Kaffeemaschinen und Knieprothesen, Autos und Abflussrohre, Flugzeuge und Windkraftanlagen: Nichts geht ohne Gussteil

Seit mehr als 5.000 Jahren Jahren gießen Menschen Metall in Formen: um Schmuckstücke zu fertigen oder Werkzeuge, Bratpfannen oder Ofenrohre, mechanische Bauteile oder Motoren. Aufgrund der freien Formgestaltung, der konstruktiven Möglichkeiten und der besonderen physikalischen Eigenschaften sind gegossene Bauteile und Komponenten bis heute in vielen Verwendungen alternativlos. Mehr als 300 Tonnen schwer oder ein Gramm leicht und oftmals auf den ersten Blick kaum erkennbar, finden sie sich beispielsweise in nahezu allem, was fährt, schwimmt oder fliegt. Zum Beispiel

• Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderköpfe, Bremsenteile, Lenkungsteile, Getriebe- sowie Achsenteile in Autos und Lkw,
• Motorblöcke, Brems- und Fahrwerkskomponenten in Lokomotiven, Triebwagen und Waggons,
• Großmotoren, Propeller und Schiffsschrauben in Frachtern, Fähren und Kreuzfahrtschiffen
• Turbinen-, Düsenantrieb- und Fahrwerkskomponenten sowie Teile der Kabinenausstattung in Flugzeugen und Raketen:

Alle enthalten oder sind Gussteile.

Auch für den Maschinen- und Anlagenbau gilt: Ob Baustoff-, Holzverarbeitungs-, Druckerei-, Nahrungsmittel-, Textil- oder Werkzeugmaschine, Kompressor oder Vakuumpumpe – praktisch keine Maschine kommt ohne Gussteile aus. Auch die Stahlproduktion ist kaum denkbar ohne gegossene Walzen.

Gegossene Druck- und Abwasserrohre, Heizungskessel und Ofenrohre sowie Sanitärgussteile werden unter anderem in der Bauwirtschaft benötigt.

In der Elektrotechnik finden sich gegossene Bauteile in großem Umfang in Transformatoren und Generatoren, aber auch in vielen Alltagsgegenständen wie Kaffeeautomaten, Waschmaschinen. Hochspezialisierte Gussteile finden sich auch in der Medizintechnik, vom Krankenhausbett über die Knieprothese bis zum CT-Gerät.

 Geometriefreiheit und hohe Festigkeit – serienweise

Grundsätzlich sprechen zwei Faktoren für den Einsatz von Gießverfahren zu Herstellung von Bau- oder Fertigteilen:

• Die erforderliche geometrische Form eines Werkstücks lässt sich mittels anderer Fertigungsverfahren gar nicht oder nicht wirtschaftlich sinnvoll realisieren.
• Es sind bestimmte Materialeigenschaften – insbesondere Festigkeit – erforderlich, die nur gegossene Werkstücke bieten.

Dabei gilt: Bei nahezu allen Gießverfahren sind die Kosten für den Formenbau (Link) hoch, die (Stück)kosten in der eigentlichen Fertigung jedoch vergleichsweise gering. Daher sind die meisten Gießverfahren besonders wirtschaftlich in der Massenfertigung hoher Stückzahlen gleichartiger Gussteile einsetzbar, unabhängig davon, ob sie einfache oder komplexere Geometrien aufweisen.

Von der Form zum Gussteil:

Schwerkraft- und Druckgießen

Gießen zählt zu den Urformverfahren. Vereinfacht gesagt wird dabei aus ein formloser, meist flüssiger Werkstoff in ein festes Werkstück mit vorgegebener Geometrie verwandelt. Dabei gibt es zahlreiche Gießverfahren, die sich nach der Art des Materialflusses – frei (Schwerkraftguss) oder erzwungen (Druckguss) – und insbesondere nach der Art der Formen bzw. Formherstellung unterscheiden lassen.

In der Metallverarbeitung kommen vielfach freie Gießverfahren zum Einsatz. Hierbei wird allein die Schwerkraft zum Einfüllen des flüssigen Metalls in die Werkform genutzt. Die Gießzeiten für ein Werkstück im Schwerkraftguss liegen dabei deutlich über den Fertigungszeiten von Druckgießverfahren.

