Schwerkraft-Druckguss: Verfahren und Anwendungsbereiche

Beim Schwerkraftguss handelt es sich um ein Fertigungsverfahren, bei dem geschmolzenes Metall in eine Form gegossen wird und den Formhohlraum unter seinem eigenen Gewicht ausfüllt, bevor es abkühlt und zu einem fertigen Gussteil erstarrt. Bei der Herstellung von Aluminiumkomponenten versteht man unter Schwerkraftdruckguss in der Regel das Gießen unter Schwerkraft mit wiederverwendbaren Metallformen.

Genau genommen bezeichnet der Begriff „Schwerkraft“ das Füllverfahren, während „Metallform“ die Art der Form beschreibt. Auch beim Sandguss wird die Form durch Schwerkraft befüllt, doch unterscheidet sich dieses Verfahren vom Schwerkraftdruckguss hinsichtlich des Formaufbaus, der Kühlbedingungen und der Produktionsorganisation. Die folgenden Abschnitte befassen sich hauptsächlich mit dem Aluminium-Schwerkraftdruckguss mit dauerhaften Metallformen.

Was ist Schwerkraftgießen?

Beim Schwerkraftdruckguss wird eine wiederverwendbare Metallform verwendet. Die Metallschmelze gelangt über ein Angusssystem in den Formhohlraum und füllt diesen unter Einwirkung der Schwerkraft aus. Nach dem Abkühlen und Erstarren wird die Form geöffnet, das Gussteil entnommen und die Form kann für den nächsten Produktionszyklus wiederverwendet werden.

Dieses Verfahren gehört zur Familie der Permanentformgussverfahren und wird häufig für Aluminiumkomponenten eingesetzt. Der wesentliche Unterschied zum Hochdruckguss liegt in der Art der Formfüllung. Beim Schwerkraftguss wird kein Einspritzsystem verwendet, um die Schmelze schnell in die Form zu drücken. Stattdessen wird der Metallfluss über das Angusssystem und die Formgestaltung gesteuert.

Wie funktioniert der Schwerkraftdruckguss?

Der Prozess umfasst im Wesentlichen zwei Aufgaben: das vollständige Befüllen des Formhohlraums und die Steuerung des Erstarrungsprozesses des Gussteils. Die Vorbereitung der Form, das Gießen und die Abkühlung müssen aufeinander abgestimmt sein, um ein Gussteil zu erhalten, das für die anschließende Bearbeitung und Endbearbeitung geeignet ist.

Formvorbereitung und Vorwärmen

Die Form wird zunächst gereinigt, vorgewärmt und entsprechend den Prozessanforderungen beschichtet. Das Vorwärmen verhindert, dass das geschmolzene Metall beim Kontakt mit der Form zu schnell Wärme verliert, während die Beschichtung die Form schützt und dazu beiträgt, die lokale Wärmeübertragung zu steuern.

Enthält das Bauteil gekrümmte Passagen oder innere Strukturen, die nicht direkt aus der Metallform gelöst werden können, können vor dem Schließen der Form Sandkerne eingesetzt werden. Diese Kerne müssen präzise positioniert werden, da sich sonst der Innenhohlraum verschieben oder die Wandstärke an bestimmten Stellen verändern kann.

Gießen und Füllen

Das vorbereitete geschmolzene Metall wird über den Anguss in die Form geleitet und über das Angusssystem im Formhohlraum verteilt. Das Angusssystem sollte das Metall so reibungslos wie möglich leiten, während Entlüftungskanäle dafür sorgen, dass die Luft im Formhohlraum entweichen kann, und so das Risiko von eingeschlossenem Gas und der Mitnahme von Oxidschichten verringern.

Das Gießen kann mit einer stationären Form oder mit einer Kippgießvorrichtung erfolgen, bei der die Ausrichtung der Form durch kontrollierte Drehung verändert wird. Das Kippen kann dabei helfen, den Fließweg zu steuern, doch seine Wirksamkeit hängt davon ab, wie gut die Gestaltung des Angusskanals auf die Bewegungsabfolge abgestimmt ist.

Verfestigung und Zuführung

Metall zieht sich beim Erstarren zusammen, sodass Bereiche, die noch nicht erstarrt sind, zusätzliches flüssiges Metall benötigen, um den Schwund auszugleichen. Angusskanäle speichern und führen geschmolzenes Metall zu, während eine lokale Formkühlung dazu beitragen kann, den Erstarrungsablauf zu steuern.

