagen in Anspruch nehmen.

Mit dem Einsatz der Clustertechnik knnen diese Zeiten auch aufMinuten und Stunden reduziert werden. Nach erfolgter Berechnung wirddie Ergebnisauswertung mit dem Postprocessor durchgefhrt.

Hier werden die Ergebnisse der einzelnen Prozessschritte in entspre-chenden Ansichten und Schnitten durch Bilder und Filme in 3D visualisiert.Kritische Bereiche im Bauteil werden mit Kriteriumsfunktionen abgebildet.


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Die Berechnung liefert Ergebnisse zur: Formfllung: Darstellung der Temperaturen, Strmungsgeschwindig-

keiten und Drcke.Kriteriumsergebnisse: Fllzeit, Formerosion usw.

Erstarrung: Darstellung der Temperaturen, Wrmezentren, Wrme-haushalt von Kokillen und Kernen usw.Kriteriumsergebnisse: Erstarrungszeiten, Abkhlraten, Porositten, Nach-

speisung, Niyama-Kriterium, Fraction Solid, thermischer Modul usw.

Eigenspannungen: Darstellung der Spannungsverteilung bei Raum-temperatur (mit allen Spannungskomponenten), Darstellung derUrsachen der Spannungen, Wrmespannungen in Dauerformen(Kokillen).

Verzug: Darstellung des Gesamtverzuges durch eine verformteDarstellung des Bauteils sowie der ausgewerteten Verschiebungen.

Gefge: Gefgeverteilungen, wie Dendritenarmabstand, primreeutektische Phasen werden ermittelt.

Porositten: Die Ergebnisse der Berechnung geben Aufschluss ber

die lokale Verteilung und Gre der Poren im Gussteil. Lokale Bauteileigenschaften: quantitative Aussagen zu lokalen

Bauteileigenschaften, wie Zugfestigkeit, Rp0,2% Grenze, Dehnung.

Ausgehend von diesen Ergebnissen ber die Bauteilqualitt und dieProzessablufe werden Manahmen abgeleitet, die dann in weiterenIterationsschleifen erneut berechnet und auf ihre Wirksamkeit hin berprftwerden.

5.5 Simulation in der Lebensdauervorhersage

Die Ergebnisse der Gefgeberechnung, der Berechnung der Gusseigen-spannungen und die lokalen Bauteileigenschaften knnen ber Schnitt-stellen auf FE-Modelle der Lebensdauerberechnung bertragen werden undverbessern so die Aussagefhigkeit dieser Berechnungen wesentlich.

5.6 Simulation in der LebensdauervorhersageDem frhzeitigen Einbinden der gietechnischen Simulation in die Bauteil-entwicklungskette kommt eine groe Bedeutung zu. Nur so kann dasgesamte Potential der Mglichkeiten in die Entwicklung der Bauteile und in

die Prozessplanung einflieen, damit Manahmen aus den Ergebnissen ein-geleitet und umgesetzt werden.


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Die technische Integration erfolgt ber Schnittstellen, mit deren Hilfe dieInformationen aus der gietechnischen Simulation auf andere CAE-Pro-gramme zur weiteren Verwendung transferiert werden knnen. Die Schaf-fung von organisatorischen Strukturen zur Integration der gietechnischenSimulation ist ein weiterer wichtiger Aspekt.

Es sind Fragestellungen sowohl fr den internen Ablauf von Simulations-projekten in den Gieereien und bei den Gussteilendabnehmern als auchin der Kooperation derselben miteinander zu klren.

Die organisatorische Einbindung der gietechnischen Simulation in dieQS-Systeme wird heute von Unternehmen erfolgreich praktiziert. Hierzuempfiehlt es sich, verschiedene Fragestellungen zu klren und verbindlichfestzulegen. In welchen Fllen wird simuliert? Welche Ressourcen werden in welchem Umfang eingesetzt? Integration der gietechnischen Simulation:

Wann wird mit der Simulation begonnen?Es wird empfohlen, diese schon mit dem ersten 3D-Bauteildesign durch-

zufhren, um in diesem sehr frhen Stadium der Bauteilentwicklungerste Erkenntnisse ber das gietechnische Verhalten des Bauteils zuerhalten und mgliche Problembereiche konstruktiv zu verndern.Zu diesem Zeitpunkt kann eine solche sehr schnell durchzufhrendeErstarrungssimulation fr die Absicherung des spteren Fertigungspro-zesses sehr hilfreich sein.

