Was ist Gießen? Ein umfassender Leitfaden zu Fertigungsverfahren

Definition des Gießverfahrens: Der Fertigungsprozess

Der Begriff „Casting“ weist eine mehrdeutige Bedeutung auf. In der Regel bezieht er sich auf die Auswahl von Schauspielern für eine Produktion. In der Technik bezeichnet er das Streamen von Medien. In der industriellen Fertigung jedoch, die tiefgreifende Auswirkungen auf die Zivilisation hat, ist „Casting“ ein unumstrittener und zentraler industrieller Prozess.

Dieser Artikel befasst sich ausschließlich mit dem industriellen Gussverfahren. Die wissenschaftliche Definition des industriellen Gusses beschreibt dieses Verfahren als eine Methode, Materialien in die gewünschte Form zu bringen, wobei sie vom flüssigen in den festen, funktionsfähigen Zustand übergehen. Wir werden die grundlegenden Konzepte erörtern, die wichtigsten Methoden skizzieren und die wesentlichen Faktoren aufzeigen, die die Qualität des Endprodukts beeinflussen. Dieser Artikel richtet sich an Ingenieure, Konstrukteure und Einkäufer, die eine leicht verständliche Erklärung der bei der Herstellung von Bauteilen ablaufenden Prozesse benötigen.

Der 5-stufige Gussprozess

Beim Metallguss werden verschiedene Aggregatzustände der Materie umgewandelt und bearbeitet. Die Materie wird erhitzt, bis sie flüssig ist, und dann in eine Form gegossen, die speziell für die Aufnahme dieser Flüssigkeit angefertigt wurde, wodurch verschiedene Metallgegenstände entstehen. Dieses Verfahren vereint Prinzipien der Physik, der Metallurgie und des Ingenieurwesens.

Die gesamte Methodik lässt sich in fünf grundlegende Schritte zusammenfassen:

1. Formenbau: Zur Herstellung einer Form beginnt man mit einem Modell, das eine Kopie der gewünschten Form darstellt. Die Form wird anhand des Negativabdrucks des fertigen Teils erstellt, der als Formhohlraum bezeichnet wird. Die Konstruktion der Form erfordert Sorgfalt und umfasst ein Angusssystem, also ein Kanalnetz, das das geschmolzene Material in den Formhohlraum leitet.
2. Schmelzen und Gießen: Die ausgewählte Gusslegierung wird in einem Ofen auf eine Temperatur weit über ihrem Schmelzpunkt erhitzt, um sie in geschmolzenes Metall umzuwandeln. Dieses geschmolzene Metall wird anschließend in das Angusssystem der Form gegossen.
3. Verfestigung: Während sich der Formhohlraum mit flüssigem Metall füllt, beginnt das Metall abzukühlen. Die Wärme des Metalls wird an das Formmaterial und durch die Formwände weitergeleitet. Das Metall kühlt ab und geht vom flüssigen in den festen Zustand über, wobei es sich entsprechend der Form verfestigt.
4. Schimmelbeseitigung (Shakeout): Sobald das Metall vollständig erstarrt ist – was je nach Größe und Material zwischen wenigen Minuten und mehreren Tagen dauern kann –, kann die Form schließlich entfernt werden. Bei Einwegformen (insbesondere Sandformen) bedeutet das Entfernen der Form, dass diese zerbrochen wird. Bei Dauerformen kann die Form einfach geöffnet und das Bauteil entnommen werden.
5. Endbearbeitung und Nachbearbeitung: Der abgekühlte Abschnitt wird als Fertigguss oder Gussteil bezeichnet und aus der Form entnommen. Das Angusssystem, das nun ebenfalls aus festem Metall besteht, wird entfernt. Das Teil kann anschließend gereinigt und weiterbearbeitet werden, um die Oberflächengüte durch Schleifen oder Polieren zu verbessern. Häufig wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, um die mechanischen oder physikalischen Eigenschaften des Teils zu optimieren.

Dieser grundlegende Arbeitsablauf bildet die Basis für alle Gussverfahren, von antiken Bronzeskulpturen bis hin zu Hightech-Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt.

Die wichtigsten Gussverfahren im Vergleich: Welches ist das richtige für Sie?

Jedes Projekt bringt spezifische Anforderungen und Erwartungen hinsichtlich Komplexität, Umfang, Materialien und Kosten mit sich. Dies wiederum führt zur Entwicklung neuer, spezialisierterer Verfahren im Formguss. Um Entscheidungen bezüglich der Beschaffung von Bauteilen treffen zu können, muss man jede der wichtigsten Techniken auf grundlegender Ebene verstehen.