Dickere Abschnitte neigen dazu, Überhitzungsstellen zu bilden und erst später zu erstarren. Wenn der Angusskanal zu früh erstarrt, können Schrumpfhohlräume oder Schrumpfporosität zurückbleiben. Bei der Auslegung des Angusskanals müssen daher sowohl die Bauteilgeometrie als auch die lokale Wärmeableitung berücksichtigt werden.

Formöffnung und Nachbearbeitung

Sobald das Gussteil einen für die Entnahme geeigneten Zustand erreicht hat, wird die Form geöffnet und die Sandkerne, Angüsse, Steige sowie der Grat werden entfernt. Auch der Zeitpunkt der Entnahme muss genau gesteuert werden. Eine zu frühe Entnahme des Gussteils kann zu Verformungen führen, während eine zu späte Entnahme die Form blockiert und den Produktionszyklus verlängert.

Je nach den Anforderungen der Zeichnung kann das Gussteil auch einer Wärmebehandlung, einer CNC-Bearbeitung und einer Oberflächenveredelung unterzogen werden. Unterschiedliche Legierungen und Anwendungsbereiche erfordern unterschiedliche Fertigungsabläufe, sodass nicht jedes Schwerkraftgussteil die gleiche Nachbearbeitung erhält.

Welche Werkstoffe werden üblicherweise beim Schwerkraftdruckguss verwendet?

Der Schwerkraftdruckguss wird hauptsächlich für Nichteisenlegierungen wie Aluminium-, Magnesium- und Kupferlegierungen eingesetzt. Aluminiumlegierungen sind in der Fertigung von Industriekomponenten besonders verbreitet. Aluminiumgusslegierungen wie A356 und A357 werden häufig für Gehäuse, Halterungen, Pumpenkörper und Strukturbauteile verwendet, die möglicherweise einer anschließenden Bearbeitung oder Wärmebehandlung bedürfen.

Verschiedene Legierungen weisen unterschiedliche Fließfähigkeit, Erstarrungsbereiche und Reaktionen auf Wärmebehandlungen auf. Die Materialauswahl wirkt sich daher auf die Formfüllung, die Zuführung und das Wärmemanagement aus. Lange, dünnwandige Bauteile reagieren empfindlicher auf Wärmeverluste und den Metallfluss während der Formfüllung, während bei dickeren oder tragenden Bauteilen auch die mechanischen Eigenschaften, der Wärmebehandlungszustand und die Anforderungen an den späteren Einsatz berücksichtigt werden müssen.

Wenn in der Zeichnung bereits eine Legierung angegeben ist, muss der Gussprozess in der Regel an dieses Material angepasst werden, anstatt feste Prozessparameter anzuwenden, die sich ausschließlich auf die Form des Bauteils stützen.

Was ist bei der Konstruktion von Schwerkraftdruckgussformen zu beachten?

Bei der Konstruktion von Schwerkraftdruckgussformen geht es nicht nur darum, ob die endgültige Geometrie geformt werden kann. Es muss auch berücksichtigt werden, ob die Schmelze den Formhohlraum vollständig ausfüllen kann, ob das Gussteil kontrolliert erstarren kann, ob sich die Form ordnungsgemäß öffnen lässt und ob die anschließende Bearbeitung effizient durchgeführt werden kann.

Wanddicke und Querschnittsübergänge

Die Wandstärke wirkt sich unmittelbar auf den Einlauf und die Erstarrung aus. Lange, dünne Abschnitte können ihre Fließfähigkeit verlieren, bevor das Metall das Ende des Formhohlraums vollständig erreicht hat, während dicke Abschnitte langsamer abkühlen und eher lokale Überhitzungsstellen bilden.

Abrupte Änderungen der Querschnittsdicke sollten nach Möglichkeit vermieden werden. Flanschansätze, große Vorsprünge und Schnittstellen zwischen Rippen können zu lokalen Materialansammlungen führen und sollten hinsichtlich der Zufuhr- und Kühlbedingungen sorgfältig geprüft werden.

Fugen und Ecken

Entlastungsrillen können den Metallfluss durch den Formhohlraum verbessern und lokale Spannungen verringern, die durch abrupte Querschnittsänderungen verursacht werden. Scharfe Ecken können die Füllung erschweren und zudem ungünstige lokale thermische Bedingungen sowie Erstarrungsbedingungen hervorrufen.

An Konstruktionsanschlüssen lassen sich allmähliche Übergänge in der Regel leichter kontrollieren als plötzliche Zunahmen der Querschnittsdicke.

