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Der Ursprung des Metallgusses: Wie kann er bis zu alten Zivilisationen vor siebentausend Jahren zurückverfolgt werden?
Beim Gießen handelt es sich um einen Herstellungsprozess, bei dem ein flüssiges Material in eine Form mit einem Hohlraum der gewünschten Form gegossen und dann erstarren gelassen wird. Das ausgehärtete Teil wird als Guss bezeichnet und der Prozess wird durch Auswerfen oder Brechen der Form erreicht. Bei Gussmaterialien handelt es sich typischerweise um Metalle oder verschiedene Alterungsmaterialien, die nach dem Mischen von zwei oder mehr Komponenten aushärten; Beispiele hierfür sind Epoxidharz, Beton, Gips und Ton. Das Gießen wird am häufigsten zur Herstellung komplexer Formen eingesetzt, die mit anderen Methoden nur schwer und unwirtschaftlich herzustellen sind. Komponenten großer Maschinen, wie Werkzeugmaschinenbetten, Schiffspropeller usw., können problemlos auf die erforderliche Größe gegossen werden, ohne dass eine Herstellung durch Zusammenfügen mehrerer kleiner Teile erforderlich ist. Es ist erwähnenswert, dass die Geschichte des Gusses mehr als 7.000 Jahre zurückreicht, wobei der älteste Guss ein Bronzefrosch aus dem Jahr 3200 v. Chr. ist.
Verlauf
Seit der Antike wird Metallguss zur Herstellung von Werkzeugen, Waffen und religiösen Gegenständen verwendet. Die Geschichte und Entwicklung des Metallgusses lässt sich bis nach Südasien (China, Indien, Pakistan usw.) zurückverfolgen. Südasiatische Traditionen und Religionen basieren stark auf dem Guss symbolischer Statuen und Reliquien. Diese Artikel bestehen normalerweise aus einer mit Blei vermischten Kupferlegierung. Seit Beginn der Metallurgie werden die meisten Gussteile aus einfachen ein- oder zweiteiligen Formen aus Stein oder Keramik hergestellt. In vielen alten Zivilisationen gibt es jedoch Hinweise auf Wachsausschmelzverfahren. Das Wachsausschmelzverfahren hat seinen Ursprung im alten Mesopotamien. Die frühesten bekannten Aufzeichnungen über das Wachsausschmelzverfahren stammen aus Sparta, Babylon. Die für die Herstellung eines Schlüssels erforderliche Wachsmenge ist in der Literatur eindeutig dokumentiert.
Die frühesten Abgüsse wurden in offenen Steinformen hergestellt.
Es gibt zwei Methoden des Wachsausschmelzverfahrens: das direkte Wachsausschmelzverfahren und das indirekte Wachsausschmelzverfahren. Bei der direkten Formgebungsmethode wird das Wachsmaterial in ein Wachsmodell umgewandelt, das dem Guss von Hand oder mit anderen Werkzeugen entspricht, während bei der indirekten Formgebungsmethode das Wachsmodell durch eine Form hergestellt wird. Das Direktumformverfahren erfordert von den Handwerkern ein hohes technisches Niveau, da sonst die Qualität des Gusses nicht gewährleistet werden kann. Die Einschränkung der manuellen Direktumformung besteht jedoch darin, dass ihre Effizienz für eine Massenproduktion zu gering ist. In dieser Hinsicht hat das indirekte Formen Vorteile. Handwerker stellen typischerweise Modelle aus Stein, Holz, Ton oder anderen Kunststoffmaterialien her. Frühe Zivilisationen entdeckten, dass Blei dazu beitrug, geschmolzenes Kupfer flüssiger zu machen, was es ihnen ermöglichte, aufwändigere Designs zu gießen. Beispielsweise ist das tanzende Mädchen von Mohenjo-Daro ein Guss aus einer Kupferlegierung, höchstwahrscheinlich im Wachsausschmelzverfahren. Der Wachsausschmelzguss geht auf das Jahr 4000 v. Chr. oder die Kupfersteinzeit zurück. Das früheste Forschungsbeispiel dieser Technologie ist ein 6.000 Jahre altes Amulett aus der Industal-Zivilisation.