Sandguss: Wirtschaftlichkeit und große Bauteile

Der Sandguss hat eine lange Tradition und ist sehr vielseitig einsetzbar. Dabei kommen Formen zum Einsatz, die aus einer Mischung aus Quarzsand und Ton mit Wasser (sogenannter “Grünsand”) oder aus chemisch gebundenem Gießsand hergestellt werden. Die Formen sind Einwegformen; sie werden nach jedem Guss zerstört.

• Ablauf: Der Formhohlraum entsteht, wenn ein Modell in den Formsand gepresst wird.
• Am besten geeignet für: Sehr große Bauteile, wie beispielsweise Motorblöcke in der Automobilindustrie, Bauteile mit dickem Querschnitt sowie Kleinserienfertigung aufgrund geringer Werkzeugkosten.
• Einschränkungen: Die Oberflächenbeschaffenheit ist rau, und im Vergleich zu anderen Verfahren ist die Maßgenauigkeit gering.

Druckguss: Großserienfertigung und Effizienz

Das Druckgussverfahren ist ein effizientes Verfahren, bei dem geschmolzenes Metall unter hohem Druck in vorgefertigte Formen aus gehärtetem Stahl eingespritzt wird. Das Verfahren ist mit dem Spritzguss vergleichbar, allerdings wird beim Druckguss überwiegend Metall verwendet. Die Form ist eine dauerhafte, wiederverwendbare Form, was extrem kurze Zykluszeiten ermöglicht.

• Ablauf: Metall wird mit hoher Geschwindigkeit in die Form gespritzt. Der Schwerkraftguss ist ein verwandtes Verfahren, bei dem anstelle von hohem Druck die Schwerkraft genutzt wird.
• Am besten geeignet für: Massenfertigung von Metallteilen mit guter Maßgenauigkeit und glatter Oberflächenbeschaffenheit. Dieses Verfahren wird häufig für Haushaltsgeräte, Automobilkomponenten und Elektronikgehäuse eingesetzt. Es beschränkt sich in der Regel auf Nichteisenlegierungen mit niedrigem Schmelzpunkt wie Aluminium, Zink und Magnesium.
• Einschränkungen: Da die Form so teuer ist, ist sie für die Kleinserienfertigung nicht rentabel.

Feinguss: Komplexität und hohe Präzision

Mit dem Feingussverfahren, das gemeinhin als Wachsausschmelzverfahren oder Wachsguss bezeichnet wird, lassen sich komplexe Konstruktionen und Bauteile mit bemerkenswerter Detailtreue und Präzision herstellen.

• Ablauf: Es wird ein Wachsmodell oder eine Wachsform des Werkstücks gegossen. Dieses wird in eine Keramikmasse eingebettet, die zu einer Schale aushärtet. Anschließend wird das Wachs ausgeschmolzen (Wachsausschmelzverfahren), wodurch ein perfekter, nahtloser Formhohlraum zurückbleibt. Geschmolzenes Metall wird in die Keramikform gegossen.
• Am besten geeignet für: Ideal für komplexe und anspruchsvolle Formen sowie für Bauteile, die direkt aus der Form eine hervorragende Oberflächenqualität erfordern. Dies ist entscheidend für die Herstellung von Produkten wie Turbinenschaufeln, medizinischen Implantaten und Automobilteilen einer bestimmten Klasse.

Das Zentrifugalgussverfahren ist ein typisches Verfahren, bei dem eine rotierende Form und Zentrifugalkraft genutzt werden, um zylindrische Bauteile wie beispielsweise Rohre herzustellen. Beim Gipsguss wird eine Form aus Gips verwendet, um komplexe, hochdetaillierte Nichteisenbauteile wie beispielsweise Ziergussteile herzustellen. Beim Lost-Foam-Gussverfahren wird, ähnlich wie beim Feinguss, ein Schaumstoffmodell verwendet, das beim Eingießen der Metallschmelze sublimiert. Jedes Verfahren wurde entwickelt, um unterschiedlichen technischen Anforderungen gerecht zu werden. Es ist erwähnenswert, dass das Gießen ein völlig anderer Prozess ist als Techniken wie die Blechbearbeitung, bei der Bleche in fester Form geformt, geschnitten und gebogen werden – im Gegensatz zum Gussverfahren.

Lösung von “Problemen in der Fertigung” durch Präzisionsguss

Die zuvor beschriebenen Gussverfahren bringen jeweils unterschiedliche Kompromisse mit sich. Der Druckguss ist schnell, jedoch mit hohen Rüstkosten verbunden und unterliegt Materialbeschränkungen. Der Sandguss ist kostengünstig, lässt jedoch an Präzision und Genauigkeit zu wünschen übrig. Das branchenübergreifende ‘Problem’, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie und der Verteidigungsindustrie, ist die gleichzeitige Anforderung komplexer Formen, einer hochwertigen Oberflächenbeschaffenheit und präziser Toleranzen.

