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Aus einem GUSS


Maschinen im Modellbau - epaper ⋅ Ausgabe 6/2019 vom 09.10.2019

Vor ein paar Jahren ging es bei meinem Kollegen und mir in einem Mittagspausengespräch wieder einmal um Flugmodelle und passende Motoren. Er hatte gerade zu seiner Me 108 und Me 109 noch eine Me 209 im Maßstab 1:4 gebaut. Da alle diese Flugzeuge im Original mit V-Motoren ausgerüstet waren, kamen wir auf die Idee, auch die Modelle mit V-Motoren auszustatten und diese dafür selbst zu bauen.


Walter Schimmer

Artikelbild für den Artikel "Aus einem GUSS" aus der Ausgabe 6/2019 von Maschinen im Modellbau. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Maschinen im Modellbau, Ausgabe 6/2019

Das 2-Zylinder-Kurbelgehäuse (Trennflächen und Verschraubung sind bearbeitet) ist montiert und bereit zur Fertigbearbeitung


Einzelplatte für Schichtmodell wird aus einer 10 mm dicken MDF-Platte ...

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... ausgefräst


Die Motoren sollten von Gewicht und Größe so ausgelegt sein, dass diese in ein 1:3,5- bis 1:4-Modell passen und die 25-kg-Grenze (die für einen Einsatz ohne großes Prüfungsverfahren nötig ist) der Modelle gehalten werden konnte. Schnell war klar, dass es 2-Takter werden müssen und dass es zwei unterschiedliche Baugrößen geben muss. Wir entschieden uns für einen 2-Zylinder Saugmotor mit 100 cm³ und für die Me 209 oder eine noch zu bauende große Me 109 für einen 4-Zylinder mit 200 cm³ und Roots-Lader. Mein Kollege konstruierte den 4-Zylinder- und ich den 2-Zylindermotor. Die Konstruktionen dafür waren bald fertig und nun ging es daran die Einzelteile zu fertigen. Ich fing mit dem Kurbelgehäuse des V2 an. Dabei stellte sich schnell heraus, dass der Zeitaufwand um die Gehäuseteile aus dem „Vollen“ zu fräsen, mit der vorhandenen Wabeco NC-Fräsmaschine doch sehr groß würde. Da wir planten, mehrere Motoren zu bauen, entschlossen wir uns, sämtliche Gehäuseteile zu gießen. Beruflich bedingt, war der konstruktive Teil dabei nichts neues, flüssiges Aluminium in eine selbstgebaute Form zu gießen, schon eher.

Modellbau

Bevor man ans Gießen denken kann, muss natürlich erst einmal ein Modell des Gussstückes hergestellt werden. Da wir unsere CAD-Modelle der Gehäuseteile schon mit Formschrägen versehen hatten, weil das auch für das Abzeilen aus dem Vollen von Vorteil ist, mussten wir nur noch die Bearbeitungszugaben und das für Aluminium erforderliche Schwundmaß einarbeiten.

Alle Platten des Schichtmodells sind ausgefräst und zum Verleimen bereit


Fertig abgezeiltes Gussmodell


Formplatte Kurbelgehäuse-Oberteil 2-Zylinder mit aufgestecktem Angusskanal (links) und Steiger (rechts). Die Schrauben dienen zum leichteren greifen der Kanäle nach dem einstampfen im Formsand


Als Werkstoff für die ersten Gussmodelle haben wir MDF-Platten mit 10 mm Dicke ausgewählt, da diese leicht zu bearbeiten sind und eine sehr gute Druckfestigkeit aufweisen. Reststücke davon gibt es im Baumarkt für ein paar Euro. Unsere CAD-Modelle haben wir entsprechend der Plattendicke in 10-mm-Ebenen geschnitten und die Schnittkonturen für die Programmierung der Fräsmaschine verwendet. So wurden nun die einzelnen Schichten für die Gussteilrohlinge mit etwas Aufmaß aus den MDF-Platten ausgefräst. Jede Platte wurde außerdem mit zwei 8er-Bohrungen für Holzdübel versehen. Diese positionieren die einzelnen Schichten des Modells beim Verleimen zueinander. Die unterste Platte bekam zwei zusätzliche Bohrungen, welche als Positionsbezug beim 3D-Abzeilen und bei der Montage auf der Formplatte benutzt wurden. Die einzelnen Schichten haben wir mit wasserfestem Holzleim verleimt. Der ausgehärtete Rohling konnte nun auf der Wabeco-Fräsmaschine positioniert und die Oberfläche mit einem Kugelfräser abgezeilt werden. Um die materialbedingt etwas faserige Oberfläche des Gussmodells zu glätten, wurde diese zweimal mit Epoxidharz dünn gestrichen und die nach dem ersten Anstrich immer noch abstehenden Fasern mit feinem Schleifpapier entfernt.