Eine Formeinrichtung für einen Gießprozess im Schwerkraftguss besteht aus Einguss, Lauf, Anschnitt, Form und Speiser. Dabei gilt: Je höher der Einguss, durch den der Werkstoff fließt, desto höher der Formfüllungsdruck. Allerdings erfolgt die eigentliche Befüllung der Form nicht von oben, sondern durch den Lauf von unten, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Werkstoffes in der Form zu erreichen. Der über der Form befindliche Speiser ermöglicht das vollständige Befüllen der Form und verhindert zugleich die Bildung von Lunkern im Gussteil. Hohlräume in Gussteile werden dabei mithilfe von Kernen in der Form erstellt. Nach Abschluss des Gießprozesses wird das Gussteil aus der Form entfernt und gegebenenfalls der Kern entnommen, dann gereinigt und geprüft.

Beim Druckguss wird dagegen der Werkstoff in das Formwerkzeug gedrückt/gepresst. Die Schmelzgeschwindigkeiten sind entsprechend hoch, die durchschnittlichen Formfüllzeiten kurz. Als Werkstoff für Druckgießverfahren eignen sich aufgrund ihrer geringeren Werkstoffdichte besonders für Kunststoffe, aber Metalllegierungen sind weit verbreitet. Der so genannte Schleuderguss, der der Herstellung von Hohlteilen aus Eisen, Stahl, Kupferlegierungen und Leichtmetallen dient, zählt ebenfalls zu den Gießverfahren mit erzwungenem Materialfluss.

Dauerformen und verlorene Formen

Mit Blick auf den Formenbau lassen sich Gießverfahren ebenfalls in zwei Gruppen einteilen, und zwar Gießverfahren mit Dauerformen und Gießverfahren mit verlorenen Formen.

Dauerformen werden vor allem im Druckguss und im Kokillenguss verwendet. Sie werden in der Regel aus Metall gefertigt und sind auf eine (sehr) große Zahl von Gießprozessen ausgelegt. Die Entwicklung und Fertigung dieser Formen ist vergleichsweise zeit- und kostenintensiv und rechnet sich für Serienfertigungen mit mittleren bis hohen Stückzahlen.

Bei Gießverfahren mit verlorenen Formen – hier sind insbesondere Sandguss, Ausschmelzverfahren und Vollformguss zu nennen – werden die Formen für jeden Gießprozess erneut von einem Modell abgeformt und im oder nach dem Gießprozess zum Freilegen des Werkstücks zerstört. Beim Vollformgießen sowie beim Feinguss werden die verwendeten Formen aus Polystyrol oder Wachs sogar bereits während des Gießprozesses aufgelöst oder ausgeschmolzen.

Die gängigsten Gießverfahren im Überblick

Besonders groß, besonders komplex: Sandguss

Der Sand(form)guss war für Jahrhunderte das wichtigste Gießverfahren und ist bis heute für industrielle Verwendungen unentbehrlich. Ein breites Spektrum von insbesondere sehr großen und/oder komplexen Gussteilen wie Motoren, Turbinen, Zylinderwalzen und andere Bauteile im Automobil- und Maschinenbau, im Schiffs- und Flugzeugbau, im Windanlagenbau und vielen anderen Industrien werden mit Hilfe von Sandgießverfahren gefertigt. Auch bei der Herstellung von Glocken und gegossenen Kunstgegenständen kommen der Sandguss zum Einsatz.

Beim Sandguss wird auf Basis einer Zeichnung oder einer digitalen 3D-Konstruktion ein Modell des zu fertigenden Werkstücks aus Holz, Kunststoff oder Metall maßstabsgetreu hergestellt. Das so entstandene Modell wird in einem Sand-Betonit-Gemisch abgeformt, dann entfernt. Durch Ausgießen des entstandenen Hohlraums mit einem geschmolzenen Werkstoff entsteht das Gussteil in der gewünschten Geometrie. Ist das Gussteil vollständig abgekühlt und erstarrt, wird die Sandform zerstört, um es zu entnehmen. Eine Wiederverwendung des Sandes zur Herstellung neuer Formen ist grundsätzlich möglich.