Wann und von wem werden die Ergebnisse ausgewertet? Wem werden die Ergebnisse zur weiteren Verwendung zur Verfgung

gestellt? Welche Manahmen werden auf Grund der Simulation zur Durch-

fhrung freigegeben? Wer gibt Manahmen frei und wer ist fr deren Umsetzung zustndig? Wie wird dokumentiert und berichtet?

Diese Punkte sollen dafr sensibilisieren, dass mit den technischen Mg-lichkeiten der Simulation eine groe Menge an zustzlichen Informationengeschaffen wird. Diese knnen nur dann erfolgreich genutzt werden, wennauch eine Integration dieser Technologie in die Organisationsstrukturen derUnternehmen erfolgt.


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Aluminiumgussstcke werden im Allgemeinen ohne besondere Ober-flchenbehandlung verwendet. Eine Verbesserung der Oberflche ist aufvielseitige Art mglich.

Die Oberflchen von Gussstcken werden behandelt, um unterschiedlicheAnforderungen zu erfllen, die einerseits dekorativ andererseits funktio-nell bestimmt sein knnen, siehe Tabelle 12.

Tabelle 13 gibt einen berblick ber die unterschiedlichen Behandlungs-

verfahren von der mechanischen und chemischen Bearbeitung ber dieanodische Oxidation bis zu den verschiedenen Beschichtungen. Dabei istzu beachten, dass die mechanische und chemische Behandlung in derRegel als Vorbehandlungsschritte durchgefhrt werden, whrend die ano-dische Oxidation und die verschiedenen Beschichtungen als Endbearbei-tungsschritte anzusehen sind. Die aufgefhrten Oberflchenbehandlungs-verfahren knnen sowohl fr dekorative wie auch funktionelle Zweckeeingesetzt werden.

6. Oberflchenbehandlung

Tabelle 12: Anforderun-

gen an Oberflchen von

Gussstcken


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Neben den genannten Verfahren existiert eine Vielzahl weiterer Ober-flchenbehandlungs- und -beschichtungstechnologien. Im Rahmen dervorliegenden Technischen Richtlinie wurde aber auf eine weiterfhrendeAuflistung und Erluterung verzichtet, um die bersichtlichkeit der Dar-stellung zu erhalten.

Die Grundregeln der Oberflchenbehandlung sind bereits bei der Guss-stck- und Formkonstruktion zu beachten. Die Gte der Oberf lchen-beschichtung hngt dann in starkem Mae von der sorgfltig aufeinanderabgestimmten Abfolge der Vor- und Endbehandlungsschritte sowie deren

sicheren technischen Beherrschung ab. Es kann erforderlich sein, dassmehrere Vorbehandlungsschritte durchgefhrt werden mssen, bevor dieEndschicht aufgebracht werden kann. Fr dekorative Zwecke bestimmteGussstcke sind hufig zunchst mechanisch zu bearbeiten (z. B. Strah-len + Schleifen + Polieren), zu reinigen (z. B. Entfetten/Beizen) und eineoder mehrere Haft- oder Unterschichten aufzubringen (z. B. Phospha-tieren zur Haftvermittlung oder Verkupfern), bevor die Endbeschichtungerfolgen kann (z. B. galvanisch Verchromen).

Tabelle 13: berblick

ber Oberflchenbe-

handlungsverfahren


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Die Technische Richtlinie beschreibt wie Gussstcke konstruiert werdensollen, damit diese prozessfhig herstellbar sind. In diesem Kapitel wer-den die vom Kunden gestellten allgemeinen Spezifikationen zu Gefge,Oberflche oder Bemustern behandelt. Weiterhin wird beschrieben wie diegeforderten Eigenschaften in den Gieereien geprft werden knnen.

7.1 WERKSTOFF, GEFGE, OBERFLCHE

7.1.1 Chemische ZusammensetzungDie chemische Zusammensetzung des Gusswerkstoffs, die naturgemdas Gefge beeinflusst, wird in der Regel mit einem Funkenspektrometer(F-OES) berprft. Bei Gussstcken mit hheren Qualittsanforderungenwird zustzlich in den Gieereien die Unterdruckdichteprfung zur ber-wachung der Schmelzereinheit eingesetzt.

