Arten des Metallgusses: Ein Leitfaden für Ingenieure zur Prozessauswahl

Einleitung

Die Wahl des richtigen Metallgussverfahrens ist eine der wichtigsten technischen Entscheidungen, die Sie treffen werden. Ein falscher Schritt kann zu katastrophalen Budgetüberschreitungen, weit verbreiteten Qualitätsmängeln und extremen Produktionsverzögerungen führen. Treffen Sie die richtige Wahl, und Ihnen ist eine effiziente, skalierbare und erfolgreiche Produktion garantiert.

Obwohl das Prinzip des Gießens – das Einfüllen von flüssigem Metall in eine Form – an sich einfach ist, sind die Techniken dahinter alles andere als einfach. Alle Gießverfahren, einschließlich Sandguss und Druckguss, sind mit erheblichen Kompromissen hinsichtlich Werkzeugkosten, Produktionsgeschwindigkeit, mechanischen Eigenschaften und Genauigkeit verbunden.

Dies ist ein Leitfaden für Ingenieure, Konstrukteure und Beschaffungsfachleute, die diese Entscheidung treffen müssen. Wir werden nicht einfach nur die verschiedenen Formen des Metallgusses aufzählen, sondern sie genauer unter die Lupe nehmen und miteinander vergleichen, um Ihnen einen klaren Überblick zu verschaffen, der es Ihnen ermöglicht, das für Ihr Projekt am besten geeignete Verfahren auszuwählen.

Die beiden Familien: Einwegformen vs. Dauerformen

Nahezu alle Metallgussverfahren lassen sich in zwei große Kategorien einteilen, die sich nach der Lebensdauer der Form selbst richten. Der erste Schritt bei der Auswahl der geeigneten Verfahren besteht darin, diese grundlegende Einteilung zu verstehen.

• Gussverfahren mit Einwegformen: Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Einwegform, die zerstört wird, um an das Gussteil zu gelangen. Diese Formen werden in der Regel aus Materialien wie Sand, Gips oder Keramik hergestellt. Der größte Vorteil besteht darin, dass die Geometrie des Teils wesentlich komplexer sein kann; da die Form entfernt wird, gibt es keine Einschränkungen dadurch, dass das Teil aus einem festen, massiven Hohlraum herausgedrückt werden muss. Zu dieser Gruppe gehören das Sandgussverfahren, der Feinguss und der Gipsguss.
• Gießen in Dauerformen: Wie der Name schon sagt, kommt bei dieser Kategorie eine wiederverwendbare Form zum Einsatz, die gemeinhin als „Matrize“ bezeichnet wird und aus Metall (in der Regel Werkzeugstahl oder Gusseisen) gefertigt ist. Diese Metallform lässt sich öffnen und schließen, wodurch das Bauteil ausgeworfen wird und der Zyklus wiederholt werden kann. Die anfänglichen Werkzeugkosten für die Herstellung dieser langlebigen Form sind hoch, doch die Produktionsgeschwindigkeit und die Stückkosten sind äußerst gering, was dieses Verfahren für die Massenproduktion prädestiniert. Druckguss und der sogenannte Permanentformguss gehören zu dieser Familie.

Einblick in wichtige Verfahren zur Herstellung von Einwegformen

Die Familie der Einwegformen ist unglaublich vielseitig und ermöglicht die Herstellung von Bauteilen jeder Größe – sei es ein riesiger Schiffsschraubenpropeller oder eine kleine, komplexe Turbinenschaufel.

Sandguss: Das vielseitige Arbeitstier

Das gängigste aller Gussverfahren ist der Sandguss. Die Vorgehensweise ist einfach: Ein Modell (eine Nachbildung des fertigen Teils) wird in eine fertige Mischung aus Sand und einem Bindemittel gedrückt, um eine Sandform zu bilden. Falls das Teil innere Hohlräume aufweist, werden Sandkerne in die Form eingesetzt. Das geschmolzene Metall (entweder Eisenmetalle wie Gusseisen und Stahl oder Nichteisenmetalle wie Aluminiumlegierungen) wird dann in die Form gegossen. Nach dem Erstarren wird die Sandform aufgebrochen.