Sandgießprozesse erfordern spezifische werkstoffspezifische Fachkenntnisse und Erfahrungswerte. Dann erlauben sie auch die Herstellung komplexer Werkstücke mit aufwändigen Geometrien. Hohlräume und verschiedene Materialquerschnitte sind realisierbar.

Besonders detailgetreu, besonders maßgenau: Feinguss

Feinguss ist ein Formgießverfahren zur Herstellung kleinster, detailgetreuer und maßgenauer Bauteile mit Hilfe eines Wachsausschmelzverfahrens und zählt ebenfalls zu den Gießverfahren mit verlorenen Formen. Das bedeutet: Die Form, in der Werkstoff – meist Stahllegierungen –  gegossen wird, besteht aus Wachs oder thermoplastischen Kunststoffen und löst sich während des Gießprozesses auf.Die so gefertigten Feingussteile erfordern aufgrund ihrer hohen Oberflächengenauigkeit in der Regel keine Nachbearbeitung, sondern sind direkt einbaufertig. Feingießverfahren eignen sich dabei nicht nur für besonders kleine Teile (ab 1,00 Gramm). Auch bei komplexen Bauteilen oder zur Umgehung aufwändiger Nachbearbeitungsprozesse kann der Feinguss die wirtschaftlichere Alternative zu anderen Gießverfahren sein.

Besonders viel, besonders schnell, besonders niedrige Stückkosten: Druckguss

Der Druckguss – auch Pressguss genannt und nicht zu verwechseln mit dem in der kunststoffverarbeitenden Industrie eingesetzten Spritzguss –  ist ein vollautomatisiertes Gießverfahren für die Serien- oder Massenfertigung von Bauteilen.

Anders als der Sandguss arbeiten Druckgießverfahren grundsätzlich mit Dauerformen und nicht mit Modellen. Dadurch ist die Formherstellung in der Regel zeit- und kostenintensiv, der eigentliche Gießprozess jedoch deutlich weniger aufwändig. Dabei wird flüssiges Metall mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in die Gussform eingefüllt. Nach dem Erkalten und Erstarren des Werkstoffs wird die Gussform geöffnet, das Werkstück entnommen und der nächste Gießprozess kann beginnen.

Die wesentlichen Vorteile von Druckgießverfahren:

• Druckgussteile sind hochgenau mit glatten Flächen und Kanten. Denn der hohe Druck presst das flüssige Metall auch in engste Querschnitte, so dass eine präzise Wiedergabe der von der Form vorgegebenen Konturen möglich ist. Das bedeutet realisierbare Wandstärken von 1 ,00 mm bis 1,40 mm und erreichbare Toleranzen von 0,05 mm bis 0,15 mm.
• Die sehr hohe Formfüllgeschwindigkeit sorgt für sehr kurze Fertigungszeiten der einzelnen Werkstücke. Je nach eingesetzter Druckgussmaschine und verwendetem Werkstoff können bis zu 000 Gießprozesse pro Stunde durchgeführt werden, bei denen zehntausende bis mehrere Millionen Bauteilen gegossen werden.

Beim Druckguss finden überwiegend niedrigschmelzende Metalllegierungen als Werkstoff Verwendung, insbesondere Aluminium, Zink, Magnesium und Siliziumtombak. Aber auch Legierungen mit Kupferzusätzen für mehr Festigkeit und bessere Bearbeitbarkeit oder Nickelzusätzen für eine höhere Hitzebeständigkeit (Kolben, Zylinderköpfe) kommen verbreitet zum Einsatz. Je nach eingesetzter Legierung unterscheiden sich der für das Gießverfahren erforderliche Druck sowie die Schmelztemperatur.

Der Aluminiumdruckguss ermöglicht leichte und dünnwandige Bauteile in hoher Maßhaltigkeit und Prozessstabilität. Aluminiumgussteile sind korrosions- und witterungsbeständig und gut leitfähig. Auch kleine und mittlere Losgrößen lassen sich mittels Aluminiumgießverfahren wirtschaftlich herstellen. In der Massenfertigung wird der Aluminiumdruckguss beispielsweise in der Elektro- und der Automobilindustrie eingesetzt.

