Metallguss, ein Metallbearbeitungsverfahren mit flüssigem Metall und einer Form, existiert seit Tausenden von Jahren.
Im Laufe seiner Geschichte wurde das Metallgussverfahren zur Herstellung von allem Möglichen eingesetzt, von Schwertern bis hin zu Windkraftanlagen, und heute ist es eine der wertvollsten und vielseitigsten Methoden zur Herstellung hochwertiger Metallteile.
Dieser Leitfaden befasst sich mit den Grundlagen des Metallgusses, einschließlich seiner vielen Varianten – Druckguss, Feinguss usw. – und den gebräuchlichsten Gussmetallen.
Was ist Metallguss?
Metallguss ist ein Gießverfahren , bei dem flüssiges Metall in eine Form gegossen wird.
Die Innenseite der Form ist mit einem Negativabdruck des herzustellenden Teils versehen. Wenn das geschmolzene Metall in der Form abkühlt und erstarrt, nimmt es die Form des fertigen Teils an. Das fertige Teil kann dann aus der Form entnommen werden.
Je nach den herzustellenden Teilen und den verwendeten Metallen gibt es verschiedene Arten des Metallgusses, jede mit ihren spezifischen Vorteilen. Modelle, Formen und Fülltechniken können sich zwischen diesen Varianten stark unterscheiden.
Obwohl das Gießen von Metall ein vielseitiges Verfahren ist, unterliegen Gussteile bestimmten Konstruktionsbeschränkungen, und die Ingenieure müssen die Schrumpfung des Metalls während der Abkühlphase berücksichtigen.
Der Metallgussprozess erklärt
Beim Zentralgussverfahren wird ein Metall erhitzt, in eine Form gegossen, abgekühlt und erstarrt und anschließend das fertige Teil aus der Form entnommen. In der Realität kann der Prozess jedoch viele weitere Schritte umfassen, und verschiedene Metallgussverfahren funktionieren unterschiedlich.
Nachfolgend finden Sie eine vereinfachte Übersicht des Metallgussverfahrens. Beachten Sie, dass einige Schritte je nach Gussvariante variieren, während andere ganz weggelassen werden.
1. Modellherstellung : Viele Metallgussverfahren erfordern zu Beginn die Anfertigung eines Modells, einer exakten Kopie des fertigen Teils, die zur Herstellung der Gussform dient. Modelle können dauerhaft oder vergänglich sein und aus Materialien wie Wachs, Holz oder Kunststoff bestehen.
2. Herstellung des Kerns : Für den Guss von Hohlteilen kann es erforderlich sein, einen Kern zu konstruieren – ein massives Materialstück, das in den Formhohlraum eingesetzt wird und die innere Geometrie des Gussteils prägt. (Beispielsweise erzeugt ein zylindrischer Kern in einer größeren zylindrischen Form ein rohrförmiges Gussteil.)
3. Formenherstellung : Formen werden je nach Verfahren auf unterschiedliche Weise hergestellt. So lassen sich beispielsweise dauerhafte Metallformen mithilfe einer CNC-Maschine fertigen, während Sandformen durch Auftragen eines Sandgemisches auf die Außenseite eines Modells entstehen. Die Herstellung von Formen wird als Formenbau bezeichnet und ist ein spezialisiertes Fachgebiet.
4. Befüllen der Form : Das Metall wird erhitzt, bis es schmilzt, und anschließend in die Form gegossen oder gepresst. Beim Schwerkraftgießen beispielsweise fließt das flüssige Material von oben in den Formhohlraum; beim Hochdruck-Kokillenguss wird es unter hohem Druck in den Hohlraum gepresst, wobei hohe Schließkräfte erforderlich sind, um die Form sicher zu halten.
5. Entnahme des Gussteils : Sobald das Gussteil abgekühlt und erstarrt ist, wird es aus der Form entnommen. Bei Verfahren wie dem Sandguss muss die Form zerstört werden, um an das Gussteil zu gelangen; bei Dauergussformen werden die beiden Hälften der Metallform auseinandergezogen und können wiederverwendet werden.
6. Nachbearbeitung : Gegossene Metallteile müssen möglicherweise gereinigt werden – beispielsweise um Formreste zu entfernen – oder es sind weitere Nachbearbeitungsschritte erforderlich, bevor sie einsatzbereit sind.