• Vorteile: Die Hauptvorteile sind sehr niedrige Werkzeugkosten und eine enorme Flexibilität. Es gehört zu den wenigen Verfahren, mit denen sich sowohl sehr große Bauteile (mit einem Gewicht von vielen Tonnen) als auch Einzelprototypen wirtschaftlich herstellen lassen. Es eignet sich für die Bearbeitung komplexer Formen und Legierungen mit sehr hohen Schmelzpunkten.
• Nachteile: Der Nachteil ist die Präzision. Beim Sandguss entstehen in der Regel eine schlechte Oberflächengüte und eine geringere Maßgenauigkeit als bei anderen Verfahren, sodass unter Umständen umfangreiche Nachbearbeitungen erforderlich sind. Das Verfahren eignet sich nicht für dünnwandige Bauteile. Es ist ein grundlegendes Verfahren für Bauteile wie Motorblöcke und Zylinderköpfe.

Feinguss (Wachsausschmeldverfahren): Das Präzision Fachmann

Das Wachsausschmelzverfahren – oder einfach Wachsguss – ist ein Verfahren, das sich durch hohe Detailtreue und Präzision auszeichnet.

Es beginnt nicht mit einer Form, sondern mit einem Wachsmodell, einem exakten Abbild des Bauteils. Dieses wird mehrmals in eine Aufschlämmung aus feuerfestem Material getaucht, um eine harte Keramikschale zu bilden. Nachdem die Hülle ausgehärtet ist, wird das Wachs weggeschmolzen (sogenanntes Wachsausschmelzverfahren), wodurch ein einteiliger Formhohlraum zurückbleibt. Diese vorgewärmte Hülle wird dann mit geschmolzenem Metall gefüllt. Sobald die Keramikschale abgekühlt ist, wird sie abgebrochen, und es bleibt ein fast endkonturgetreues Bauteil zurück.

• Vorteile: Das Feingussverfahren zeichnet sich durch hohe Präzision, eine hervorragende Oberflächengüte und die Möglichkeit aus, sehr komplexe Bauteile und Formen mit komplizierten Merkmalen und dünnen Wänden herzustellen, die mit keinem anderen Verfahren in einem einzigen Bauteil realisiert werden können.
• Nachteile: Diese Präzision hat ihren Preis. Mehrstufige Verfahren sind zeitaufwendiger und kostspieliger als der Sandguss, und die Herstellung der Wachsvorlagen kann teuer sein.

Lost-Foam- und Schalenformverfahren: Weitere Optionen für Verbrauchsmaterialien

Zwei weitere bemerkenswerte „Expendable“-Methoden bieten einen Mittelweg:

• Schalenformguss: Hierbei handelt es sich um eine Art des Sandgusses, bei der Sand, der mit einem duroplastischen Harz vermischt wurde, über eine erhitzte Form gegossen wird. Dadurch entsteht eine dünne, ausgehärtete Schale, die als Form dient. Der Schalenformguss bietet im Vergleich zum herkömmlichen Sandguss eine hervorragende Oberflächengüte und Genauigkeit und eignet sich für Kleinteile in mittleren Stückzahlen.
• Gipsformguss: Dieses Verfahren entspricht dem Sandguss, mit dem Unterschied, dass die Gussmasse aus Gips oder Pariser Gips besteht, der um ein Modell gegossen wird. Es handelt sich um ein hervorragendes Gipsgussverfahren, das eine sehr glatte Oberflächenbeschaffenheit ergibt, jedoch in der Regel auf Nichteisenlegierungen mit niedrigerem Schmelzpunkt wie Aluminium und Zink beschränkt ist, da die Gipsform der Hitze von Eisenlegierungen nicht standhalten kann.
• Schaumguss: Dieses Verfahren wird auch als „Lost-Foam-Verfahren“ bezeichnet und ähnelt dem Feinguss, mit dem Unterschied, dass anstelle eines Wachsmodells ein Polystyrolschaummodell verwendet wird. Das Schaummodell verbleibt in der Form und wird sofort verdampft, sobald das geschmolzene Metall in die Form gegossen wird.

