Metallstøping

Metallstøping går ut på å lage en metalldel ved å helle flytende metall i en hul die med ønsket form. Prosessen er ferdig når metallet har størknet og kjølt seg ned og delen tatt ut ved enten å separere eller knuse formen. Støping brukes ofte for å produsere kompliserte former som ellers ville vært vanskelig eller uøkonomiske å lage ved hjelp av andre metoder.

Metall i flytende tilstand før støping.

Støping av jern i en sandform.

Støpeprosessen har vært kjent i flere tusen år, og er mye brukt for å lage skulpturer i bronse, smykker i edelmetaller, våpen og verktøy. Tradisjonelle teknikker inkluderer forsvunnet voks-støping og støping med gips- eller sandform.

Moderne støpeprosesser er delt inn i de to hovedkategoriene gjenbrukbar og ikke-gjenbrukbar støping, videre etter støpemateriale som for eksempel sand eller metall, og fyllemetode som ved hjelp av tyngdekraft, vakuum eller lavtrykk.

Ikke-gjenbrukbar formstøping

Ikke-gjenbrukbar formstøping er en gruppe støpeprosesser hvor man benytter midlertidige, ikke-gjenbrukbare former. Man kan bruke enten sand, plast, betong, gips eller en «investering» (forsvunnet- eller fortapt-voks teknikk).

Sandstøping

Sandstøping er en av de mest populære og enkleste typene støping, og har blitt brukt i flere århundrer. I motsetning til støping med permanente former egner denne metoden seg bra for å lage mindre partier av deler til en veldig lav pris. Det kan støpes i størrelse fra deler som passer i hånden til togskinner. Sandstøping kan gjøres med de fleste metaller avhengig av hvilken type sand som brukes i formen.

For høyproduksjon krever sandstøping en ledetid fra noen dager til kanskje uker (1-20 deler i timen/ per støpeform) og er uovertruffen for produksjon av større deler. Grønnsand (fuktig sand) har nesten ingen vektgrenser, mens tørrsand har en praktisk øvre grense på 2300–2700 kg per del og minimum 75-100 gram per del. Sanden bindes sammen enten ved hjelp av leire, kjemiske forbindelser eller polymeriserte oljer (som motorolje). Som regel kan sanden gjenbrukes mange ganger og krever lite vedlikehold.

Gipsformstøping

Gipsformstøping ligner på sandformstøping, bortsett fra at man istedenfor sand bruker gips som så herdes (engelsk: «plaster of Paris»). Generelt tar det under en uke å lage formen, og produksjonsraten er deretter 1-10 enheter/ per time, for deler i størrelse fra 30 gram opp til 45 kg med svært god overflatefinish og trange toleranser. For komplekse deler er gipsform-støping er et rimelig alternativ til andre støpeprosesser grunnet den relativt lave kostnaden for gips, og mulighetene for å produsere støpinger som er svært nær ferdig resultat gjør at det kreves lite etterarbeid. Den største ulempen er at metoden bare kan brukes til metaller med lavt smeltepunkt som er ikke-ferrøse, eksempelvis aluminium, kobber, magnesium og sink.

Skallstøping

Skallstøping ligner på sandstøping, men hullformen lages ved hjelp av et hardt skall av sand istedenfor en kolbe fylt av sand. Sanden som brukes er finere enn ved sandstøping, og blandes med harpiks som varmebehandles for å få et hardt skall rundt sandformen. Dette gir en mye finere overflatefinish på grunn av den finere sanden og harpiksen. Prosessen kan lett automatiseres og er mer presis enn sandstøping. Vanlige metaller som støpes er jern, aluminium, magnesium og kobberlegeringer. Prosessen er ideell for komplekse former med liten eller medium størrelse.

Investeringsstøping

Investeringsstøping (engelsk: Investment casting, også kjent som forsvunnet-voks støping innen kunst) er en prosess som har blitt utøvd i flere tusen år, og er en av de eldste kjente metodene for å forme metall. For 5000 år siden brukte man bievoks for å lage formene, mens man i dag bruker høyteknologiske vokser, materialer eller spesiallegeringer, og kan dermed lage høykvalitetsdeler med god nøyaktighet.