Entwurfs- und Trennlinien

Da sich dauerhafte Metallformen wiederholt öffnen und das Gussteil freigeben müssen, muss bei der Geometrie des Bauteils die Entnahmerichtung berücksichtigt werden. Hinterschneidungen, tiefe Hohlräume und seitliche Merkmale erfordern unter Umständen bewegliche Einsätze, Kernziehmechanismen oder andere Hilfswerkzeuge.

Die Lage der Trennfuge wirkt sich zudem auf den Formenbau und die anschließende Reinigung aus. Die Konzentration komplexer Merkmale in Bereichen, die sich nur schwer lösen lassen, kann sowohl die Komplexität des Werkzeugbaus als auch den Produktionsaufwand erhöhen.

Sandkerne und innere Merkmale

Innere Durchgänge, Hohlräume und Strukturen, die nicht direkt mit herausnehmbaren Metallkernen hergestellt werden können, lassen sich mit Sandkernen fertigen. Die Kerne müssen nicht nur die erforderliche Geometrie aufweisen, sondern auch während des Gießvorgangs stabil bleiben.

Eine Verschiebung des Kerns kann zu einer Verschiebung der inneren Hohlräume führen, ungleichmäßige Wandstärken verursachen und sich auf die Bearbeitungszugabe oder die Montageabmessungen auswirken. Bei der Konstruktion innerer Merkmale müssen daher die Herstellung, die Positionierung und die Entnahme des Kerns berücksichtigt werden.

Ventilsystem und Füllweg

Angusskanäle und Angussrinnen müssen die Metallschmelze in verschiedene Bereiche des Formhohlraums leiten und dabei übermäßige Turbulenzen und unnötigen Strömungswiderstand minimieren. Bei Bauteilen mit langen Strömungswegen können übermäßig lange Füllwege oder abrupte Querschnittsänderungen das Risiko einer vorzeitigen Abkühlung in abgelegenen Bereichen erhöhen.

Auch die Entlüftung muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden. Wenn die Luft nicht ausreichend entweichen kann, kann es zu lokalen Gaseinschlüssen kommen, selbst wenn die Metallschmelze den Hohlraum erreicht.

Verfestigung und Hot-Spot-Kontrolle

Dicke Flansche, große Vorsprünge, Lagersitze und Rippenschnittstellen sind typische Problemstellen. Diese Bereiche erstarren in der Regel als letzte, weshalb die Zuführwege auch in den späteren Phasen der Erstarrung funktionsfähig bleiben müssen.

Durch den Einsatz von Steigkanälen, lokaler Kühlung und Anpassungen der Wandstärke lässt sich der Erstarrungsablauf verbessern. Im Vergleich zur Gesamtgröße des Bauteils haben lokale Materialkonzentrationen oft einen größeren Einfluss auf das Risiko von Schrumpfhohlräumen und Schrumpfporosität.

Bearbeitungszugabe und Bezugspunkte

Bei Bauteilen, die eine CNC-Bearbeitung erfordern, sollten bereits bei der Konstruktion des Gussteils Bearbeitungszugaben und Bezugspunkte festgelegt werden. Wenn Lagersitze, Dichtflächen, Befestigungsbohrungen oder Gewindebereiche nicht über ausreichende Bearbeitungszugaben verfügen, können die Anforderungen der Zeichnung bei der späteren Bearbeitung möglicherweise nicht erfüllt werden.

Auch der Zusammenhang zwischen bearbeiteten Oberflächen und der Lage von Hotspots muss berücksichtigt werden. Innere Schrumpfung, die im Gusszustand nicht sichtbar ist, kann nach der Bearbeitung an einer Dichtfläche oder einem Lagersitz zutage treten.

In der Praxis müssen bei der Konstruktion von Schwerkraftgussformen drei Fragen gleichzeitig beantwortet werden: Kann das Metall den Hohlraum ausfüllen? Kann der Guss zuverlässig erstarren? Ist der Gussrohling für die erforderliche nachgelagerte Bearbeitung geeignet?

