Gussformen bilden die Grundlage des Metallgusses. Beim Metallguss wird geschmolzenes Metall in einen Formhohlraum gegossen, abgekühlt und verfestigt, um das gewünschte Bauteil herzustellen. Ein gut durchdachter Formplan kann die Risiken bei der Testproduktion wirksam verringern und ist ein entscheidender Faktor dafür, dass ein Projekt reibungslos vom Prototypenbau zur Serienfertigung übergeht.
MinHe ist ein führender Hersteller von Metallprodukten in China, der sich auf maßgeschneiderte Metallteile spezialisiert hat. Die Gießerei von MinHe nutzt hauptsächlich drei Gussverfahren: Niederdruckguss, Schwerkraftguss und Sandguss. Die Produktpalette umfasst eine breite Auswahl an Werkstoffen, darunter Aluminium, Eisen, Stahl und Kupfer. Unterschiedliche Werkstoffe und Gussverfahren erfordern unterschiedliche Werkzeugkonstruktionen. Daher bewertet MinHe jeden Formplan anhand von Zeichnungen, Produktionsvolumen und Qualitätsstandards, um festzustellen, ob er für Probeguss, Bearbeitung und Serienfertigung geeignet ist.
Was ist eine Gussform?
Eine Gussform ist ein Werkzeug, das dazu dient, geschmolzenes Metall aufzunehmen und während des Gießvorgangs die Form des Gussteils zu gestalten. Nachdem das geschmolzene Metall in den Formhohlraum eingeleitet wurde, füllt es den von der Form begrenzten Raum aus, kühlt ab und erstarrt.
Unter einer Gussform versteht man in der Regel den Formkörper, der das Gussteil direkt formt. Der Begriff „Gusswerkzeug“ hat eine weiter gefasste Bedeutung. Neben der Form selbst kann er auch Modelle, Kernkästen, Angüsse, Speiser, Entlüftungs-, Kühl-, Positionierungs- und Auswerfervorrichtungen umfassen.
Gussformen können verschiedene Ausführungen haben, beispielsweise Einwegformen, Dauerformen, Sandformen, Metallformen, einteilige Formen und mehrteilige Formen. Die Wahl der Formausführung hängt in der Regel vom Gussverfahren, der Bauteilkonstruktion und dem Produktionsvolumen ab.
Arten von Gussformen in verschiedenen Gussverfahren
Je nach Formmaterial, Bauteilstruktur und Produktionsvolumen kommen bei verschiedenen Gussverfahren unterschiedliche Arten von Formen und Werkzeugen zum Einsatz.
Sandgießen
Beim Sandguss werden zur Herstellung des Gussteils in der Regel Modelle, Kernkästen und Sandformen verwendet. Dieses Verfahren eignet sich für große Bauteile, die Kleinserienfertigung oder Gussteile mit komplexen inneren Hohlräumen.
Zu den gängigen Gussformen gehören:
- Modell: Legt die Form des Gussteils innerhalb der Sandform fest und dient als Grundlage für die Sandguss-Werkzeuge.
- Kernkasten: Dient zur Herstellung von Sandkernen und steht im Zusammenhang mit inneren Hohlräumen, Kanälen und der Stabilität der Wandstärke.
- Schablonenplatte: Hält die Schablone in Position und verbessert die Formgebungseffizienz sowie die Wiederholgenauigkeit.
- Sandform: Nimmt das geschmolzene Metall auf und prägt das Profil des Gussteils, wodurch sie die Oberflächenbeschaffenheit und die Maßhaltigkeit beeinflusst.
- Anguss- und Steigkanalsystem: Regelt den Metallfluss und die Zufuhr, was mit Schrumpfung, Kaltstellen und vollständiger Füllung zusammenhängt.
Feinguss
Das Feingussverfahren beginnt in der Regel mit Wachsmodellen, die mithilfe einer Wachs-Spritzgussform hergestellt werden; anschließend folgen der Formaufbau, das Entwachsen und der Guss.
Zu den gängigen Gussformen gehören:
- Wachs-Spritzgussform: Bestimmt die Konsistenz des Wachsmodells und ist für eine stabile Serienfertigung von Bedeutung.
- Wachsmodell: Bildet die endgültige Gussgeometrie ab und beeinflusst Formdetails und Maßhaltigkeit.