Vorteile des Metallgusses
Es gibt zahlreiche Gründe, Metallguss anderen Metallbearbeitungsverfahren wie Schmieden oder CNC-Bearbeitung vorzuziehen. Zu den wichtigsten Vorteilen des Metallgusses zählen:
- Geeignet für die Massenproduktion
- Kann riesige und schwere Teile herstellen
- Kann sehr dickwandige Teile herstellen
- Geeignet für große, einteilige Teile (und nicht für zusammengebaute Komponenten).
- Hervorragende Lagereigenschaften
- Ideal für einige Leichtmetalle
- Materialvielfalt
Zu den Einschränkungen des Metallgusses gehören unvermeidbare Defekte, begrenzte Maßgenauigkeit (im Vergleich z. B. zur CNC-Bearbeitung), hoher Arbeitsaufwand und typischerweise hohe Mindestbestellmengen.
Die wichtigsten Arten des Metallgusses
Druckguss
Als eines der wichtigsten Metallgussverfahren für filigrane und detaillierte Teile verwendet der Druckguss zwei wiederverwendbare Werkzeugstahlformen . Das Verfahren ähnelt dem Kunststoffspritzgießen: Das geschmolzene Material wird unter hohem Druck in den Formhohlraum gepresst , wodurch die Herstellung von Teilen mit feinen Details ermöglicht wird.
Die Herstellung von individuellen Gussformen ist kostspielig, weshalb dieses Verfahren vor allem in der Massenproduktion Anwendung findet. Einmal gefertigt, können diese Formen jedoch mehrfach verwendet werden. Druckgussteile weisen in der Regel eine ausgezeichnete Oberflächengüte auf.
Aluminium-Druckguss und Magnesium-Druckguss werden beide häufig zur Herstellung hochwertiger Teile eingesetzt.
Schwerkraftguss
Wie beim Druckguss wird auch beim Schwerkraftgießen Metall mithilfe einer wiederverwendbaren Metallform gegossen. Im Gegensatz zum Druckguss nutzt das Schwerkraftgießen jedoch die Schwerkraft, um das flüssige Metall von oben nach unten durch die Form zu befördern. Die Formen müssen vor dem ersten Guss vorgeheizt werden und bestehen aufgrund ihrer geringen thermischen Ermüdungsbeständigkeit häufig aus Gusseisen.
Das Schwerkraftgießen ist das älteste Metallgussverfahren; schwerkraftgegossene Teile existieren seit Jahrtausenden. Es handelt sich um eine Form des Kokillengusses; Alternativen zum Schwerkraftgießen sind Gasdruck- und Vakuumgießen.
Feinguss (Wachsausschmelzverfahren)
Feinguss oder Wachsausschmelzverfahren ist eine Methode zum Gießen von Metall unter Verwendung eines Einwegmodells und einer Einwegform: Beide Teile werden während des Gießvorgangs zerstört (obwohl das geschmolzene Wachs oft wiederverwendet werden kann).
Wie das Schwerkraftgießen ist auch das Feingießen Jahrtausende alt. Beim Wachsausschmelzverfahren wird ein Modell aus Wachs oder einem gleichwertigen Material hergestellt – manchmal von Hand, manchmal mithilfe eines 3D-Druckers mit Harz – bevor ein feuerfestes Material um das Modell gegossen wird, um die Gussform zu erzeugen.
Die Einbettmasse ist die Keramikschicht, die um das Modell herum aufgebracht wird und dann als Form für das geschmolzene Metall dient. Diese Keramikschicht wird in einem als Entformung bezeichneten Prozess entfernt.
Sandguss
Sandguss ist eine einfache, jahrhundertealte Methode zum Metallgießen und kostengünstiger als alternative Verfahren. Dabei wird Sand (vermischt mit einem Bindemittel wie Ton) als Formmaterial verwendet, und die Formen sind hochhitzebeständig.
Beim Sandgussverfahren wird ein Modell in Sand getaucht, der sich in einem speziellen Behälter, der sogenannten Gießform , befindet . Durch Verdichten des Sandes um das Modell herum entsteht eine Form, in die flüssiges Metall gegossen werden kann.
Der beim Metallgussverfahren verwendete Sand kann entweder Grünsand (feuchter Ton) oder lufthärtender Sand (trockener Sand mit einem Bindemittel) sein.
Andere Gießverfahren
Darüber hinaus gibt es Dutzende weitere Metallgussverfahren, die in der Fertigung eingesetzt werden, darunter das Lehmformen und das Schalenformen – beides Verfahren mit Einwegformen – sowie Dauerformverfahren wie das Schleudergießen und das Stranggießen.
