Fertigungsprofis stehen vor der großen Herausforderung, zwischen Sandguss und Druckgussverfahren für Metallumformungsprojekte. Die falsche Wahl kann zu übermäßigen Kosten, Qualitätseinbußen und verfehlten Produktionszielen führen – und den Wettbewerbsvorteil erheblich beeinträchtigen.
Durch das Verständnis der grundlegenden Unterschiede hinsichtlich Materialien, Kosten, Präzision, Volumenkapazität und Produktionsgeschwindigkeit können Hersteller ihre Gussteilauswahl für maximale Effizienz und Produktqualität optimieren.
Sandguss ist ein vielseitiges Metallumformungsverfahren, das seit Jahrhunderten in verschiedenen Branchen eingesetzt wird. Bei diesem traditionellen Verfahren wird Sand als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Formen verwendet, in die geschmolzenes Metall gegossen wird, um Teile zu formen.
Der Prozess beginnt mit der Modellherstellung. Dabei dient eine Replik des gewünschten Teils (normalerweise aus Holz, Metall oder Kunststoff) als Vorlage. Dieses Modell wird in einen Formkasten, eine sogenannte Küvette, gelegt, die aus zwei Hälften besteht: dem Oberkasten (oben) und dem Unterkasten (unten). Formsand – hauptsächlich Quarzsand, gemischt mit Ton und Wasser (aufgrund seines Feuchtigkeitsgehalts und nicht seiner Farbe auch als „Grünsand“ bezeichnet) – wird fest um das Modell gepresst, um einen Negativabdruck des gewünschten Teils zu erzeugen.
Nach dem Entfernen des Modells wird in der Form ein Angusssystem erzeugt – vergleichbar mit dem Rohrleitungssystem, durch das das geschmolzene Metall fließt. Für Teile, die Hohlprofile benötigen, werden zusätzliche Sandformen, sogenannte Kerne, in den Hohlraum eingebracht. Das auf eine bestimmte Temperatur erhitzte geschmolzene Metall wird anschließend in die Form gegossen, wo es abkühlt und erstarrt. Nach dem Erstarren wird die Sandform auseinandergebrochen, um das Gussteil zu entnehmen. Dieses wird anschließend durch verschiedene Reinigungs- und Bearbeitungsvorgänge fertiggestellt.
Druckguss stellt einen stärker mechanisierten Ansatz zur Metallumformung dar, der durch das Einspritzen von geschmolzenem Metall unter erheblichem Druck in wiederverwendbare Stahlformen (Matrizen) gekennzeichnet ist.
Der Prozess beginnt mit der Vorbereitung der Form. Wiederverwendbare Stahlformen, bestehend aus zwei Hälften, werden mit Schmiermittel besprüht, um einen sauberen Teileauswurf und eine kontrollierte Temperatur zu gewährleisten. Anschließend werden diese Formen in einer Druckgussmaschine fest miteinander verspannt. Das geschmolzene Metall wird bei präziser Temperatur schnell in die Form gespritzt. Dabei erreicht der Druck üblicherweise 1,000 bis 20,000 Pfund pro Quadratzoll – das entspricht in etwa dem Druck in über 13,000 Fuß Tiefe. Dieser extreme Druck stellt sicher, dass das Metall selbst die kompliziertesten Details der Form ausfüllt.
Nach der Verfestigung, die aufgrund der Kühlwirkung der Metallformen bemerkenswert schnell erfolgt, öffnet sich die Form und Auswerferstifte drücken das neu geformte Gussteil heraus.
Während beim Druckguss vorwiegend Nichteisenmetalle wie Aluminium, Zink, Magnesium und Kupferlegierungen verarbeitet werden, eignet sich beim Sandguss nahezu jedes schmelzbare Metall. Dazu gehören auch hochtemperaturbeständige Eisenlegierungen, die Druckgussanlagen schnell beschädigen würden. So eignet sich beispielsweise ein großer Motorblock aus Eisen für Industriemaschinen hervorragend für den Sandguss, während das daran anschließende Aluminium-Getriebegehäuse ebenfalls im Druckgussverfahren hergestellt werden könnte.
Die Einschränkungen beim Druckguss mit Eisenmetallen sind nicht nur eine Vorliebe, sondern eine praktische Einschränkung. Die hohen Schmelztemperaturen von Eisen und Stahl (ca. 2,800 °C im Vergleich zu 1,220 °C bei Aluminium) würden die Stahlformen durch thermische Ermüdung und Erosion schnell beschädigen. Zudem würde das geschmolzene Metall während der Erstarrung teilweise mit der Formoberfläche verschweißen, was das Auswerfen der Teile extrem erschwert.