Der herkömmliche Gussansatz wird den Anforderungen oft nicht gerecht, was zur Herstellung komplexer Bauteile führt, die unter Umständen umfangreiche Nachbearbeitung erfordern, damit sie ihre endgültigen Spezifikationen erreichen – was kostspielig und zeitaufwendig sein kann. Genau hier bietet der Präzisionsguss und insbesondere der Silikatsol-Feinguss eine klare Lösung.

Im Feingussverfahren dient Silikatsol als hochwertiges und stabiles Bindemittel für die Herstellung der Keramikschale. Dieses Verfahren stellt die höchste Form des Wachsausschmelzverfahrens dar.

• Der Vorteil: Beim Feinguss mit Silikatsol entstehen Teile, die bereits nahezu die Endform aufweisen, im Gegensatz zu anderen Verfahren, bei denen “grobe” Bauteile hergestellt werden. Das bedeutet, dass das Teil mit einer glatten Oberfläche und präzisen Abmessungen aus der Form kommt, sodass kaum oder gar keine Nachbearbeitung erforderlich ist.
• Der Vorteil: Dieses Verfahren unterliegt nicht den Einschränkungen anderer Methoden. Es eignet sich für komplexe Geometrien und Hohlräume, die durch zerspanende Bearbeitung nicht ausgeschnitten werden können. Außerdem lässt es sich für ein breites Spektrum unterschiedlicher Werkstoffe einsetzen, darunter Hochleistungslegierungen wie Edelstahl und kohlenstoffreicher Werkzeugstahl.

Bessercast (https://www.bessercast.com/) nutzt diese spezielle Technologie für den Feinguss mit Silikatsol. Die von uns hergestellten Gussteile lösen einige kritische Probleme bei der Teilefertigung unserer Kunden. Der Mehrwert für unsere Kunden liegt in der Zeitersparnis bei der Nachbearbeitung, der Reduzierung des Materialabfalls im Fertigungsprozess und der Möglichkeit, komplexe Geometrien herzustellen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht realisierbar wären. Nachbearbeitungsschritte entfallen. Zudem wird die ökologische Nachhaltigkeit verbessert, da der mit der Nachbearbeitung verbundene Abfall und Energieverbrauch reduziert werden.

Leitfaden zur Auswahl von Gusswerkstoffen: Von Gusseisen bis Edelstahl

Die Funktionalität eines Bauteils hängt von seinem Werkstoff ab. Im Gussverfahren können zahlreiche Gusswerkstoffe verarbeitet werden. Diese Flexibilität ermöglicht die individuelle Anpassung bestimmter Eigenschaften eines Bauteils. Die Werkstoffe können entsprechend ihren unterschiedlichen mechanischen (Festigkeit, Härte) und physikalischen (Dichte, Leitfähigkeit) Eigenschaften ausgewählt werden.

• Eisenmetalle: Es handelt sich hierbei um Legierungen auf Eisenbasis, die in verschiedenen Industriezweigen weit verbreitet sind.
  • Duktiles Gusseisen: Es ist bekannt für seine Festigkeit, Langlebigkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit, wodurch es sich ideal für Rohre, Formstücke und Automobilkomponenten eignet.
  • Edelstahl: Eine Legierungsfamilie, die wegen ihrer außergewöhnlichen Korrosionsbeständigkeit und ihres ansprechenden Aussehens geschätzt wird. Sie spielen eine entscheidende Rolle in der Medizin, der Schifffahrt und der Lebensmittelverarbeitung.
  • Kohlenstoff- und legierte Stähle: Die Arbeitstiere der Industrie, die sich durch ein breites Spektrum an Festigkeit und Zähigkeit auszeichnen.
• Nichteisenmetalle: Diese Werkstoffe enthalten keine nennenswerten Mengen an Eisen.
  • Aluminiumlegierungen: Leicht, leitfähig und korrosionsbeständig. In der Automobilindustrie zur Gewichtsreduzierung sowie in der Elektronik und der Luft- und Raumfahrt allgegenwärtig.
  • Bronze und Messing: Kupferlegierungen werden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften verwendet, darunter ihre Leitfähigkeit, ihre geringe Reibung (für Lager) und ihre optische Attraktivität für Dekorationsgegenstände.
  • Titan Legierungen: Wird aufgrund seines außergewöhnlichen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und seiner Hochtemperaturbeständigkeit in Hochleistungsanwendungen (wie Turbinenschaufeln in der Luft- und Raumfahrt) eingesetzt.

Die Auswahl des richtigen Gussmetalls aus dieser großen Vielfalt an Metallen ist eine entscheidende technische Entscheidung, bei der Kosten, Leistung und der Fertigungsprozess selbst gegeneinander abgewogen werden müssen.