Vor- und Nachteile des Schwerkraftdruckgusses

Vorteile

• Gleichmäßigere Maße bei der Serienfertigung. Wiederverwendbare Metallformen können ein relativ stabiles Hohlraumprofil gewährleisten. Wenn die Formtemperatur und der Verschleiß kontrolliert werden, lassen sich das Bearbeitungsaufmaß und die Position der Befestigungspunkte leichter konsistent halten.
• In vielen Fällen eine feinere Oberfläche als bei herkömmlichen Sandgussteilen. Ein Metallhohlraum bildet die körnige Struktur einer Sandform nicht nach, obwohl die endgültige Oberfläche weiterhin von der Formbeschichtung, den Trennlinien und den Reinigungsverfahren abhängt.
• Gut geeignet für die anschließende Präzisionsbearbeitung. Der Hauptkörper, die Vorsprünge und die Rippen können im Gussverfahren gefertigt werden, während Lagersitze, Gewindebohrungen und Dichtflächen anschließend maschinell bearbeitet werden.
• Mit Sandkernen lassen sich innere Hohlräume schaffen. Dadurch wird das Spektrum der Hohlräume erweitert, die in einer wiederverwendbaren Metallform hergestellt werden können.
• Einige Aluminiumlegierungen lassen sich wärmebehandeln. Aluminiumgusslegierungen wie A356 und A357 können einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um ihre mechanischen Eigenschaften zu verändern, wobei der endgültige Zustand jedoch weiterhin vom Werkstoff, der Anwendung und dem Verformungsrisiko abhängt.

Benachteiligungen

• Eingeschränkte Eignung für das Befüllen langer, dünnwandiger Teile. Geschmolzenes Metall gibt beim Fließen kontinuierlich Wärme an die Form ab, sodass lange, dünne Bereiche bereits erstarren können, bevor der Formhohlraum vollständig gefüllt ist.
• Höhere Anfangsinvestitionen in Werkzeuge als beim herkömmlichen Sandguss. Metallformen erfordern bearbeitete Formnester, Öffnungs- und Schließmechanismen sowie die Berücksichtigung wiederholter Temperaturwechsel.
• Die Produktionszyklen sind in der Regel langsamer als beim Hochdruckguss. Das Schwerkraftgießen und das Erstarren nehmen Zeit in Anspruch, während das Einbringen des Sandkerns und die Reinigung der Gussform die Zykluszeit zusätzlich verlängern können.
• Eine komplexe Geometrie erhöht den Aufwand bei der Werkzeugfertigung und den Bedienungsaufwand. Hinterschneidungen, tiefe Hohlräume und seitliche Strukturen erfordern unter Umständen bewegliche Einsätze, Kernzugsysteme oder Sandkerne.

Enthält eine Zeichnung sowohl lange, dünne Wände als auch dicke Flanschansätze, sollten diese Bereiche sorgfältig geprüft werden, um festzustellen, ob sie unter denselben Prozessbedingungen gefertigt werden können. Lokale Merkmale wie diese haben oft einen größeren Einfluss auf die Fertigungsschwierigkeit als die Gesamtgröße des Bauteils.

Was sind gängige Anwendungsbereiche des Schwerkraftdruckgusses?

Der Schwerkraftdruckguss wird üblicherweise für Aluminiumkomponenten eingesetzt, deren Konstruktion bereits relativ ausgereift ist und die in Serie gefertigt werden sollen. Die endgültige Wahl des Verfahrens hängt jedoch weiterhin von Größe, Geometrie und Produktionsvolumen ab.

Automobilindustrie

• Zylinderköpfe
• Einige Motorblöcke
• Ansaugkrümmer
• Motorhalterungen

Da diese Bauteile interne Kanäle, tragende Strukturen und bearbeitete Oberflächen kombinieren können, müssen das Umformverfahren, die Materialeigenschaften und die Anforderungen an die nachfolgende Bearbeitung gemeinsam bewertet werden.

Industrielle Maschinen

• Getriebegehäuse
• Lagergehäuse
• Endkappen für Geräte
• Maschinenhalterungen

Diese Teile weisen häufig eine moderate Wandstärke, Befestigungsvorsprünge oder klar definierte Passmerkmale auf. Sobald die Hauptgeometrie festgelegt ist, können Gussrohlinge wiederholt hergestellt werden, und die Präzisionsbearbeitung kann sich auf lokale Funktionsbereiche konzentrieren.

Flüssigkeits- und Energieanlagen

• Pumpengehäuse aus Aluminium
• Ventilkörper
• Gehäuse für Hydrauliksysteme
• Antriebsgehäuse

Diese Bauteile weisen häufig interne Durchgänge, Verbindungsflansche oder Dichtungsbereiche auf. Daher müssen die Gussmöglichkeiten im Zusammenhang mit den endgültigen funktionalen Anforderungen berücksichtigt werden. Bei druckführenden oder mit Flüssigkeiten in Berührung kommenden Bauteilen sollten zudem Anforderungen an Dichtheits- und Druckprüfungen festgelegt werden. Ein einwandfreies Aussehen und korrekte Abmessungen allein sind kein Beweis dafür, dass ein Bauteil die Dichtheitsanforderungen erfüllt.