Investeringsstøping har fått navnet sitt fra det faktumet at støpemodellen blir «investert», eller omringet, av at et refraktert materaile. Voksmønsteret krever ekstrem nøyaktighet ettersom de ikke er sterke nok til å motstå kreftene mens man lager formen. En av fordelene med investeringsstøping er at voksen kan brukes på nytt.

Prosessen er passende for produksjon av nesten-ferdige deler som skal repeteres, og brukes for mange forskjellige metaller og høytelseslegeringer. Selv om metoden generelt brukes for små deler, har metoden også blitt brukt for å produsere komplette dørrammer til fly, stålstøpinger opp til 300 kg og støpinger av aluminium opp til 30 kg. Sammenlignet med andre støpemetoder som diestøping og sandformstøping kan investeringsstøping være en dyr prosess. Imidlertid kan man produsere intrikate konturer, og i de fleste tilfeller deler som er nesten-ferdige, og som dermed krever lite eller ingenting av arbeid for å ferdigstille produktet etter støping.

Avfallsstøping av gips

En midlertidig gipsmodell blir ofte brukt som et steg mot produksjon av en bronseskulptur eller som en pekepinn på hvordan en modell vil se ut hugget i sten. En ferdig gipsmodell er mer hardfør (hvis den blir lagret innendørs) enn en modell av leire som må holdes fuktig for å unngå sprekkdannelser. Ettersom gips er relativt rimelig kan bronsestøping eller stenhugging dermed utsettes til man har fått finansiert skulpturen. Overgangen fra gipsmodell til ferdig skulptur kan derfor sees på mer som en teknisk enn en kunstnerisk prosess, og kan i noen tilfeller faktisk utsettes til etter kunstnerens død.

Med avfallsstøping brukes en enkel og tynn gipsform forsterket med sisal eller sekkvev som legges utpå den originale leirmodellen. Når den størknede gipsmodellen fjernes fra leiren vil fine detaljer i leiren ødelegges, men går over til gipsformen. Den nye negativ-formen kan på et senere tidspunkt (men bare en gang) brukes til å lage en ny positiv gipsmodell identisk til den originale leirmodellen. Gipsoverflaten kan så ytterligere raffineres, males eller vokses for å etterligne et ferdig bronsestøp.

Fordampingsmønster støping

Dette er en klasse av støpeprosesser som bruker mønstermaterialer som fordamper mens man støper, som betyr at man ikke trenger å fjerne modellmaterialet fra formen før man støper. Det er hovedsakelig to metoder, forsvunnet-skum støping og fullformstøping

Forsvunnet-skum støping

Forsvunnet skum-støping er en type fordampningsmønster støping som ligner investeringsstøping, bortsett fra at skum brukes istedenfor voks. Man utnytter skummens lave kokepunkt for å forenkle investeringsstøpingen ved at man ikke trenger å vokse formen.

Fullformstøping

Fullformstøping er en fordampningsstøping som kombinerer sandstøping og forsvunnet skum-støping. Den bruker skum av ekspandert polystyren som omgis sand, lik som sandstøping. Selve formen fordamper når flytende metall helles i formen.

Gjenbrukbar formstøping

Gjenbrukbar formstøping med permanentform.

Gjenbrukbar formstøping skiller seg fra ikke-gjenbrukbar støping ved at formene ikke må lages på ny for hver støping. Kategorien kan deles inn i minst fire forskjellige metoder: Permanent, die, sentrifugal og kontinuerlig støping. Disse formene for støping resulterer i forbedret repeterbarhet for delene, og kan levere industrielt nesten-ferdige deler.

