Entwurf und Konstruktion elektronischer Geräte. Zusammenfassung über fertigungstechnische Verfahren

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1 Entwurf und Konstruktion elektronischer Geräte Zusammenfassung über fertigungstechnische Verfahren Markus Krieger Erstellungsdatum: 4. Juni 2000 Disclaimer: Alle von mir im Internet unter veröffentlichten Versuchsberichte und Hausarbeiten sind lediglich als Anhaltspunkt für eine eigene Ausführung einer Versuchsberschreibung bzw. Hausarbeit gedacht. Ich widerspreche ausdrücklich einer 1:1-Kopie (also kopieren, abschreiben, abscannen etc.). Einer Veröffentlichung hat der/die entsprechende VersuchspartnerIn zugestimmt (sofern es sich nicht um eine Einzelarbeit handelt). Alle Texte, Grafiken und Listings dienen lediglich als Orientierung für eine eigene Ausarbeitung. Diese Arbeiten wurden alle von verschiedenen Professoren, die hier ausdrücklich nicht genannt werden, meist mit gut testiert. Trotzdem können in den Berichten Fehler vorhanden sein, deshalb übernehme ich keine Gewähr für die Richtigkeit und Vollständigkeit. Außerdem können sich die Versuche ganauso wie die Technik im Laufe der Zeit weiterentwickeln und verändern, so daß diese Ausarbeitung nicht mehr aktuell ist. Ich bitte zu bedenken, daß die Praktika (mit Erstellung einer schriftlichen Ausarbeitung) als eine Hilfe für die Studierenden gedacht sind, Praxis zu gewinnen und sich praktisch in die Materie einzuarbeiten. Markus Krieger im April 2000.

2 Inhaltsverzeichnis 1 Gießen allgemeines Schrumpfvorgang Gießfehler Modelle und Formen Verfahren Handformverfahren Maschinenformverfahren Maskenformverfahren Feingießverfahren Vollformgießverfahren Kokillengießverfahren Druckgießverfahren Schleudergießverfahren Stranggußverfahren Gußwerkstoffe Sintern 6 3 Walzen 6 4 Ziehen 7 2

3 Fertigungstechnische Verfahren zum Formen 1 Gießen Das Gießen von (vor allem) Metallen gilt als günstige Möglichkeit, in verschiedenen Verfahren große Teile von über 400t bis kleine Teile in großer Stückzahl herzustellen. 1.1 allgemeines Um Metalle gießen zu können, müssen sie über ihren Liquiduspunkt (über diesem Punkt ist das Metall flüssig) erhitzt werden. Dieser liegt über dem Soliduspunkt, an dem das Metall zu schmelzen beginnt. Diese Punkte liegen bei verschiedenen Metallen bzw. Legierungen (Mischungen verschiedener Metalle) unterschiedlich hoch. Das flüssige Metall läuft entweder vor allem bei großen Teilen in die Form bzw. muß hineingepreßt werden. Schon beim Einfüllen in die (deutlich kältere) Form fängt das Metall an, abzukühlen und erst breiig, dann fest zu werden. Da im Inneren des Teils die Abkühlung langsamer erfolgt als am Rand, können sich im Inneren Kristalle ausbilden, während am Rand eher feinere Strukturen zu finden sind; es gibt über den Querschnitt keine gleichmäßige Gefügeausbildung. Schon beim Formenbau muß berücksichtigt werden, wie schnell die Teile abkühlen. Kühlen sie zu langsam ab, können sich im Material mehr Kristalle bilden, die Struktur wird grober, das Werkstück zerbricht leichter. Kühlt man zu schnell ab, kann es passieren, daß das Metall nicht alle Stellen der Form im flüssigen Zustand erreicht und so Gießfehler entstehen. Das Abkühlverhalten ist auch maßgeblich für die Gießtemperatur, wird mit einer zu hohen Temperatur begonnen, können sich auch wieder mehr Kristalle bilden. 1.2 Schrumpfvorgang Da sich Körper bei Erhitzung ausdehnen bzw. bei Erkaltung wieder zusammenziehen, muß dies bei der Herstellung der Form schon berücksichtigt werden. So müssen die zu gießende Teile ein Aufmaß erhalten, um die Schrumpfung auszugleichen. Bei verschieden Gußarten können im bis über 5% Schrumpfung im flüssigen und über 2% im festen Zustand beobachtet werden. Die Schrumpfung besteht aus vier Phasen: 1. flüssiger Zustand: Im flüssigen Zustand kühlt die Schmelze ab und verliert an Volumen, so fehlt oben etwas Material (z.b. am Einguß). 2. flüssig/teigiger Zustand: das Werkstück erkaltet langsam, die Form ist trotzdem noch voll, das Material kann noch nachlaufen. 3. teigiger Zustand: an den Stellen, an denen die Form offen ist (z.b. am Einguß) gibt es unregelmäßige Formen, das Volumen wird kleiner 4. fester Zustand: im festen Zustand zieht das ganze in sich zusammen und löst sich aus der Form, weil es kleiner als die Form wird 3