Gießdruck: hoch oder niedrig?
Metalldruckguss ist ein wertvolles Metallbearbeitungsverfahren und lässt sich in zwei weitere Kategorien unterteilen: Hochdruck- und Niederdruckguss. Die Wahl des richtigen Drucks hängt von Faktoren wie Material, Wandstärke und Bauteilgröße ab.
Hochdruck-Druckguss ist eine gängigere Technik als Niederdruck-Druckguss und wird mehr als doppelt so oft angewendet.
Das Hochdruck-Druckgießen eignet sich besonders für weiche Legierungen wie Aluminium und Zink. Dabei wird das flüssige Metall mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in die Form gepresst, wofür eine leistungsstarke Presse zum Verschließen der Form erforderlich ist. Daher ist das Verfahren teurer als das Niederdruck-Druckgießen.
Vorteile des Hochdruck-Druckgusses:
- Schnelle Produktion
- Dünne Wände möglich
- Glatte Oberfläche
- Minimale Schrumpfung
Niederdruck-Druckgießen ist ein langsameres Druckgussverfahren, bei dem das flüssige Metall schonender in die Form gepresst wird. Es eignet sich für Legierungen mit niedrigen Schmelzpunkten. Obwohl langsamer als Hochdruck-Druckgießen, ist das Niederdruckgießen für komplexe Geometrien geeignet und ermöglicht die Herstellung sehr stabiler Bauteile.
Vorteile des Niederdruck-Druckgusses:
- Starke Teile
- Komplexe Geometrien
Gießbare Metalle
Für das Gießverfahren eignen sich verschiedene Metalle. Die drei am häufigsten von 3ERP akzeptierten Gusswerkstoffe sind jedoch Aluminium, Zink und Magnesium.
Aluminiumguss
Aluminiumguss ist das am weitesten verbreitete Verfahren zur Herstellung von Aluminiumbauteilen. Es wird zur Fertigung von Industrie- und Automobilteilen wie Getrieben und Motoren aus Legierungen wie A380 und A383 eingesetzt. Für Unternehmen, die zuverlässige Aluminiumguss-Dienstleistungen suchen , ist das Verständnis der verschiedenen Gussverfahren unerlässlich, um das richtige Verfahren hinsichtlich Leistung, Kosten und Produktionsmenge auszuwählen.
Es gibt verschiedene Verfahren zum Aluminiumguss. Aluminium-Druckguss eignet sich aufgrund seiner Schnelligkeit und der hervorragenden Oberflächengüte hervorragend für die Serienfertigung; Kokillenguss ist für besonders feste Aluminiumteile geeignet; und Sandguss ist für den Aluminiumguss kleiner Stückzahlen und komplexer Geometrien geeignet.
Unabhängig vom Gießverfahren lassen sich mit Aluminiumguss starke und leichte Teile herstellen, wodurch es sich als äußerst vielseitig erweist.
Zinkguss
Zinklegierungen sind beliebte, preiswerte und weit verbreitete Metalle, die sich gut zum Gießen eignen. Zinkguss erfolgt typischerweise im Hochdruck-Druckgussverfahren, was hohe Produktionsraten und einen minimalen Nachbearbeitungsaufwand ermöglicht.
Aufgrund der hohen Gießfließfähigkeit von Zink lassen sich mit Zinkguss Teile mit sehr dünnen Wänden und feinen Details herstellen. Zink kann zudem kaltverformt werden, um eine bessere Verbindung zu erzielen.
Hersteller können zwischen ZAMAK-Zinklegierungen und Zink-Aluminium-Legierungen (ZA) wählen. Zu den Zinkgussteilen gehören Automobilkomponenten, Klimaanlagenteile und elektronische Bauteile.
Magnesiumguss
Gießen – insbesondere Druckgießen – ist mit Abstand das gebräuchlichste Metallbearbeitungsverfahren zur Herstellung von Magnesiumteilen und macht etwa 98 % der Magnesiumteileproduktion aus.
Da Magnesium das leichteste aller Konstruktionsmetalle ist, eignet es sich ideal für Leichtbauanwendungen. Weitere Vorteile des Magnesiumgusses sind sehr dünne Wände, hervorragende Detailgenauigkeit und ein gutes Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht.
In kleinen Mengen können Magnesiumteile auch im Gipsgussverfahren hergestellt werden, für professionelle Anwendungen ist jedoch der Magnesium-Druckguss am besten geeignet.
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