Ein Überblick über die wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Dauerformen

Dauerformen sind die einzige wirtschaftliche Wahl, wenn das Produktionsvolumen Tausende oder Millionen erreicht. Diese Verfahren zeichnen sich durch Schnelligkeit, Wiederholgenauigkeit und Präzision aus.

Die Casting (HPDC & LPDC): Der Champion im Großvolumenbereich

Der König der Massenproduktion von Nichteisenmetallen ist das Druckgussverfahren. Beim Hochdruckguss (HPDC) wird geschmolzenes Metall unter hohem Druck in einen Stahlformhohlraum (oder eine Form) gepresst. Dieser Druck wird aufrechterhalten, bis das Metall erstarrt ist, wodurch ein Bauteil mit hervorragender Detailgenauigkeit und hoher Maßgenauigkeit entsteht.

• Vorteile: Unübertroffene Produktionsgeschwindigkeit, niedrige Stückkosten und eine gute Oberflächengüte. Das Verfahren eignet sich ideal für die Massenfertigung von Kleinteilen mit dünnen Wänden, wie beispielsweise Elektronikgehäusen, Automobilkomponenten und Beschlägen. Es ist besonders effektiv bei Magnesium- und Aluminiumlegierungen.
• Nachteile: Der erste Nachteil besteht darin, dass die anfänglichen Werkzeugkosten für die Stahlformen sehr hoch sind und sich auf mehrere hunderttausend Dollar belaufen können. Außerdem ist dieses Verfahren auf Nichteisenlegierungen beschränkt, da die hohen Temperaturen von Stahl oder Gusseisen die Form zum Schmelzen bringen würden.

Dauerformguss: Der goldene Mittelweg beim Schwerkraftguss

Dieses Formgussverfahren ist eine einfachere Variante des Druckgusses. Dabei kommt eine wiederverwendbare Form (eine Metallform aus Stahl oder Eisen) zum Einsatz, doch das geschmolzene Metall wird nicht unter hohem Druck, sondern durch Schwerkraft eingegossen.

• Vorteile: Im Vergleich zum Sandguss weist dieses Verfahren aufgrund der im Vergleich zur Metallform schnelleren Erstarrung bessere mechanische Eigenschaften und eine bessere Oberflächenqualität auf. Die Werkzeugherstellung ist kostengünstiger als beim Druckguss und eignet sich für mittlere Produktionsmengen.
• Nachteile: Dieses Verfahren ist langsamer als der Druckguss und ermöglicht keine ebenso feinen Details oder dünnen Wandstärken.

Zentrifugalguss: Für zylindrische Teile

Das Schleudergussverfahren ist eine hochspezialisierte Technik, die zur Herstellung hohler zylindrischer Bauteile eingesetzt wird. Dabei wird eine Dauerform mit hoher Drehzahl gedreht, während das geschmolzene Metall in die Form gegossen wird. Durch die Zentrifugalkraft verteilt sich das Metall gleichmäßig an den Wänden der Form und bildet so eine hochdichte, feinkörnige Struktur ohne Verunreinigungen.

• Vorteile: Dies ist das beste Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit hoher Integrität, wie beispielsweise Rohren, Zylinderlaufbuchsen und Kolbenringen. Das Endprodukt weist gute mechanische Eigenschaften auf.
• Nachteile: Seine Anwendung beschränkt sich fast ausschließlich auf zylindrische Formen.

Vergleichsmatrix: Eine direkte Gegenüberstellung

Um unter diesen verschiedenen Gussverfahren das geeignete auszuwählen, muss man einen direkten Vergleich anstellen. Die folgende Tabelle fasst die gängigsten Kompromisse bei den gängigsten Verfahren zusammen.