Wie schneidet das Schwerkraftdruckgussverfahren im Vergleich zu anderen Gussverfahren ab?

Vergleich	Schwerkraftkokillenguss	Sandgießen	Druckgießen
Abfüllverfahren	Hauptsächlich Schwerkraftabfüllung	In der Regel im Schwerkraftgussverfahren, obwohl auch andere Verfahren möglich sind	Schnelles Befüllen über ein Einspritzsystem
Formtyp	Wiederverwendbare Metallform, kann mit Sandkernen kombiniert werden	Einweg-Sandform; die Modelle können wiederverwendet werden	Wiederverwendbare Metallform
Fähigkeit zur Herstellung dünnwandiger Teile	Abhängig von Legierung, Wandstärke und Fließweg	Eingeschränkt durch die Form- und Füllbedingungen	Das Hochgeschwindigkeitsabfüllen eignet sich im Allgemeinen besser für dünne Wände.
Produktionszyklus	Beeinflusst durch Gießzeit, Erstarrungszeit und Ausstoßzeit	Das ist sehr unterschiedlich; automatisierte Fertigungslinien können ebenfalls eine hohe Produktionsleistung erzielen	In der Regel schneller und für die Serienfertigung geeignet
Investitionen in Werkzeuge	In der Regel teurer als einfache Sandgussformen	Einfache Werkzeuge sind in der Regel kostengünstiger	Die Investitionen in Werkzeuge und Ausrüstung fallen in der Regel höher aus
Produktionsvolumen	Die Werkzeugkosten müssen auf die Serienfertigung verteilt werden	Je nach System einsetzbar von Kleinserien bis zur Massenproduktion	Erfordert in der Regel ein höheres Volumen, um die Anfangsinvestition zu rechtfertigen
Typische Teile	Gehäuse, Zylinderköpfe, Pumpenkörper, Halterungen	Große Gehäuse, Maschinenfundamente, komplexe Gussteile	Dünnwandige Gehäuse, Abdeckungen, Strukturteile in Großserie

Beim Sandguss kommen Einwegformen zum Einsatz, was bei bestimmten großen Bauteilen, komplexen Strukturen oder Produkten, deren Design sich noch häufig ändert, eine größere Flexibilität ermöglicht. Da sich dieses Verfahren auch für die Großserienfertigung eignet, sollte es nicht als ein Verfahren verstanden werden, das ausschließlich für Kleinserien eingesetzt wird.

Beim Schwerkraftdruckguss werden wiederverwendbare Metallformen zur Herstellung von Gussrohlingen verwendet. Dieses Verfahren eignet sich besser für relativ stabile Konstruktionen mit kontinuierlichem Produktionsbedarf, insbesondere wenn Innenhohlräume und eine anschließende Bearbeitung erforderlich sind. Die wirtschaftliche Eignung hängt davon ab, ob sich die Werkzeugkosten auf das tatsächliche Produktionsvolumen verteilen lassen und ob die Kosten für die nachgelagerte Bearbeitung akzeptabel sind.

Beim Hochdruckguss wird die schnelle Füllung genutzt, um die Formbarkeit dünnwandiger Bauteile zu verbessern; dieses Verfahren eignet sich besser für kurze Zykluszeiten und die kontinuierliche Großserienfertigung. Allerdings sind die Investitionen in Werkzeuge und Anlagen in der Regel höher. Wenn das Produktionsvolumen ausreichend groß ist und das Bauteil komplexe Anforderungen an die Dünnwandigkeit stellt, kann der Hochdruckguss die geeignetere Option sein.

Schlussfolgerung

Der Schwerkraftdruckguss eignet sich besonders gut für Aluminiumkomponenten mit stabilen Geometrien, Anforderungen an die Serienfertigung und lokalen Merkmalen, die eine präzise Bearbeitung erfordern. Bei der Prozessauswahl sollten insbesondere das Material, Wandstärkenübergänge, Füllwege, Hotspots, Kernstrukturen und die Anforderungen an die nachgelagerte Bearbeitung berücksichtigt werden.

Anstatt den Prozess ausschließlich anhand der Gesamtgröße des Bauteils oder des Gusspreises zu beurteilen, ist es sinnvoller zu prüfen, ob alle diese Bedingungen im Rahmen desselben Fertigungsverfahrens erfüllt werden können.