Könnten synthetische Quarzgussteile die Maschinenleistung verbessern?

Terry Capuano, PE | 12. Mai 2023

Für die Hauptgrundstrukturen von Werkzeugmaschinen, Messgeräten und Bestückungsgeräten werden traditionelle Materialien wie Gusseisen, Stahlschweißteile sowie Edelstahl- und Aluminiumgussteile verwendet. Chip-Bonder setzen der Genauigkeit dieser Geräte aufgrund ihrer mangelnden Stabilität und hohen Vibrationsübertragungseigenschaften Grenzen. Der bevorzugte Ersatz für diese Materialien sind Verbundgussteile aus synthetischem Quarz (SQ). Maschinen aller Art werden umgestaltet, um Metallstrukturen durch SQ-Gussteile zu ersetzen, um Kosten zu senken, Durchlaufzeiten zu verkürzen, die Maschinenleistung zu verbessern, Lackierarbeiten zu vermeiden, die Beständigkeit gegen aggressive Kühlmittel zu verbessern und den Energieverbrauch zur Herstellung der Struktur zu senken. Diese Gussteile werden auch anstelle von Edelstahl für die Lebensmittelverarbeitung und chemische Pumpensockel verwendet.

Es dauerte 20 Millionen Jahre, um hochreinen Quarz mit einer MOHS-Härte von 8 herzustellen. Dieser Quarz macht 92 % einer typischen SQ-Mischung aus. Der Rest des Verbundwerkstoffs besteht typischerweise aus einem hochfesten flüssigen Harz wie Epoxidharz, Polyurethan oder Methylmethacrylat mit Zusätzen zur Aggregathaftung und Luftabscheidung.

SQ-Gussteile verbrauchen bei der Herstellung insgesamt 85 % weniger Energie als Gusseisen und kosten weniger, und sie können oft innerhalb weniger Tage innerhalb der Endtoleranzen hergestellt werden. Sie sind farbig vergießbar und bieten eine hervorragende chemische Beständigkeit. Die überlegenen Vibrationsdämpfungseigenschaften von SQ-Gussteilen ermöglichen den Betrieb von Maschinen bei höheren Geschwindigkeiten, größerer Genauigkeit und einem geringeren Geräuschpegel.

Es gibt empirische Berichte über eine um 30 bis 50 % längere Lebensdauer von Schneidwerkzeugen/Schleifscheiben. Eine längere Lebensdauer des Schneidwerkzeugs bedeutet weniger Ausfallzeiten und niedrigere Werkzeugkosten für den Endbenutzer. Ein schneller Werkzeugverschleiß kann dazu führen, dass während eines Produktionslaufs Teile außerhalb der Toleranz bearbeitet werden. Oberflächenbeschaffenheit, Toleranz, Produktionsgeschwindigkeit und Werkzeuglebensdauer des bearbeiteten Teils stehen in direktem Zusammenhang mit der Stärke der im System übertragenen Vibrationen.

SQ-Gussteile sind mit einer typischen Produktionszeit von Tagen kostengünstiger in der Herstellung, da sie häufig mit Fertigtoleranzen gegossen oder anschließend mit sehr genauen Toleranzen reproduziert werden können. Sie können in Farbe gegossen werden, wodurch das Lackieren und die vielen damit verbundenen EPA-Farbvorschriften entfallen.

SQ-Guss ersetzte einen 36 Zoll x 72 Zoll x 6 Zoll großen Aluminiumguss zum halben Preis, wurde auf eine Ebenheit von 0,001 Zoll gegossen und die Vorlaufzeit wurde von 3 Monaten auf 1 Woche verkürzt.

Zu den Merkmalen korrekt hergestellter SQ gehören:

Obwohl SQ-Gussteile aus Methylmethacrylat (Acryl)-Urethan oder Harzen hergestellt werden können, ist Epoxidharz das am häufigsten verwendete Harzsystem. Epoxid bietet eine hohe Festigkeit und hervorragende Langzeitstabilität und ist einfach zu handhaben. Es kann auch in Anwendungen mit Lebensmittelkontakt als Ersatz für Edelstahl verwendet werden.

Epoxidharz ist eine stöchiometrische Formulierung und erfordert eine genaue Dosierung des Harzes zum Härter. Eine unsachgemäße Mischung mit zu viel oder zu wenig Härter kann dazu führen, dass die Masse jahrelang ungehärtet bleibt. Es ist auch wichtig, das richtige Epoxidharzsystem hinsichtlich Viskosität, Aushärtegeschwindigkeit, Stabilität, Festigkeit und Kosten auszuwählen. Die Formulierung kann geändert werden, um eine sehr schnelle Aushärtung zu ermöglichen, oder beim Gießen einer großen Masse auf mehrere Stunden verlangsamt werden, um die Exotherme zu reduzieren.

Chip-Bonder-Basen mit einer Ebenheit von 0,001 Zoll und einer Senkrechten zu einer Seite innerhalb von 0,001 Zoll.

Um die richtige SQ-Mischung zu erzeugen, muss das System Folgendes berücksichtigen:

Das erste, was ein Konstrukteur tun muss, ist, nahezu jede Faustregel zu vergessen, die er über die Konstruktion von Maschinenstrukturen kennt. Sie sollten frei darüber nachdenken, welche Funktionen die beste Struktur für ihre Anwendung ergeben würden. Und sie sollten nicht länger auf konstante Wandstärken angewiesen sein. Die Wandstärke kann im gleichen Bereich zwischen 1 und 12 Zoll liegen, ohne dass es zu negativen Folgen kommt. In den Sockel können Kunststoffschläuche oder Hydraulikleitungen eingegossen werden, so dass am Montageband keine um den Sockel herum verlaufenden Leitungen mehr entstehen.