- Zusammenbau des Wachsmodells: Anordnung mehrerer Wachsmodelle und des Angusssystems, was sich auf die Anordnung beim Gießen und die anschließende Reinigung auswirkt.
- Einlaufsystem: Steuert den Weg der in den Mantel einströmenden Metallschmelze und steht im Zusammenhang mit der Befüllung und der Fehlerkontrolle.
- Hilfsvorrichtungen für den Formbau: Unterstützen die Positionierung des Wachsmodells und sorgen für eine höhere Stabilität der Form, wodurch Abweichungen zwischen den Chargen verringert werden.
Schwerkraftgießen
Beim Schwerkraftguss kommen in der Regel Metallformen zum Einsatz; dieses Verfahren wird häufig für Teile aus Aluminiumlegierungen in mittleren und kleinen Stückzahlen verwendet, wie beispielsweise Halterungen, Endkappen, Gehäuse, Abdeckplatten und Flansche.
Zu den gängigen Gussformen gehören:
- Metallform: Gewährleistet eine wiederholbare Formgebung und steht in Zusammenhang mit der Maßhaltigkeit und der Oberflächenqualität.
- Formhohlraum: Bestimmt die Form, das Profil und die Hauptabmessungen des Gussteils.
- Metallkern oder Sandkern: Dient zur Herstellung von inneren Bohrungen, Hohlräumen oder komplexen lokalen Strukturen.
- Entlüftungsvorrichtung: Leitet Luft und Gas aus dem Hohlraum ab und verringert so das Risiko von Gasporosität und unvollständiger Füllung.
- Auswerferkonstruktion: Beeinflusst die Stabilität beim Entformen; eine ungeeignete Konstruktion kann zu Verformungen oder Auswerferspuren führen.
Niederdruckgießen
Beim Niederdruckguss wird in der Regel eine Metallform verwendet, wobei die Schmelze unter kontrolliertem Niederdruck von unten in den Formhohlraum eingespeist wird. Bei dieser Art von Werkzeugen liegt der Schwerpunkt eher auf einer stabilen Befüllung, Zuführung, Entlüftung und Formtemperaturregelung.
Zu den gängigen Gussformen gehören:
- Metallform: Bestimmt die Form des Gussteils und dessen Hauptstruktur und ist entscheidend für die Gleichmäßigkeit der Charge.
- Steigrohranschluss: Verbindet den Zufuhrkanal für die Schmelze mit dem Formeingang und beeinflusst die Füllstabilität.
- Angussauslegung: Legt fest, wo die Metallschmelze in den Formhohlraum eintritt und wie sie fließt.
- Entlüftungssystem: Verringert das Risiko von Lufteinschlüssen und Gasporosität, insbesondere bei leckdichten Bauteilen.
- Kühlkanäle: Steuerung der Erstarrungsreihenfolge und der Hotspots, die sich auf Schrumpfung, Verformung und Lebensdauer der Form auswirken.
- Auswerferkonstruktion: Erleichtert das reibungslose Entformen des Gussteils und verringert Verformungen oder lokale Beschädigungen.
Druckgießen
Beim Hochdruckguss kommt eine komplexe Druckgussform zum Einsatz; dieses Verfahren eignet sich für die Fertigung von Teilen in großen Stückzahlen, mit dünnen Wänden und komplexer Geometrie.
Zu den gängigen Gussformen gehören:
- Festform und bewegliche Form: Legen Sie die Hauptstruktur der Form fest und bestimmen Sie die Art des Formöffnens sowie die Position der Trennfuge.
- Formnest: Bestimmt die Form des Gussteils, die Hauptabmessungen und die lokalen Details.
- Gussformen: Seitliche Bohrungen, Hinterschneidungen oder komplexe äußere Merkmale.
- Auswerferstifte: Drücken das Gussteil aus der Form heraus; die Position der Stifte hängt vom Aussehen und dem Verformungsrisiko ab.
- Anguss- und Angusskanalsystem: Steuert die Fließrichtung, die Geschwindigkeit und den Füllweg des Metalls.
- Überlauf- und Entlüftungsschlitze: Leiten Luft ab und sammeln kaltes Metall an der Strömungsfront, wodurch die Gasporosität und das Risiko von Kaltverschweißungen verringert werden.
- Kühlkanäle: Regulierung der Formtemperatur, Verkürzung der Zykluszeit und Verbesserung der Maßhaltigkeit.
