Daniel Wilhelm
Ihr 3D-Messtechnik Spezialist für taktile Messtechnik.
Unpräzises Urformen
Das Urformen ist der erste Schritt in der Herstellung von Produkten aus Metall. Alles, was im Weitesten Sinne mit dem Gießen zu Tun hat, zählt zum Urformen. Dabei wird vormals flüssiges und heißes Metall in eine kalte und feste Form gebracht.
Es ist dabei unerheblich, ob das Metall in eine definierte Form gegossen wird oder zunächst als recht roher Strang aus dem Schmelzofen kommt. In jedem Fall ist das Ergebnis niemals so, wie man es von der Metallverarbeitung gewöhnt ist.
Urgeformte Metallprodukte sind nicht maßgenau und haben zudem meist eine raue Oberfläche. Zum Teil liegt dies an den Gießverfahren. Zum größten Teil ist aber ein charakteristisches Merkmal von Metallen dafür verantwortlich: Beim Erstarren schwinden die Volumen.
Kaum einhaltbare Endmaße
Das Schwinden von Metallen lässt sich nur mit einer großen Toleranz in die Endform mit einkalkulieren. Technisch belastbare und in einem Verbund aus anderen mechanischen Komponenten eingebaute Komponenten werden deshalb nur selten durch Urformen hergestellt.
Bestenfalls Haltestücke oder Gehäuse, welche keine Aufgaben in der Übertragung von dynamischen Kräften besitzen, können durch Urformen hergestellt werden. Für alle weiteren Toleranzwünsche sind Umformungs- und Zerspanungsverfahren notwendig.
Dem stellt sich aber ein weiterer Umstand in den Weg, welcher mit dem Gießen von Metall häufig einher geht: Dem Bilden von Poren.
Klassifikation von Poren
Poren entstehen, wenn Metall erstarrt. Es sind Blasen, die sich im Metall bilden und dort vom erstarrenden Werkstoff umschlossen werden. Das ist mehr oder weniger unvermeidlich. Sie treten aber an der Oberfläche häufiger auf und nehmen zum Inneren des Werkstoffs immer weiter ab.
Es ist umso wichtiger, die Poren möglichst genau zu klassifizieren, um das Material entsprechend für die Bauteile auszulegen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen mikroporösen und makroporösen Oberflächen.
Für die genaue Klassifizierung kommt es aber zunächst auf die Beanspruchungsart an, mit welcher das Bauteil beaufschlagt werden soll.
Die Beanspruchungsart „S“ bezeichnet alle statisch, also ruhend beanspruchten Bauteile. Die nach dem Einbau vorherrschenden Kräfte in dem Bauteil ändern sich bis zu seiner Demontage nicht mehr. Dies ist die übliche Beanspruchungsart für Stützen, Kragarme, Festlager usw.
Die Beanspruchungsart „D“ bezeichnet alle dynamisch beanspruchten, als bewegten Bauteile. Die auf ihnen wirkenden Kräfte wechseln ständig und damit auch die Spannungen, welche durch das Bauteil führen. Diese Beanspruchungsart ist wesentlich verschleiß fördernder als die Beanspruchungsart „S“.
Die Beanspruchungsart „F“ ist Bauteile mit Beanspruchungen an den Kontaktflächen zu anderen Bauteilen, den sogenannten „Funktionsflächen“
Die letzte Art der Beanspruchung trägt den Buchstaben „G“. Sie ist für unbestimmte oder nicht definierte Lastfälle gedacht.
Die Porosität wird für die Beanspruchunsgklassen G, S, und D in Prozent angegeben. Für die Beanspruchungsklasse F wird die Anzahl von Poren auf einer definierten Bezugsfläche angenommen.
Darüber hinaus gilt auch der Durchmesser bzw. der Mittelwert vom Durchmesser aller Poren auf einer Vergleichsfläche als Qualitätsmerkmal der Porosität. Anhand dessen lassen sich die Porenklassen voraus bestimmen.
Zusatz zu den Porenklassen
Die Porenklassen müssen von den Lastfällen ausgehend eingeschätzt werden. Je poröser ein Bauteil ist, desto weniger lässt es sich dynamisch belasten. Um die Porenklassen näher einzugrenzen, wurden die Zusatzbedingungen eingeführt.
Zusatz AN: Mit diesem Kürzel wird der Abstand der Poren zueinander definiert
Zusatz M: Der „Mitte der Bauteilwandung“ bezeichnete Zusatz M ist wichtig, wenn sich im Kernwerkstoff Porennester befinden.
Zusatz C: Mit C werden Anhäufungen von Material bezeichnet.
Zusatz R: Dieser Zusatz bezieht sich auf den Kernbereich der Bauteilwandung
Zusatz Pn: Hierbei wird die Porengröße betrachtet.
Die Zusätze können beliebig aufaddiert werden. Mehr als fünf Zusätze sind zur Bestimmung von Porenklassen aber nicht üblich.
Porenklassen in der Praxis
Typische Porenklassen sind Buchstaben- und Zahlenkombinationen, welche anhand der Parametrierung interpretiert werden können.
Beispiel: Porenklasse F5/3,5/a0,6/P0,7
Dies bedeutet folgende Klassifizierung gemäß der Porenklassen:
- Ein Bauteil hat besondere Anforderungen an der Funktionsfläche
- Das Bauteil hat maximal fünf definierte Poren auf der festgelegten Bezugsfläche
- Die maximal zulässige Größe einer Einzelpore beträgt 3,5 Millimeter im Durchmesser
- Der mindeste Abstand zwischen zwei Poren beträgt 0,6 mal den Abstand der kleinsten Pore
- Poren bis zu einem Durchmesser von 0,7 Millimeter bleiben unberücksichtigt
Mit Hilfe dieser Porenklassen, den charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs, der Geometrie des Bauteils und schließlich seiner berechneten Spannungen lässt sich sehr exakt definieren, wie es sich im Einsatz verhält.
Damit ist die Klassifizierung eines Bauteils in Porenklassen ein wichtiger Bestandteil der Qualitätsmessung.
Die heute verfügbaren Verfahren können diese Aussagen sehr genau bestimmen. Gebräuchliche Werkzeuge zur Bestimmung der Porenklassen sind das Mikroskop und das Ultraschallgerät.