Alternativ dazu wurden andere Modelle aus UREOL gefräst. Das Material ist in verschiedenen Materialdichten im Handel und ab einer Dichte von 0,7 kg/dm³ für den Gussmodellbau geeignet. Dabei gilt, je höher die Dichte, desto höher die Druckfestigkeit und der Preis. UREOL hat aber auch den Vorteil, dass es noch besser zu fräsen ist als MDF und dass es so gut wie keiner Nachbehandlung bedarf. Lediglich die beim Abzeilen durch den Kugelfräser entstehenden Riefen müssen geglättet werden.

Für jedes Gussmodell wird ein Angusssystem, welches aus mindestens einem Angusskanal und einem Steiger besteht, benötigt. Beim 2-Zylinder-Motorgehäuse war der Angusskanal in das Modell integriert und Anguss und Steiger über Stifte an diesem fixiert. Anguss und Steiger sollten einen möglichst großen Querschnitt aufweisen und mit einer großen Formschräge (3-5°) versehen sein.

Formplatte Kurbelgehäuse-Innenraum 2-Zylinder aus MDF-Platten mit Stift/ Bohrungsfixierung zum Formrahmen


Formrahmen mit Führungsleisten und Exzenterhebel


Bau der Formkästen

Der nächste Schritt war der Bau der Formkästen. Diese bestehen jeweils aus einem Rahmen und einer Boden/Formplatte. Bei uns wurde das Gussmodell mittels der oben erwähnten Positionsbohrungen auf der Form- platte ausgerichtet und befestigt. Das Modell für den Innenraum des Kurbelgehäuses wurde gleich in die Formplatte eingearbeitet, deshalb besteht diese auch aus mehreren Schichten der erwähnten MDF-Platten. Die Formplatte wiederum muss mittels Stift/Bohrung am Rahmen positioniert werden (siehe Bilder). Die Rahmen der Formkästen wurden aus 18 mm dicken Siebdruckplatten angefertigt. An den Formkästen habe ich seitlich noch Führungsleisten und an den Stirnseiten jeweils einen Exzenterhebel angebracht. Diese helfen, die Formplatte inklusive Modell später genau senkrecht aus der Sandform abheben zu können, ohne die Sandform dabei zu beschädigen.

Der noch nicht mit Sand gefüllte Formkasten mit Urmodell sowie Angusskanal und Steiger


Sandform herstellen

Eine Gussform besteht immer aus zwei Sandformen, welche über die Stift/Bohrungs-Fixierung der Formrahmen zueinander positioniert werden. Die beiden Sandformen, wie z. B. Außen- und Innenseite des Kurbelgehäuseoberteiles, müssen ja exakt ineinander passen, damit eine gleichmäßige Wandstärke des Gussteiles gewährleistet wird.

Nachdem Formplatte und Rahmen zusammengesteckt sind, wird das Modell mit Talkum bepinselt oder bestreut. Das Talkum fungiert als Trennmittel zwischen Modell und Sandform. Danach werden noch Angusskanal und Steiger auf das Modell aufgesteckt. Jetzt kann mit dem eigentlichen Einformen begonnen werden. Wir haben dazu feinen Ölformsand verwendet, welchen man sich im Internet bestellen kann. Die erste Schicht Formsand wird auf dem Modell verteilt und festgedrückt. Danach kann der gesamte Formkasten schichtweise gefüllt werden. Bei jeder neuen Schicht muss der Sand gleichmäßig festgestampft werden. Dabei sollten die Schichten nicht zu dick sein. Je sorgfältiger man bei diesem Arbeitsschritt vorgeht, desto porenfreier legt sich der Sand am Modell an und umso besser wird später die Oberfläche des Gussstückes. Wenn der Formkasten komplett gefüllt ist, wird noch ein kleiner Trichter um den Angusskanal ausgekratzt. Das erleichtert später das Eingießen des flüssigen Aluminiums. Nun können Angussund Steigerkanal vorsichtig aus der Sandform entfernt werden.