Funktionen von Gusswerkzeugen
Gusswerkzeuge dienen nicht nur der Formgebung des Bauteils. Sie beeinflussen auch die Maße, die Oberflächenbeschaffenheit, die Fehlerkontrolle, die Bearbeitungszugabe und die Stabilität der Serienfertigung.
Abmessungskontrolle
Metall schrumpft beim Erstarren und Abkühlen. Bei der Konstruktion von Formen müssen die Schrumpfungsrate, die Verformungsneigung, der Entformungswinkel und die Bearbeitungszugabe berücksichtigt werden.
Reicht die Ausgleichskorrektur nicht aus, kann es bei dem Gussteil zu Abweichungen bei der Lochposition, ungleichmäßiger Wandstärke, mangelnder Ebenheit oder instabilen kritischen Maßen kommen.
Qualität der Oberfläche
Das Formmaterial, die Kavitätenoberfläche, die Qualität der Sandform, die Trennfuge, die Position der Auswerferstifte und das Entformungsverfahren haben alle Einfluss auf die Oberflächenbeschaffenheit des Gussteils.
Ist die Form abgenutzt oder schlecht gewartet, kann das Gussteil raue Oberflächen, vermehrten Grat, sichtbare Entformungsspuren oder lokale Oberflächenfehler aufweisen.
Fehlerkontrolle
Die Auslegung von Gusskanal, Anguss, Entlüftung und Kühlung beeinflusst den Fluss der Metallschmelze und den Erstarrungsverlauf. Eine unzureichende Entlüftung kann das Risiko von Gasporosität erhöhen. Eine unzureichende Zufuhr kann zu Schrumpfhohlräumen oder Schrumpfporosität führen. Ungeeignete Fließwege können zu Kaltstellen und unvollständiger Füllung führen.
Bei Aluminiumgehäusen, Pumpenkörpern und druckführenden Bauteilen können diese Mängel erst nach der CNC-Bearbeitung, der Dichtheitsprüfung oder der Montage sichtbar werden.
Zulage für die Bearbeitung
Viele Industriegussteile erfordern eine CNC-Bearbeitung an kritischen Flächen, Bohrungen, Gewinden und Montagebezugspunkten. Bei der Formkonstruktion müssen die zu bearbeitenden Bereiche, die Bearbeitungszugabe und die Bezugspunkte des Rohgussteils festgelegt werden.
Ist das Bearbeitungsspiel nicht ausreichend, mag das Rohgussteil zwar akzeptabel aussehen, erfüllt jedoch möglicherweise dennoch nicht die endgültigen Maß- oder Montageanforderungen.
Chargenstabilität
In der Serienfertigung beeinflussen der Zustand der Gussform die Abmessungen der Rohgussteile, die Oberflächenbeschaffenheit und die Schwankungen bei den Fehlern. Formverschleiß, verstopfte Entlüftungskanäle, ungleichmäßige Kühlung oder Änderungen an der Auswerferstruktur können zu Unterschieden zwischen den einzelnen Chargen führen.
Bei langfristigen Produktionsprojekten müssen in der Regel die Wartung der Formen, regelmäßige Inspektionen und notwendige Reparaturpläne berücksichtigt werden.
Wovon hängen die Kosten für Gussformen ab?
Die Kosten für Gusswerkzeuge sind nicht feststehend. Sie hängen in der Regel vom Gussverfahren, der Bauteilkonstruktion, dem Formmaterial, dem Produktionsvolumen, den Prüfanforderungen sowie der Anzahl der Test- und Überarbeitungsrunden ab.
Beim Vergleich von Angeboten sollten Einkäufer nicht nur die anfänglichen Werkzeugkosten berücksichtigen. Sie müssen auch beurteilen, ob der Werkzeugplan für eine stabile Produktion geeignet ist.
Gussverfahren
Verschiedene Gussverfahren sind mit unterschiedlichen Werkzeugkosten verbunden. Sandgussformen sind in der Regel kostengünstiger und eignen sich für Kleinserien oder große Bauteile. Metallformen für den Schwerkraftguss und den Niederdruckguss sind zwar teurer, bieten jedoch in der Regel eine bessere Maßhaltigkeit und Produktionsstabilität.
Hochdruckgussformen sind in der Regel am teuersten und eignen sich eher für Teile, die in großen Stückzahlen hergestellt werden, dünnwandig und komplex gestaltet sind.