Prozess	Werkzeugkosten	Stückkosten (hohe Stückzahlen)	Oberflächenbeschaffenheit	Maßgenauigkeit	Max. Komplexität des Bauteils
Sandguss	Sehr niedrig	Hoch	Mangelhaft bis befriedigend	Niedrig	Hoch
Feinguss	Mittel	Mittel bis hoch	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Sehr hoch
Schalenformung	Niedrig-Mittel	Mittel	Gut	Gut	Hoch
Die Casting (HPDC)	Sehr hoch	Sehr niedrig	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Mittel bis hoch
Dauerform	Hoch	Niedrig-Mittel	Gut	Gut	Mittel

So treffen Sie die richtige Wahl: Wichtige Faktoren für Ingenieure

Anhand dieser Informationen kann ein Ingenieur mithilfe einer logischen Struktur die Möglichkeiten seines Fertigungsprozesses eingrenzen. Stellen Sie sich diese vier Fragen:

Wie hoch sind Ihr Produktionsvolumen und Ihr Budget?

Dies ist das erste Auswahlkriterium. Wenn Sie 10 Millionen Teile benötigen, werden die hohen Werkzeugkosten beim Druckguss durch die niedrigen Stückkosten leicht ausgeglichen. Beim Sandguss liegen die Vorteile auf der Hand, wenn Sie 10 Prototypen benötigen. Der Feinguss bietet oft einen guten Mittelweg, da er moderate Werkzeugkosten bei moderaten Stückzahlen ermöglicht.

Welchen Materialbedarf haben Sie?

Mit welcher Art von Metall arbeiten Sie? Wenn Sie Stahl oder Edelstahl (Eisenlegierungen) benötigen, scheidet der Druckguss automatisch aus. Ihre wichtigsten Optionen sind Sandguss (große Bauteile) und Feinguss (Präzisionsteile). Bei der Verarbeitung von Aluminium-, Zink- oder Magnesiumlegierungen ist alles möglich.

Wie komplex ist Ihr Bauteil?

Weist Ihr Bauteil komplexe innere Kanäle, eine nichtlineare Form oder eine äußerst komplizierte Geometrie auf? Der Feinguss ist das einzige Verfahren, mit dem sich solche Merkmale direkt im Guss herstellen lassen. Bei weniger komplexen Bauteilen können andere Verfahren kostengünstiger sein.

Welche Anforderungen stellen Sie hinsichtlich Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheit?

Wenn Ihr Bauteil direkt nach dem Guss eine glatte Oberflächenbeschaffenheit und hohe Genauigkeit (enge Toleranzen) erfordert, sollten Sie den Feinguss oder den Druckguss in Betracht ziehen. Die grobe Oberflächenbeschaffenheit des Sandgusses ist akzeptabel, sofern das Bauteil später noch umfassend bearbeitet wird.

Die BesserCast-Lösung: Siliziumdioxid-Sol-Feinguss meistern

Nach der Analyse der Faktoren stellen Ingenieure in der Regel fest, dass sie hochpräzise, komplexe Bauteile mit einer hervorragenden Oberflächenqualität benötigen, was direkt zum Feinguss führt.

Doch nicht jedes Feingussverfahren ist gleich. Die fortschrittlichste Variante des Wachsausschmelzverfahrens ist das sogenannte Silica-Sol-Verfahren, und genau das ist es, was BesserCast ist spezialisiert auf.

Obwohl das herkömmliche Feingussverfahren (mit Wasserglas) effizient ist, liefert die Silica-Sol-Aufschlämmung nachweislich ein besseres Endprodukt. Diese Aufschlämmung aus feuerfestem Material ist stabiler, weist eine feinere Partikelsuspension auf und lässt sich gut bei Raumtemperatur verarbeiten. Die daraus entstehende Keramikschale ist glatter und fester.

Was bedeutet das für Ihre Gusskomponente?