Sandform Gehäuseoberteil mit Angusskanal (rechts) und Steiger (links)


Sandform Gehäuse-Innenraum


Bei der zweiten Formhälfte geht man in gleicher Weise vor. Hier ist es etwas einfacher, da diese weder Anguss noch Steiger braucht. Wenn beide Formhälften vollständig gefüllt und gestampft sind, werden sie umgedreht und es geht an den kniffligsten Teil der Arbeit, nämlich das Entfernen der Formplatten mit den Gussmodellen. Diese müssen nun möglichst senkrecht und gleichmäßig abgehoben werden, damit die Oberfläche des Sandabdruckes nicht verletzt wird. Ich habe dazu die oben erwähnten Exzenterhebel und Führungsleisten am Formrahmen angebracht. Man kann sich aber auch mit vier Keilen behelfen, welche man an den Ecken gleichmäßig zwischen Formplatte und Formkasten einschiebt. Nachdem die Formplatte ca. 2 cm vom Rahmen abgehoben ist, kann man diese (immer noch möglichst senkrecht) komplett abnehmen. Nun sollte ein unbeschädigter Sandabdruck des zu gießenden Teiles vor einem liegen. Eventuell vorhandene scharfe Übergangskanten zwischen Anguss/ Steiger und Modellabdruck können noch vorsichtig gerundet und lose Sandkörner durch ausblasen entfernt werden. Nun werden beide Formhälften zusammengesteckt. Die vorher schon verwendete Stift/Bohrungsfixierung dient dabei wieder zur Positionierung der beiden Formrahmen zueinander. Die Gießform ist nun für den Guss bereit.

Fertiges Gussteil 2-Zylinder-Kurbelgehäuse unten


Fertiges Gussteil 2-Zylinder Kurbelgehäuse oben


Bearbeitung des Gussteils


2-Zylinder Kurbelgehäuse fertig bearbeitet


Abguss, Lösungsglühen und Auslagern

Nachdem nun die fertige Sandform bereitliegt, geht es ans Schmelzen des Aluminiums. Für die ersten Gießversuche haben wir ein paar vorhandene alte Gehäuseteile zerschnitten und eingeschmolzen. Später haben wir uns bei einer Gießerei ein paar Stangen Rohmaterial gekauft. Alternativ könnte man auch auf Gießereiabfälle (nach dem Guss abgetrennte Angusssysteme oder Ausschussteile etc.) zurückgreifen. Man sollte nur darauf achten, immer mit derselben Legierung zu arbeiten. Wir verwenden für die Gehäuseteile immer AlSi10Mg. Zum Schmelzen des Materials wurde ein gebrauchter Laborofen mit Temperaturregelung bei ebay ersteigert, welchen wir auch zum Lösungsglühen und Auslagern der fertigen Gussteile verwenden können.

Ans Gießen selbst muss man mit besonderer Vorsicht herangehen, man arbeitet hier schließlich mit 700°C heißem Aluminium.Es ist unbedingt darauf zu achten, dass keinerlei brennbare Gegenstände in der Nähe sind und dass man sich selbst durch geeignete Arbeitskleidung schützt! Der Schmelztiegel muss so ausgeführt sein, dass man einen entsprechend langen Griff abrutschsicher aufstecken kann. Dieser sollte mit einem Quergriff versehen sein, sodass man den Schmelztiegel immer mit beiden Händen kontrollieren kann. Unser Schmelztiegel hat hinter der Ausgussöffnung einen Quersteg, welcher die auf der Schmelze schwimmende Schlacke während des Gießvorgangs zurückhält. Der eigentliche Gießvorgang sollte nur in einem sehr gut beund entlüfteten Raum, am besten aber im Freien stattfinden, da ein Teil des im Formsand enthaltenen Öls verbrennt und es nicht unerheblich qualmt. Die Gussform wird nun über den Angusskanal solange zügig gefüllt, bis der Steiger komplett voll ist. Es darf dabei keine Schlacke in die Gussform gelangen. Ob der Guss gelungen ist, zeigt sich dann erst beim Ausformen.

Nach einer gewissen Abkühlzeit kann das fertige, aber immer noch sehr heiße Gussteil aus dem Sand befreit werden. Ist das Gussteil abgekühlt, werden Anguss und Steiger abgetrennt. Der nächste Schritt ist das Lösungsglühen der Bauteile (ca. vier Stunden bei 520-530°C) mit anschließendem Abschrecken in 20-50°C warmem Wasser und das 6-8-stündige Auslagern bei 160-170°C. Mit diesen Arbeitsschritten werden die Materialeigenschaften in Bezug auf Festigkeit und Verzugsarmut optimiert.

Mechanische Bearbeitung

Jetzt zahlt sich der Aufwand, welchen man mit der Herstellung der Gussteile betrieben hat, aus. Es sind nur noch die Funktionsflächen wie Gehäusetrennung, Lagersitze, sowie Gewinde und Schraubbohrungen zu bearbeiten. Wenn man mehrere Teile herstellen möchte oder einmal etwas bei der Bearbeitung danebengeht, hat man ja die Modelleinrichtung und kann relativ schnell einen neuen Abguss anfertigen.

Die Gussteile im Einsatz im Testmodell