4 1.3 Gießfehler Gießfehler können auftreten bei zu starker Erhitzung der Schmelze (es bilden sich Gasblasen), ungleichmäßige Abkühlung, ungleichmäßige Materialaufteilung (an dicken Stellen kann das Material brechen), Entmischung der Schmelze (keine gleichmäßige Materialaufteilung mehr im Werkstück). Gießfehler lassen sich vermeiden durch Berücksichtigung von Gestaltungshinweisen von Werkstücken. 1.4 Modelle und Formen Je nach Verfahren werden verschiedene Modelle und Formen benötigt. Modelle stellen das spätere Teil dar, sind allerdings etwas größer (wegen der Schrumpfung). Soll ein Teil mit verschiedenen Methoden gegossen werden, sind aber verschiedene Modelle nötig, da die Schrumpfung unterschiedlich ist. Durch einen Anstrich werden die Modelle aus Holz, Kunststoff, Metall oder anderen Materialien geschützt und das Gießverfahren durch eine Farbe gekennzeichnet. Für Einzelstücke werden aber auch Modelle aus Wachs direkt mit der Form gebaut, die später herausfließen können. Wichtig ist es bei den Modellen, daß an Senkrechten Schrägungen vorhanden sind, damit das Werkstück gut aus der Form gleiten kann. Formen sind die negativen Abbilder der Modelle, in die später die Schmelze fließt. Ihre Ausführung ist je nach Gießverfahren unterschiedlich. Wichtig bei allen ist die Gasund Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, außerdem müssen sie gut binden und hohe Temperaturen vertragen können. Verwendete Sande können zum Teil wiederaufbereitet werden. Die Formen bestehen aus zwei Teilen, die nach dem Abkühlen des Werkstückes auseinandergenommen werden können. Sogenannte verlorene Formen gehen beim Auseinandernehmen kaputt. 1.5 Verfahren Handformverfahren Dieses Verfahren dient zum Herstellen großer und schwerer Teile bis 400t. Diese Teile werden meist im am Boden der Gießereien hergestellt. Hierbei ist die Form aus Sand, also muß für jedes Teil eine neue Form erstellt werden Maschinenformverfahren Hierbei erstellt ein Automat mit einem Modell die Form. Die Teile werden im Formsand gegossen, dann kühlen sie ab. Sind die Teile abgekühlt, werden sie aus dem Automat entnommen, der Sand wird in einem Kreislauf immer wieder genutzt. Dieses Verfahren ist geeignet für größere Serien Maskenformverfahren Hierbei wird in ein Kunstharz-Sand-Gemisch das Modell gepreßt, dann erhitzt, dadurch bildet sich die Form, in der dann das Werkstück gegossen werden kann. Dieses Formen sind aber auch nur einmal benutzbar. 4

5 1.5.4 Feingießverfahren Mehrere Modelle aus Wachs werden an eine Traube gehängt und mit einem keramischen Überzug überzogen, die Hohlräume außen mit Sand gefüllt. Das Wachs kann nun erhitzt werden und fließt aus der Form. In die Form kann nun gegossen werden. Das Verfahren ist sehr auswendig, hat aber niedrige Toleranzen Vollformgießverfahren Das Modell wird z.b. aus Styropor gebaut (inkl. dem Einfüllstutzen) und dann mit Formsand umbaut. Das Modell wird dann verdampft, im Formsand kann nun das Werkstück gegossen werden. Bei diesem Verfahren sind sowohl das Modell als auch die Form verloren, es eignet sich also nur für Einzelanfertigungen Kokillengießverfahren Bei diesem Verfahren werden Dauerformen aus wärmebeständigem Stahl hergestellt. Natürlich kann nur unter der Solidustemperatur der Form gegossen werden, also vor allem Leichtmetalle (Al- und Mg-Legierungen) Druckgießverfahren Ähnlich wie bei dem Kokillengießverfahren wird hier mit Dauerformen gearbeitet. Allerdings wird hier das Gußmaterial mit Druck eingebracht, so können auch mehrere Teile gleichzeitig hergestellt werden. Das in der Industrie wohl am häufigsten anzutreffende Verfahren zur Produktion hoher Stückzahlen, da alles maschinell hergestellt werden kann Schleudergießverfahren Im Schleuderguß wird das Werkstück in einer Zentrifuge gegossen. Vorteil: durch die erhöhten Kräfte nach außen können sich schlechter Kristalle bilden, dadurch wird das Material stabiler Stranggußverfahren Dieses Verfahren eignet sich zum Gießen von Brammen. Dabei erhält das Werkstück keine Form, es entsteht quasi eine lange Stange, die später weiter verarbeitet werden kann. 1.6 Gußwerkstoffe Die verschiedenen Gußwerkstoffe unterscheiden sich vor allem durch die unterschiedliche Zusetzung von anderen Metallen und Nichtmetallen. Durch die Zusätze können bestimmte Eigenschaften wie besondere Festigkeit etc. erreicht werden. Für die Planung eines Werkstückes ist es entscheidend, aus welchem Material es hergestellt 5