Permanent formstøping

Permanent formstøping er metallstøping hvor man bruker gjenbrukbare former («permanentformer»), vanligvis laget av metall. Det er mest vanlig å bruke tyngdekraft for å fylle formen, men andre metoder som gasstrykk eller vakuum brukes også. En variasjon av tyngdekraftmetoden kalt slush støping gir hule støpinger. Vanlige støpemetaller er aluminum, magnesium, og kobberlegeringer. Andre materialer inkluderer tinn, sink, og blylegeringer, og jern og stål kan også støpes i grafittformer. Selv om såkalte permanentformer varer mer enn bare en støping har de fortsatt begrenset levetid før de slites ut.

Diestøping

Diestøping er en prosess hvor man lager støpeformer ved å presse flytende metall under høyt trykk, som deretter maskineres til en die. Det meste av diestøping foregår med ikke-ferrøse metaller, spesielt sink, kobber og aluminium-baserte legeringer, men ferrøse metaller er også mulige å støpe med dier. Diestøping er spesielt egnet for applikasjoner hvor det skal produseres mange deler av små til medium størrelse med fine detaljer, høy overflatekvalitet og nøyaktige dimensjoner.

Semisolid metallstøping

Semisolid metallstøping (SSM) er en modifisert diestøpingsprosess som reduserer eller elliminerer rest porøsiteten som man finner i de fleste diestøpinger. Istedenfor å bruke flytende metall som materiale, bruker man med SSM-støping et materale med høyere viskositet som er delvis solid og delvis flytende. En modifisert diestøpemaskin brukes for å injisere det semisolide smeltede metallet til gjenbrukbare herdede ståldier. Den høye viskositeten til det semisolide metallet, sammen med bruken av kontrollert diefylling, sikrer at det semisolide metallet fyller dien på en ikke-turbulent måte slik at skadelig porøsitet stort sett ellimineres.

Kommersielt brukes metoden hovedsakelig for aluminium og magnesiumlegeringer, og SSM-støpinger kan varmebehandles til T4, T5 eller T6 grad. Kombinasjonen av varmebehandling, rask kjøling (gjennom bruk av ikke-belagte ståldier) og minimal porøsitet gir utmerket styrke og duktilitet. Andre fordeler med SSM-støping er evnen til å produserer deler med komplekse former, trykkfasthet, trange dimensjonelle toleranser og muligheten for å støpe tynne vegger.

Sentrifugalstøping

I denne prosessen helles flytende metall i en form og får størkne mens formen roterer. Metallet helles inn i formen i senter av formens rotasjonsakse, og grunnet sentrifugalkreftene blir det flytende metallet tvunget ut mot endene.

Sentrifugalstøping er avhengig av både tyngdekraft og trykkraft siden det skapes en egen form for matekraft av et spinnende sandkammer med opp til 900 Newton. Ledetid varierer veldig med applikasjon. Semi- eller full-sentrifugal prosessering tillater 30-50 deler/ per time per form, med en praktisk grense for partiproduksjon på omtrent 9000 kg total masse med typisk vekt per del på 2,3-4,5 kg.

Industrielt ble sentrifugalstøping tidlig brukt til produksjon av toghjul hos det tyske industriselskapet Krupp, og var viktig for at selskapet vokste raskt.

Små kunstgjenstander slik som smykker er ofte støpt ved hjelp av denne metoden ved at man bruker forsvunnet-voks støping, ettersom rotasjonskreftene gjør at viskøse flytende metaller kan flyte gjennom små passasjer og fylle fine detaljer som løv og kronblad. Man får lignende fordeler med vakuumstøping, og begge metodene brukes derfor for å fremstille smykker.

Kontinuerlig støping

Kontinuerlig støping er en raffinert metode av støping laget for kontinuerlig høyvolums produksjon av metalldeler med konstant tverrsnitt. Flytende metall helles i vannkjølte former, og delen dannes ved at metallet størkner utenfra mens metallet fortsatt er flytende i sentrum. Gradvis blir metallet solid fra utsiden og inn (prosessen er noen ganger kalt «stranding»), og etter at det er størknet tas delen ut av formen. Forhåndsbestemte lengder av strand kan kuttes til enten av mekaniske sakser eller oxyacetylene kuttere, og føres så til videre til en formingsprosess eller lagres. Størrelser av støpte deler kan variere fra en stripe (noen få millimeter tykt til og omtrent 5 meter brede) til «billets» (90 til 160 mm firkanter) til slabs (1,25 m bred og 230 mm tykk). Av og til kan stranden varmrulles før den kuttes.