Auch der Zinkdruckguss punktet mit präzisen Bauteilen und hoher Wiederholungsgenauigkeit. Er eignet sich für kleine bis mittelgroße Bauteile (Reißverschluss über Modelleisenbahn bis Computergehäuse). Der Energiebedarf im Gießprozess ist aufgrund der geringeren Schmelztemperatur deutlich niedriger als beim Aluminiumdruckguss. Zinkgussteile sind sehr widerstandsfähig gegen Korrosion und werden in Großserie insbesondere für die Elektroindustrie (Computer- und Handygehäuse), die Sanitärbranche (Wasserhähne, Handbrausen), den Möbelbau, die Schloss- und Beschlagindustrie (Scharniere) sowie für die Automobilindustrie gefertigt.

Magnesium ist der leichteste metallische Konstruktionswerkstoff und verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, ist jedoch nur wenig korrosionsbeständig. Mit Magnesiumdruckgießverfahren lassen sich noch dünnwandigere und großflächigere Bauteile herstellen als im Aluminiumdruckguss. Im Ergebnis kommt der Magnesiumdruckguss vor allem in Leichtbauanwendungen in der Elektro-, Automobil- und Luftfahrtindustrie zum Einsatz, aber auch bei der Herstellung von Haushaltsgeräten und im Werkzeugbau. Aluminiumgussteile lassen sich dabei sowohl in Klein- als auch Großserie wirtschaftlich fertigen.

Siliziumtombak ist eine genormte Kupfer-Zink-Silizium-Legierung, die als Konstruktionswerkstoff mit höchster Festigkeit insbesondere bei Druckgießverfahren dünnwandiger und hochbeanspruchter Konstruktions- und Bauteile zum Einsatz kommt.

Wichtig: Auf den ersten Blick scheinen sich (Metall)Druckguss und (Kunststoff)Spritzguss nur wenig zu unterscheiden. Beide erfordern hohe Anfangsinvestitionen für Gießmaschinen bzw. – auf das einzelne Bauteil bezogen – für den Formenbau. Beide sind Fertigungsverfahren der Massenproduktion. Generell gilt jedoch:

• Spritzgussteile aus Kunststoff sind in der Regel preiswerter, leichter und korrodieren weniger schnell als Metallteile. Allerdings sind sie auch weniger formstabil als Metallgussteile, insbesondere bei Temperaturen ab 100 Grad Celsius.
• Druckgussteile aus Metall sind wesentlich temperaturbeständiger – Aluminiumgussteile beispielsweise bis rund 450 Grad Celsius – und biegefester als Spritzgussteile. Eine Ausnahme bilden hier neue (und teure) Spezialkunststoffe als Werkstoff. Aufgrund ihrer Materialeigenschaften sind druckgegossene Metallbauteile jedoch in vielen Verwendungen alternativlos.

Besonders anspruchsvoll, aber schweißbar:  Stahlguss

Stahlguss vereint die geometrischen Formfreiheiten des Gießens mit den werkstofftechnischen Eigenschaften hochwertiger Stähle und ist eines der anspruchsvollsten Metallgießverfahren.

Die besondere Herausforderung: Stahlgießverfahren erfordern extrem hohe Gießtemperaturen von mindestens 1.600 Grad Celsius (Schmelztemperatur von Eisen: 1.538 Grad Celsius). Diese betreffen nicht nur die Schmelztechnik, sondern auch die Feuerfestigkeit der Schmelztiegel, Formen und Gießwerkzeuge. Da Stahlschmelze ein vergleichsweise zähflüssiger Werkstoff ist, werden Formen oft ungleichmäßig ausgefüllt. Beim Erkalten von Stahlgussteilen entsteht zudem eine grobkörnige Oberfläche. Beides gemeinsam erfordert eine Nachberarbeitung des Werkstücks, unter anderem durch Wärmebehandlungen. Eine weitere Herausforderung ist der hohe Grad der Schwindung – also der Faktor, um den das fertige Gussteil beim Erkalten schrumpft –, der mit rund zwei Prozent etwa doppelt so hoch ausfällt wie beim Grauguss.

Grundsätzlich werden beim Stahlguss werden sowohl unlegierte Stähle als auch mit Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium und Wolfram hoch- oder niedrig legierte Stähle eingesetzt. Die Stahllegierungen unterscheiden sich stark in ihren Materialeigenschaften je nach Legierungsbestandteil.