6 wird, damit es später im Betrieb nicht auf einmal bricht. Die genaue Zusammensetzung der Gußsorten (Grauguß [GG,GGL], Hartguß, Temperguß [GTW,GTS], Sphäroguß [GGG], Stahlguß [GS], Bronze-Guß, Kupfer-Guß, Aluminium-Guß usw.) kann aus Tabellen entnommen werden. 2 Sintern Im Gegensatz zum Gießen wird hier unter der Schmelztemperatur des Werkstoffes gearbeitet. Beim Sintern wird Metallpulver, das auf verschiedene Weise gewonnen werden kann, zusammengepreßt, und zwar auf bis zu 1/2 bis zu 1/6 des ursprünglichen Volumens. Durch Erhitzen beim Zusammenpressen entsteht ein fester Atomverbund, ähnlich aufgebaut wie ein Gitter. Die Festigkeit des Materials entsteht rein aus dem Zusammenhalt der Atome untereinander. Beim Sintern können auch Metalle verbunden werden, die zum Beispiel durch Gießen nicht zusammengebracht werden könnten. Die Pulvergröße darf zwischen 0, 1 bis 1000µm liegen, allerdings sollte in einem Sinterteil immer die gleiche Pulvergröße verwendet werden, um ein einheitliches Gefüge zu bekommen. Sinterwerkstoffe werden vor allem dort verwandt, wo ein Gießen aufgrund der Zusammensetzung nicht möglich ist. Ein großes Einsatzgebiet in der Elektrotechnik sind Ferrite, die ein sehr gutes magnetisches Verhalten haben und in großen Stückzahlen produziert werden können. 3 Walzen Metallbleche finden in der gesamten Industrie Anwendung. Doch diese Bleche werden nicht so dünn gegossen, sondern als sogenannte Bramme, ein langes, rechteckiges Stück Metall, das immer dünner gewalzt wird (d.h. durch fest eingestellte Rollen gedrückt und dadurch dünner wird). So wird die Bramme immer länger (und etwas breiter). Doch nicht nur Bleche, sondern auch Profile (L, I, T) können so hergestellt werden. Das Atomgitter wird in Walzrichtung gestreckt. Die Verbindung zu den Nachbaratomen quer zur Walzrichtung kann allerdings verschoben werden, d.h. die Stabilität bleibt nur in die Walzrichtung erhalten. So kommt es auch, daß Bleche in Walzrichtung gut zu biegen sind, quer dazu kann ein Blech brechen. In der Elektrotechnik sind die sg. µ-bleche ein willkommenes Mittel zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung. Sie haben allerdings senkrecht zur Walzrichtung eine viel geringere Permeabilität als parallel zur Walzrichtung, dies liegt auch an der verschiedenen Ausrichtung der Atomgitter. 6

7 4 Ziehen Unter Ziehen versteht man im Maschinenbau hauptsächlich das Tiefziehen von Teilen, hauptsächlich Blechen. Dabei wird ein Unterdruck erzeugt, das Blech wird in die Form gezogen. Interessant für die Elektrotechnik ist das Ziehen von Drähten und Litzen. Kupferdrähte können nur ab einem bestimmten Durchmesser gespritzt werden. Es werden aber viel dünnere Drähte gebraucht, um z.b. Litzen oder feinste Drähte herzustellen. Aus diesem Grund werden die Drähte in die Länge gezogen. Der Draht wird über die Fließgrenze beansprucht, seine Härte und Festigkeit nehmen zu, die Zähigkeit nimmt aber ab. Um ganz feine Drähte herzustellen, werden die Drähte noch mal kurz geglüht, um sie geschmeidiger zu machen, damit sie nicht reißen. 7