Kontinuerlig støping brukes grunnet lavere kostnader i kontinuerlig produksjon av standardiserte produkter, og øker ofte også kvaliteten på det ferdige produktet. Metaller som stål, kobber aluminium og bly kan støpes kontinuerlig, og stål er det metallet som støpes mest med denne metoden.

Kjølekurver

Under kjøling oppstår dendrittiske mikrostruktur. Primære og sekundære dendritter kan sees på bildet.

Portsystem

Et enkelt portsystem for en støping som skal deles på midten langs horisontalen.

Krymping

Størkekrymping

Solidification shrinkage of various metals

Metal	Percentage
Aluminium	6.6
Copper	4.9
Magnesium	4.0 or 4.2
Zinc	3.7 or 6.5
Low carbon steel	2.5–3.0
High carbon steel	4.0
White cast iron	4.0–5.5
Gray cast iron	−2.5–1.6
Ductile cast iron	−4.5–2.7

Stigerør og hjelpemidler

Forskjellige typer stigerør.

Patternmaker's krymp

Typical patternmaker's shrinkage of various metals

Metal	Percentage	in/ft
Aluminium	1.0–1.3	1⁄8–5⁄32
Brass	1.5	3⁄16
Magnesium	1.0–1.3	1⁄8–5⁄32
Cast iron	0.8–1.0	1⁄10–1⁄8
Steel	1.5–2.0	3⁄16–1⁄4

Fylling

Oversikt over prosessen ved lavtrykk permanentstøping.

Makrostruktur

Simulering av støpeprosessen

Avansert programvare for simulering av støpeprosesser gir muligheter for å evaluere av resultatene på forhånd (her for eksempel fylling, størkning, porøsitet og strømningsegenskaper). Bilde: Componenta B.V., Nederland)

Se også

• Grytemetall

Litteratur

• Blair, Malcolm; Stevens, Thomas L. (1995), Steel castings handbook (6th utgave), ASM International, , https://books.google.com/books?id=QG3_QqmPZ_AC. 
• Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th utgave), Wiley,  
• Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven (2006), Manufacturing Engineering and Technology (5th utgave), Pearson,  
• Kissell, J. Randolph; Ferry, Robert L. (2002), Aluminum structures: a guide to their specifications and design (2nd utgave), John Wiley and Sons, , https://books.google.com/books?id=NJh8Y9bV-hEC. 
• Schleg, Frederick P.; Kohloff, Frederick H.; Sylvia, J. Gerin; American Foundry Society (2003), Technology of Metalcasting, American Foundry Society,  
• Stefanescu, Doru Michael (2008), Science and Engineering of Casting Solidification (2nd utgave), Springer, , https://books.google.com/books?id=JVTJi30phCwC 
• Ravi, B (2010), Metal Casting: Computer-aided Design and Analysis (1st utgave), PHI, , https://books.google.com/books?id=d_A2o4YXfUAC 

Eksterne lenker

• Interactive casting design/manufacturing examples Arkivert 9. juni 2020 hos Wayback Machine.
• Castings or Forgings? A look at the advantages of each manufacturing process
• Umha Aois – Bronze Age casting videoclip
• Viking Bronze – Early Medieval metal casting
• Video clip of a 50 gram arc cast alloy solidifying Arkivert 10. desember 2015 hos Wayback Machine.
• Glossary of Metalcasting Terms
• DoITPoMS Teaching and Learning Package- «Casting»
• Global Metal Casting Statistics Arkivert 4. mars 2016 hos Wayback Machine.