Sandguss zeichnet sich durch geringere anfängliche Werkzeuginvestitionen aus. Die Kosten für Modell und Form liegen typischerweise zwischen 500 und 20,000 US-Dollar. Dies macht Sandguss besonders attraktiv für die Prototypenfertigung, die Kleinserienproduktion oder Situationen, in denen häufige Designänderungen erforderlich sind.
Druckguss erfordert erhebliche Anfangsinvestitionen in präzisionsgefertigte Stahlformen. Die Werkzeugkosten liegen oft zwischen 3,000 und 500,000 US-Dollar oder mehr für komplexe Formen mit mehreren Kavitäten. Die Stückkosten sinken jedoch mit steigendem Produktionsvolumen drastisch. Branchenerfahrungen zeigen, dass Druckguss typischerweise bei etwa 5,000 bis 10,000 Einheiten wirtschaftlicher wird als Sandguss.
Druckguss bietet höchste Maßgenauigkeit mit Toleranzen von ca. ±0.002 Zoll pro Zoll Abmessung. In der Praxis bedeutet dies, dass ein 5-Zoll-Druckgussteil typischerweise eine Genauigkeit von ±0.010 Zoll aufweist – eine Präzision, die sich oft in dichten, gleichmäßigen Nähten bei Konsumgütern wie Elektronikgehäusen zeigt. Das Verfahren erzeugt zudem hervorragende Oberflächen mit Rauheitswerten (Ra) zwischen 1 und 2.5 Mikrometern. Dadurch entstehen so glatte Oberflächen, dass kaum oder gar keine Nachbearbeitung erforderlich ist.
Sandguss bietet eine moderatere Maßkontrolle mit typischen Toleranzen von etwa ±0.08 Zoll für Komponenten mit Abmessungen von bis zu 0.4 Zoll. Oberflächengüte ist deutlich rauer, mit Ra-Werten zwischen 12.5 und 50 Mikrometern – ein Unterschied, den Sie spüren können, wenn Sie mit dem Finger über die Oberfläche fahren und die charakteristische körnige Textur der Sandpartikel wahrnehmen. Diese rauere Oberfläche erfordert oft zusätzliche Bearbeitungsschritte, um die endgültigen Spezifikationen zu erreichen, insbesondere bei Passflächen oder Teilen mit ästhetischen Anforderungen.
Sandguss eignet sich hervorragend für kleine bis mittlere Produktionsszenarien, von einzelnen Prototypen bis hin zu mehreren tausend Einheiten. Für jeden Guss wird in der Regel eine neue Sandform benötigt, sodass die Produktionszyklen nur wenige Stunden statt Minuten dauern. Bei Bedarf können jedoch mehrere Modelle gleichzeitig verwendet werden, um den Durchsatz zu erhöhen.
Die anfängliche Einrichtung eines Druckgussverfahrens kann Wochen oder Monate dauern, um die Formen zu entwerfen und herzustellen. Sobald die Produktion jedoch beginnt, können Teile kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit hergestellt werden, die Sandguss vergleichsweise langsam erscheinen lässt. Sobald die Form in der Maschine montiert ist, liegen die Zykluszeiten typischerweise zwischen 20 Sekunden und 2 Minuten pro Teil. Diese bemerkenswerte Geschwindigkeit geht auf Kosten der Flexibilität – jede Designänderung erfordert umfangreiche Formmodifikationen oder komplett neue Werkzeuge.
Sandguss ermöglicht eine bemerkenswerte Designkomplexität und Größenflexibilität, die Druckguss einfach nicht bieten kann. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung extrem großer, tonnenschwerer Komponenten – denken Sie an massive Pumpengehäuse für kommunale Wassersysteme oder komplexe Motorblöcke für Schiffe. Komplexe Innenkanäle lassen sich durch den Einsatz von Sandkernen problemlos herstellen. So können Konstrukteure interne Kühlkanäle, Ölkanäle oder Strukturverstärkungen integrieren, ohne sich um die Entformung der Teile sorgen zu müssen.
Druckguss ermöglicht zwar die Herstellung von Teilen mit dünnen Wänden (bis zu 0.5 mm) und komplexen äußeren Merkmalen, ist aber aufgrund praktischer Einschränkungen hinsichtlich der Maschinenklemmkraft und der Dynamik der Metallerstarrung typischerweise auf Komponenten mit einem Gewicht von weniger als 75 kg beschränkt. Innerhalb dieser Grenzen eignet sich Druckguss hervorragend zur Herstellung komplexer Formen mit gleichbleibender Qualität und hervorragender Oberflächengüte. Das Verfahren eignet sich besonders für Teile mit zahlreichen dünnen Wandstärken, wie z. B. Elektronikgehäuse oder komplexe Automobilkomponenten, die eine hohe Dimensionsstabilität erfordern.