Form mit 161 Vakuumleitungen, die in das Teil eingegossen sind.

Eines der anspruchsvollsten Teile, die jemals gegossen wurden, ist eine 270°-Trommel mit 18 Zoll Durchmesser und elf 1 mm tiefen Vakuumrillen. (Siehe Bild oben auf der Seite.) Dieses Gussstück hat einen TIR von 0,001 auf der Bohrung. Die Vakuumnuten enden 25 mm vor jedem Ende, sodass das Werkzeug aus dem Teil herausgezogen werden muss – es kann nicht herausgedreht werden. Jede Vakuumnut tritt an der Rückseite des Gussteils in einen Verteiler aus. Teile können in zwei Tagen hergestellt werden, die als Gusseisen- oder Aluminiumgussteil mehrere Monate dauern würden, und der SQ-Guss kostet nur einen Bruchteil jeder anderen Methode.

Teile, die als Metallteile getrennt werden müssen, können jetzt möglicherweise als Ganzes gegossen werden, was Montagezeit spart, aber auch die erforderliche Toleranz der Komponenten verringert.

Das andere Konstruktionsmerkmal, das nur mit dieser Technologie verfügbar ist, ist die Möglichkeit, Teile mit Toleranzen zu gießen. Oberflächen können auf präzise Ebenheit, Lochdurchmesser und Positionen gegossen werden. Sobald eine Form verifiziert wurde, bleiben die Gussabmessungen stets gleich, sodass die Inspektion reduziert wird. Way-Oberflächen können sogar mit Toleranzen gegossen oder präzise nachgebildet werden.

Bei Gewindelöchern handelt es sich um eingegossene Gewindeeinsätze. Gewindelöcher können nicht übersehen oder ausgeschraubt werden, da jeder Gewindeeinsatz durch Einsetzen einer Schraube in der Gussform gehalten wird, um in das Teil gegossen zu werden.

Ein weiteres einzigartiges Merkmal von SQ ist die Möglichkeit, Oberflächen mit unterschiedlichen Eigenschaften im selben Guss zu gießen. Ein Schleifmaschinenhersteller gießt beim Gießen des Teils reibungsarme Laufflächen auf seinen Querschlitten. Diese Oberfläche bietet einen hervorragenden Langzeitverschleiß und eine sehr geringe Reibung.

Schleiferbasis mit linearen Schienenoberflächen der X- und Y-Achse, die auf 0,0001 Zoll/Fuß reproduziert sind.

Entwässerungssysteme können mit handelsüblichen PVC-Rohren eingegossen werden. Zur Gewichtsreduzierung können Schaumstoffkerne eingegossen werden, ohne dass sich dies auf die Steifigkeit auswirkt. Aufgrund der hervorragenden chemischen Beständigkeit von SQ können Tanks als Teil der Baugruppe gegossen werden und SQ kann in vielen Anwendungen anstelle von Edelstahl verwendet werden.

Teile, die nicht innerhalb der Toleranz gegossen werden können, können nach dem Gießen durch Replikation Präzisionsoberflächen erhalten. Dabei entsteht ein präziser Master, der zur Erstellung der Präzisionsoberfläche verwendet wird. Anschließend wird das Replikationsmaterial aufgetragen und die präzise Vorlage in einem voreingestellten Abstand zum Gussstück positioniert. Nach der Aushärtung, in der Regel 24 Stunden, wird der Master entfernt und die erzeugte Oberfläche ist eine exakte Kopie des Masters. Dabei kann es sich um eine Präzisionsoberfläche für Montageschienen oder eine reibungsarme Oberfläche für den direkten Kontakt mit einem beweglichen Schlitten handeln.

Die folgende Tabelle zeigt die grundlegenden Eigenschaften des Materials CASTINITE HS Standard Mix SQ:

SQ-Gussteile werden bei Raumtemperatur und Druck hergestellt, sodass Formen aus Holz, Glasfaser, Blech, Stahl oder Kunststoff hergestellt werden können. Holzformen sind am kostengünstigsten, können jedoch ohne einen zweiten Arbeitsgang keine präzisen Teile herstellen. Wenn Holzformen richtig entworfen, hergestellt und behandelt werden, können daraus zahlreiche Gussteile hergestellt werden. Wenn sie nicht richtig konstruiert oder beim Gießen nicht richtig gehandhabt werden, ergeben sie ein einziges schlechtes Teil.

Holzform (links) für 45.000-Pfund-LB-Schleifbasis (rechts).

Um eine große Menge präziser Gussteile mit engen Toleranzen herzustellen, sind Stahlproduktionswerkzeuge erforderlich. Mit richtig konstruierten Stahlformen können Teile ohne Nachbearbeitung mit Toleranzen gegossen werden, die Produktionszeiten werden kürzer und die Teile weisen eine viel bessere Oberflächengüte auf.

SQ-Gussteile werden in vielen anderen Anwendungen eingesetzt, darunter Arbeitsplatten, Grabsteine, Grabenabläufe und chemische Pumpensockel. Die NASA hat sie für den Einsatz als Energiespeicher getestet.

Wenn Sie Ihre Kosten senken, Ihren CO2-Fußabdruck verringern und die Leistung Ihrer Maschine verbessern möchten, ist SQ möglicherweise die Antwort.

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