7.1.2 GefgeDas Gussgefge wird neben dem Werkstoff mageblich von den Ferti-

gungsbedingungen sowie der Gussstckgeometrie beeinflusst. Bei Guss-stcken mit hheren mechanischen Beanspruchungen oder zur Schicht-dickenbestimmung bei oberflchenveredelten Gussstcken werdenmetallografische Schliffe zur Beurteilung der Gefge angefertigt.

Grundstzlich sollen Gussstcke so konstruiert werden, dass diese imAnwendungsfall mit den verfahrenstechnisch bedingten Gefgedefekten(Gasporositten, Volumendefizite) den Beanspruchungen standhalten. DasVDG Merkblatt P 201 (ab 2010: P202) zur Kennzeichnung von Porosittgibt Hinweise, wie der Kunde Porenforderungen in der Zeichnung

definieren kann. Das Merkblatt stellt einen Standard z. B. in der Automo-bilindustrie dar.

blicherweise werden Teile im Hinblick auf Poren bei Fertigungsbeginnund whrend der Fertigung, je nach Anforderungen, statistisch oder bis zu100% geprft durch: Rntgen als schneller qualitativer berblick, bei dem jedoch nur mit

hohem Aufwand die Porengre und Anzahl bestimmt werden kann. Computertomografie, wird vorwiegend in der Produktentwicklung

eingesetzt, da der Aufwand fr eine Serienberwachung zu hoch ist.Jedoch kann hierbei die Porenverteilung genau bestimmt werden.

7. Qualitt


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Probefrsung, Schliffe mit Porenauswertung (mikroskopisch) amvereinbarten Schliff entweder nach Vergleichstabellen, Grenzmusternoder durch Rechner untersttzte Bildanalyse.

Da die Volumendefizite in Gussstcken stochastisch schwanken, gebendie Verfahren nur einen Hinweis auf die auftretenden Porositten fr dieeinzelnen Gussstcke. Daher sind auch Grenzmuster fr die Porenbestim-mung problematisch.

Die rechnerische Simulation der Formfllung und Erstarrung fr Guss-stcke ist soweit entwickelt, dass bereits in der Konstruktionsphaseporengefhrdete Bereiche aufgezeigt werden. Durch geeignete nderun-gen am Gussstck und im Anschnittsystem lassen sich Gegenmanahmenbereits vor der Werkzeugherstellung treffen und die Gefahr zur Poren-bildung im Gussstck minimieren (vergl. Kap.5).

7.1.3 Rissprfung (Farbeindringverfahren)Eine Riss- oder auch Farbeindringprfung kann zur Detektion von ober-

flchenoffenen Fehlern bei Gussteilen aus nicht porsem Material an-gewandt werden. Zu diesen Fehlern zhlen zum Beispiel Risse, berlap-pungen, Falten und Poren.

Das Prinzip der Prfung ist, dass zunchst ein sog. Eindringmittel bereinen zu prfenden Bereich eines zuvor gereinigten und getrock-neten Gussteiles aufgebracht wird. Das Eindringmittel entspricht einergefrbten bzw. fluoreszierenden Flssigkeit mit niedriger Viskositt, wel-che aufgrund der Kapillarwirkung auch in sehr feine Risse eindringen kann.Nach diesem Vorgang wird das Gussstck zwischengereinigt. Anschlie-

end wird eine Schicht Entwickler eine saugfhige Flssigkeit, welchedas Eindringmittel aus den Rissen herauszieht aufgebracht und die Fehl-stellen knnen, beispielsweise in einem abgedunkelten Raum und unterSchwarzlicht, sichtbar gemacht werden. Die optische Prfung erfolgt dannmit dem bloen Auge; ggf. knnen auch Vergrerungsglser oder Kon-trast verstrkende Brillen benutzt werden.

Weitere Angaben zu diesem Prfverfahren sind in der DIN EN 571-1 undin der DIN EN 1371-1 ersichtlich.


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7.1.4 Oberflchenrauheit von GussstckenDie Oberflche der Gussstcke ist beim Sandgieverfahren rauer als beimKokillengieverfahren.

Zur Prfung der Oberflchenrauheit werden in der Regel keine Mess-werte festgelegt, vielmehr ist auf Vergleichsmuster Bezug zu nehmen.Vergleichsmuster knnen andere oder hnliche Teile sein, die auch den

Werkzeugverschlei bereits widerspiegeln. Es knnen auch Grenzmusterder gegossenen Teile sein, die

Sand- Und Kokillenguss Aus Aluminium

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