Wichtige Anwendungsbereiche der Gusstechnik

Das Gussverfahren ist vielseitig einsetzbar und weit verbreitet und spielt in der Fertigung sowie in zahlreichen anderen Branchen eine wesentliche Rolle. Von einfachen Metallteilen bis hin zu hochentwickelten, komplexen und systemkritischen Bauteilen – im Gussverfahren werden unzählige Produkte für verschiedene Branchen hergestellt.

Automobilindustrie

Unter den verschiedenen Branchen ist die Automobilindustrie ein großer Abnehmer von Gussteilen. Die Automobilindustrie nutzt Gussverfahren für große Bauteile (wie Stahlsandguss und Aluminium-Hochdruckguss) für Motorblöcke, Zylinderköpfe, Getriebegehäuse und Achsschenkel.

Luft- und Raumfahrt sowie Energie

Dies ist die komplexere und anspruchsvollere Branche, was Konstruktion, extreme Hitze und Belastung sowie Spezialwerkstoffe angeht. Das Feingussverfahren wird zur Herstellung von Einkristall-Turbinenschaufeln für Strahltriebwerke und Kraftwerksturbinen eingesetzt. Diese Schaufeln werden so geformt, dass sie aerodynamisch sind und ihren Zweck erfüllen.

Medizin & Präzision Instrumente

Medizinische Implantate (Knie, Hüften), chirurgische Instrumente und Teile für Röntgengeräte, die alle im Präzisionsgussverfahren hergestellt werden, fallen in diesen Bereich. Korrosionsbeständigkeit, die Wiedergabe feiner Details und die Konsistenz komplexer geometrischer Formen sind für diese Instrumente von entscheidender Bedeutung. Die Vereinigten Staaten sind ein führendes Land in diesem Hightech-Fertigungssektor und bei den komplexen Technologien, die in diesem speziellen Bereich zum Einsatz kommen.

So ermitteln Sie den Bedarf für Ihr Gussprojekt

Die Wahl des richtigen Gussverfahrens und des richtigen Partners beginnt mit einer gründlichen Bewertung der technischen und wirtschaftlichen Anforderungen Ihres Projekts. Ein Konstrukteur oder ein Beschaffungsmanager sollte in der Lage sein, die folgenden Fragen zu beantworten, bevor er sich an einen Lieferanten wendet:

1. Präzision und Komplexität. Was sind kritische Toleranzen? Weist das Bauteil komplexe Geometrien, Hohlräume oder dünne Wände auf? Wenn hohe Präzisionsanforderungen bestehen, deutet dies darauf hin, dass ein anderes Verfahren als der Sandguss erforderlich ist, und legt den Einsatz von Druckguss oder Feinguss nahe.
2. Umfang und Kosten. Wie hoch ist das erwartete Produktionsvolumen? Handelt es sich um eine einmalige Prototypenfertigung oder um eine Serienproduktion in Millionenstückzahlen? Bei hohen Stückzahlen sind die mit dem Druckguss verbundenen hohen Werkzeugkosten gerechtfertigt. Sandguss und Feinguss bieten kostengünstigere Alternativen für kleine bis mittlere Stückzahlen.
3. Material und Leistung. Was sind die entscheidenden und unverzichtbaren Materialeigenschaften? Sind extreme Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder ein geringes Gewicht erforderlich? Die Wahl des Werkstoffs (z. B. Edelstahl oder Aluminium) kann bestimmte Gussverfahren von vornherein ausschließen.
4. Oberflächenbeschaffenheit. Ist die Oberflächenbeschaffenheit eine rein ästhetische Anforderung oder ist sie für die Funktion entscheidend (z. B. Strömungsdynamik)? Die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen die Formkonstruktion und die Wahl des Verfahrens.

Die Antworten auf diese Fragen werden die Möglichkeiten von einem Dutzend auf ein oder zwei gangbare Wege eingrenzen.

Fazit

Der Guss ist ein Fertigungsverfahren, mit dem geschmolzenes Material in langlebige, funktionsfähige Metallbauteile umgewandelt wird. Für jede industrielle Anforderung gibt es ein passendes Verfahren – vom robusten Sandguss bis hin zum präzisen Wachsausschmelzverfahren. Wie in diesem Leitfaden erläutert, ist die Wahl des geeigneten Verfahrens eine sehr wichtige Entscheidung, die sich direkt auf die Endkosten, die Leistungsfähigkeit und die Qualität Ihres Projekts auswirkt.

Zeichnen sich Ihre Bauteile durch höchste Präzision, komplexe Geometrien und eine hochwertige Oberflächenbeschaffenheit aus? Diese hohen Anforderungen werden durch den Silikatsol-Feinguss überzeugend erfüllt. Kontakt Bessercast mit unserem Ingenieurteam in Kontakt treten und Ihre Projektanforderungen besprechen.