Die Entwicklung der Gusstechnologie
Indien gilt als eine der ersten Zivilisationen, die Prägemethoden zur Massenproduktion von Münzen einsetzte. Um das erste Jahrtausend v. Chr. bestanden die verwendeten Münzen aus Silber, doch im Laufe des Jahrtausends verlagerte sich das Münzmaterial nach und nach auf geprägte Kupferlegierungen. Die Entwicklung neuer Technologien ermöglichte die Massenproduktion neuer Kupfermünzen und die Einführung stapelbarer mehrteiliger Münzschablonen. Mehrere Formen werden übereinander gestapelt und in einen Zylinder aus Ton gelegt, sodass geschmolzenes Metall durch die Mitte gegossen werden kann und den offenen Raum füllt und verfestigt. Dieses Verfahren ermöglichte die gleichzeitige Herstellung von hundert Münzen.
Im Nahen Osten und in Westafrika wurde die Wachsausschmelztechnologie schon recht früh in der metallurgischen Tradition eingesetzt, während China die Technologie relativ spät übernahm. Im Vergleich zur Industal-Zivilisation gilt der Einsatz der Wachsausschmelztechnologie in Westeuropa als sehr begrenzt. In Anyang wurden während der Shang-Dynastie (1600–1040 v. Chr.) keine echten Wachsausschmelzgussteile gefunden, wohl aber eine große Anzahl (100.000 Stück) Gussfragmente. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass in der Hauptstadt der Dynastie kein Wachsausschmelzverfahren praktiziert wurde. Der Fund einer aus Feinguss hergestellten Maske aus der Zeit um 1300 v. Chr. deutet jedoch darauf hin, dass die Wachsausschmelztechnik möglicherweise Auswirkungen auf andere Gebiete Chinas hatte. Historiker diskutieren über die Ursprünge der Artillerieentwicklung, die meisten Beweise deuten jedoch auf Türkiye und Zentralasien im 18. und 19. Jahrhundert hin.
Vielfalt der Gießtechnik
Bei der Metallbearbeitung wird Metall in einen flüssigen Zustand erhitzt und dann in eine Form gegossen. Die Form ist ein Hohlraum, der die gewünschte Form enthält und Zufuhr- und Austrittskanäle enthält, die den Metallfluss in die Form ermöglichen. Sobald die Form und das Metall abgekühlt sind, verfestigt sich das Metall. Anschließend wird das erstarrte Teil (Guss) aus der Form entnommen und in weiteren Arbeitsgängen überschüssiges Material entfernt, das während des Gussprozesses entstanden ist.
Der Gießprozess von Metallen wie Roheisen und Aluminium hat sich im Laufe der Zeit immer weiter verbessert, und die Weiterentwicklung der Technologie hat die Entwicklung der Industrie vorangetrieben.
Darüber hinaus können Materialien wie Gips, Beton und Kunststoffharze auch mit Einweg-Schrottformen oder Mehrzweck-Blechformen gegossen werden. Die Oberfläche des Gussstücks ist in der Regel flach und undurchsichtig, und häufig werden Oberflächenbehandlungstechniken eingesetzt, um das Erscheinungsbild zu verbessern. Während des Gießvorgangs können bestimmte chemisch hergestellte Kunststoffharze mit Steinpulver gemischt werden, um Farbe zu verleihen, wodurch häufig die Wirkung von natürlichem Marmor oder Travertin simuliert werden kann. Mit der Verbesserung der Technologie entwickelt sich der Gussprozess weiter und erreicht eine beispiellose Designgenauigkeit.
In der heutigen Industrie nutzen Simulationen von Gussprozessen numerische Methoden zur Berechnung der Gussbauteilmasse unter Berücksichtigung von Formfüllung, Erstarrung und Abkühlung, sodass die mechanischen Eigenschaften und thermischen Spannungen des Gussstücks im Voraus quantifiziert und Verformungen vorhergesagt werden können. Diese Technologie ermöglicht eine genaue Charakterisierung der Qualität von Gussteilen vor Produktionsbeginn. Mit der Weiterentwicklung der Technologie ist die Simulation von Gussprozessen zu einer der wichtigsten Innovationen in der Gusstechnologie geworden und spart Zeit und Kosten im gesamten Gussherstellungsprozess.
Dieser Brief behandelt die Geschichte und Technologie des Metallgusses. Die Entwicklung von der alten Handwerkskunst zur heutigen fortschrittlichen Technologie lässt uns fragen, wie die zukünftige Gusstechnologie unser Leben und die industrielle Fertigung verändern wird.