• Unübertroffene Oberflächenqualität: Das Siliziumdioxid-Sol-Verfahren sorgt für eine sehr glatte Gussoberfläche, wodurch kostspielige Nachbearbeitungen wie Polieren oder Zerspanen entfallen oder auf ein Minimum reduziert werden.
• Hervorragende Maßgenauigkeit: Wir können engere Toleranzen einhalten als beim herkömmlichen Feinguss, und Ihr Bauteil wird exakt nach Ihren Vorgaben gefertigt.
• Makellose komplexe Bauteile: Diese Technik ist die ultimative Lösung für Bauteile mit extrem hoher geometrischer Komplexität, hauchdünnen Wänden und komplexen Innenkanälen, insbesondere bei schwierigen Werkstoffen wie Edelstahl und Hochtemperaturlegierungen.

Wir bei BesserCast sind nicht nur eine Gießerei (https://www.bessercast.com/), sind wir Experten für das Silicasol-Verfahren. Unser „Engineering-First“-Ansatz ist unser großer Vorteil. Wir arbeiten bereits in der Konstruktionsphase (DFM) eng mit Ihnen zusammen, um Ihr Bauteil so zu gestalten, dass es optimal auf dieses überlegene Verfahren abgestimmt ist. So können wir komplexe Formen und enge Toleranzen realisieren, die andere Gießereien nicht erreichen können.

Über den Prozess hinaus: DFM und Nachbearbeitung

Die Wahl eines Formgussverfahrens ist nicht der letzte Schritt. Zwei weitere Bereiche sind für die Entwicklung eines erfolgreichen Endprodukts von entscheidender Bedeutung: Design for Manufacturing (DFM) und die Nachbearbeitung.

DFM ist ein Prozess, bei dem ein Bauteil entworfen und gleichzeitig überlegt wird, wie es hergestellt werden soll. Beim Guss bedeutet dies die Einplanung von Entformungsschrägen (bei Permanentform- und Druckguss), die Festlegung von Radien sowie eine gleichmäßige Wandstärke, um Fehler zu vermeiden.

Zudem erfordert der Großteil der Gussteile eine gewisse Nachbearbeitung, um ihre mechanischen Eigenschaften oder die Anforderungen an das Endprodukt zu verbessern. Dazu können gehören:

• Wärmebehandlung: Um Spannungen abzubauen, die Festigkeit zu verbessern oder die Härte zu erhöhen.
• Bearbeitung: Um Gewinde herzustellen oder kritische Toleranzen zu erreichen, die über die Möglichkeiten des Gussverfahrens hinausgehen.
• Oberflächenbehandlung: Schleifen, Polieren oder Beschichten.

Obwohl dieser Leitfaden die wichtigsten Verfahren behandelt, kommen in Nischenanwendungen auch andere, sehr spezialisierte Verfahren zum Einsatz, darunter das Squeeze-Casting (Druck während der Erstarrung), das Vakuumgussverfahren (Vakuum, um das Metall in die Form zu drücken), das Slush-Casting (Hohlkörper) und das Stranggussverfahren (lange Metallstangen).

Starten Sie Ihr Projekt mit dem richtigen Partner

Letztendlich sind die verschiedenen Metallgussverfahren lediglich Werkzeuge. Die Wahl des Werkzeugs und – was nicht weniger wichtig ist – die Wahl des Partners, der dieses Werkzeug einsetzt, entscheiden über den Erfolg Ihres Projekts.

Die verschiedenen Arten von Gussteilen können schwierig zu durchschauen sein, doch Sie müssen sich nicht alleine damit auseinandersetzen. Ganz gleich, ob Sie ein kleines Gussteil für den medizinischen Bereich oder ein robustes Gussteil für verschiedene Industriezweige entwickeln – die technische Entscheidung ist entscheidend.

Wenn Sie bei Ihrer Analyse feststellen, dass Sie hohe Präzision, komplexe Geometrien und eine perfekte Oberflächenqualität benötigen, dann ist Silica-Sol-Feinguss die richtige Lösung für Sie. Die Experten von BesserCast unterstützen Sie gerne dabei, Ihr Design zu optimieren und Ihr Bauteil zu verwirklichen.

Senden Sie uns Ihre Zeichnungen an https://www.bessercast.com/ um eine kostenlose DFM-Analyse und ein Projektangebot zu erhalten.