Teilegröße
Je größer das Bauteil, desto größer wird in der Regel auch die Form. Dies stellt höhere Anforderungen an das Formmaterial, die Bearbeitungsmaschinen und die Fertigungszeit.
Große Gussteile erfordern unter Umständen auch komplexere Hebe- und Positionierungsvorgänge sowie aufwendigere Vorbereitungen für die Probeproduktion.
Strukturelle Komplexität
Tiefe Hohlräume, dünne Wände, Hinterschneidungen, komplexe Rippen und mehrere Trennlinien erhöhen den Aufwand bei der Konstruktion und Herstellung von Formen.
Je komplexer die Struktur, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Anpassungen im Versuchsbetrieb und Änderungen an der Form erforderlich werden.
Innere Hohlräume und Kerne
Weist das Gussteil innere Kanäle, Löcher oder komplexe Hohlräume auf, sind in der Regel Kernkästen und Sandkerne erforderlich.
Je mehr Sandkerne verwendet werden, desto komplexer wird die Positionierung und desto höher sind die Risiken einer Kernverschiebung und von Maßabweichungen. Dies kann zu höheren Werkzeugkosten sowie zu Schwierigkeiten bei der Validierung der Testläufe und der Qualitätskontrolle führen.
Material der Form
Holzformen, Harzformen, Aluminiumformen, Gusseisenformen, Stahlformen und Formen aus Werkzeugstahl unterscheiden sich hinsichtlich Kosten, Lebensdauer und Flexibilität bei der Anpassung.
Für Projekte mit geringen Stückzahlen eignen sich möglicherweise kostengünstigere und leichter anzupassende Werkstoffarten für die Werkzeugherstellung. Projekte mit hohen Stückzahlen erfordern in der Regel langlebigere Metallformen oder Druckgussformen.
Produktionsvolumen
Das angestrebte Produktionsvolumen wirkt sich auf die Höhe der Investitionen in Werkzeuge aus. Bei Projekten mit geringen Stückzahlen liegt der Schwerpunkt eher auf den anfänglichen Werkzeugkosten, während bei Projekten mit hohen Stückzahlen die Lebensdauer der Formen, die Produktionseffizienz, die Wartungskosten und die langfristige Stabilität im Vordergrund stehen.
Wenn für das Projekt ein langfristiger Beschaffungsplan vorliegt, sollten die Lebensdauer der Formen und die Wartungskosten frühzeitig bewertet werden.
Erprobung und Anpassung
Nach der Formenherstellung ist in der Regel eine Probeproduktion erforderlich. Die Proben müssen auf Maße, Oberflächenqualität, Bearbeitungszugabe und Mängel geprüft werden.
Bei abgedichteten oder druckhaltenden Bauteilen können zudem Dichtheitsprüfungen, Druckprüfungen oder andere Prüfungen erforderlich sein. Werden nach der Probeproduktion Maßabweichungen, Schrumpfporosität, Gasporosität, Kaltverschweißungen oder unzureichende Bearbeitungszugaben festgestellt, kann eine Anpassung der Form erforderlich sein.
Schlussfolgerung
Der Wert von Gussformen wird oft erst nach einer Probeproduktion deutlich. Bei der Umsetzung einer Zeichnung in eine Form, ein Modell oder einen Kernkasten werden Faktoren wie Schrumpfzugabe, Trennlinien, Kernpositionierung, Entlüftung und Bearbeitungsbereiche bereits in den Produktionsplan integriert. Werden diese Details zu Beginn nicht sorgfältig geprüft, können spätere Formänderungen und Prozessanpassungen eingeschränkt sein.
Da die Zahl der kundenspezifischen Gussprojekte weiter zunimmt, beschränkt sich der Gusswerkzeugbau nicht mehr nur auf den traditionellen Formenbau. 3D-gedruckte Vorlagen, Rapid-Prototypen, verstellbare Weichwerkzeuge, optimierte Kühlung in Metallformen sowie Bearbeitungs- und Prüfvorrichtungen spielen beim Übergang vom Prototyp zur Serienfertigung eine immer größere Rolle.
Bei MinHe erfolgt die Bewertung der Formwerkzeuge in der Regel im Zusammenhang mit der Prozessauswahl für Niederdruckguss, Schwerkraftguss und Sandguss. Der endgültige Formwerkzeugplan sollte die Gussformgebung, die Nachbearbeitung sowie das Produktionsvolumen berücksichtigen und nicht lediglich als Angebot für eine einzelne Form betrachtet werden.