Gussteile aus unlegierten Stählen sind jedoch solchen aus herkömmlichen Gusseisen mechanisch weit überlegen und von besonders hoher Festigkeit. Mit ihrem niedrigen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,5 Prozent – bei Gusseisen, Grau- und Weißguss liegt er bei mindestens 2,06 Prozent – sind unlegierte Stahlgussteile sogar schmiedbar und schweißbar. Diese Materialeigenschaften wiegen die Schwierigkeiten beim Gießprozess wieder auf. So ist der Stahlguss beispielsweise bei der Fertigung hochtemperaturbeständiger Dampfturbinengehäusen mit mehreren hundert Tonnen Eigengewicht alternativlos. Auch der Stahlguss von Reaktordruckbehältern für Hochtemperaturreaktoren wurde bereits angedacht.

Nur für rotationssymmetrische Bauteile: Schleuderguss

Schleuderguss ist ein Gießverfahren zur Herstellung von Bauteilen mit rotationssymmetrischen Geometrien. Hierzu wird flüssiges Metall, teils auch flüssiger Kunststoff in eine um ihre Mittelachse rotierende Gussform gefüllt, deren Innengeometrie die Außenform des Gussteils definiert. Der Werkstoff erstarrt während der Rotationsbewegung. Die Zentrifugalkräfte beim Gießprozess führen dabei zu einer höheren Materialdichte und eine höheren Festigkeit des Gussteils als bei einem Sand- oder Druckgießverfahren. Schleudergießverfahren kommen beispielsweise in der Fertigung von Trommelmänteln, Schneckenkörper, Rohren, Ventilsitzringen von Großmotoren und Stranggießanlagen in Hütten- und Stahlwerken zum Einsatz.

Für Prototypen und Testserien: Vakuumguss

Eine Sonderform des Druckgusses sind vakuumunterstützte Gießverfahren zur Optimierung der Materialeigenschaften des Gussteils. Bei vakuumunterstützten Druckgießverfahren werden Luft und Gase aus der Füllkammer bzw. Form während des Gießprozesses abgesaugt, so dass Werkstücke mit besonders hoher Dichtigkeit und keinen oder nur geringen Gaseinschlüssen entstehen. Als Werkstoff für diese Druckgießverfahren eigenen sich in erster Linie hochfeste Warmarbeitsstähle sowie Spezialwerkstoffe.

Wichtig: Vakuumunterstützte Druckgießverfahren mit Metallen sind nicht gleichzusetzen mit dem Vakuumguss, der im Rapid Prototyping eingesetzt wird. Bei letzterem wird eine Form aus Silikonkautschuk auf Basis eines mittels Rapid Technologie hergestellten Urmodells gegossen. Diese Silikonform dient wiederum der Herstellung von Prototypen und Testserien aus Gießharzen und niedrigschmelzenden Metalllegierungen sowie Urmodellen aus Wachsen (beispielweise für den Feinguss). Vakuumgussformen sind kostengünstig und kurzfristig zu produzieren und bieten eine vergleichsweise hohe Vervielfältigungsgenauigkeit. Jedoch verschleißen sie sehr schnell und eignen sich nur für Werkstoffe mit niedrigen Verarbeitungstemperaturen, da ab 70 Grad Celsius die Silikonform Schaden nimmt.

Leicht und detailgetreu, witterungsbeständig und leitfähig?

Gussteile verfügen je nach verwendeter Legierung und nach Gießverfahren über unterschiedlichste Materialeigenschaften. Auch die Fertigungskosten in Abhängigkeit von der Losgröße variieren stark. Grundsätzlich erfordern Gießverfahren mit Dauerformen – allen voran der verbreitete Druckguss – höhere Anfangsinvestitionen für Formenentwicklung und -bau. Die Stückpreise einzelner Gussteile in der Massenfertigung sind dagegen meist sehr gering, da die Gussformen auf eine millionenfache Wiederholung des Gießprozesses ausgelegt sind.

In Gießverfahren mit verlorenen Formen – Stichwort: Sandguss – muss dagegen für jeden Gießprozess eine neue Form anhand eines Modells gefertigt werden. Plant man nur eine oder wenige Abgüsse, ist dies meist die wirtschaftlichere Methode – jedoch mit weitaus geringerer Maßhaltigkeit und Prozessgenauigkeit.