Was ist Schwerkraftgießen?

Das Kokillengießen ist ein gängiges Metallgießverfahren, bei dem die Form durch eine Kokille vorgegeben wird und das geschmolzene Metall durch die Schwerkraft in die Kokille gepresst wird, anstatt durch eine äußere Form (positive Positionierung). Dieses Verfahren unterscheidet sich vom Druckguss dadurch, dass das geschmolzene Metall unter Druck in die Form gepresst wird, aber die Schwerkraft die einzige Möglichkeit ist, das Material in die Form zu bringen. Die Form besteht in der Regel aus haltbaren Metallen wie Stahl oder Gusseisen, ist wiederverwendbar und zeichnet sich durch hohe Maßgenauigkeit und eine hohe Oberflächengüte aus. Auch bei der Herstellung von Teilen aus Nichteisenmetallen wie Aluminium, Zink, Magnesium und deren Legierungen ist diese Technik sehr beliebt. Das Metall wird bis zum metallischen Zustand erhitzt und anschließend in eine vorgewärmte Dauerform gegossen. Das geschmolzene Metall fließt gegen die Schwerkraft und nach unten in den Formhohlraum, wodurch sich dieser füllt. Anschließend wird die Form geöffnet und das Gussteil ausgeworfen, das eventuell nachgeschnitten, bearbeitet oder anderweitig zur Verbesserung der Oberfläche behandelt werden muss.

Eine der häufigsten Anwendungen dieses Verfahrens ist der Aluminium-Kokillenguss, denn Aluminium ist leicht, korrosionsbeständig und hat gute mechanische Eigenschaften. Das Verfahren wird in verschiedenen Branchen wie der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, dem Maschinenbau und der Konsumgüterindustrie zur Herstellung langlebiger, komplexer Teile wie Motorenteile, Gehäuse, Halterungen und dergleichen eingesetzt. Einer der Gründe für den Einsatz des Schwerkraftgießens ist die Möglichkeit, mittlere bis große Mengen von Teilen mit hoher Qualität (geringe Porosität) und guter mechanischer Festigkeit zu gießen. Obwohl es einige Einschränkungen gibt, wie z. B. höhere anfängliche Werkzeugkosten und weniger komplexe Produkte als bei anderen Gießverfahren, machen seine Vorteile dieses Verfahren zu einer geeigneten und kostengünstigen Methode für viele Fertigungsanforderungen.

Im Wesentlichen ist Kokillenguss ein präzises, wiederholbares und rationelles Material, das in der modernen Metallverarbeitung wichtig ist.

Wie kann man das Schwerkraftgießverfahren verstehen?

Das war eine einfache, effiziente Technik, die den Kern des Kokillengusses ausmacht. Eine vorgewärmte Metallform aus Stahl oder Eisen wird mit einem Trennmittel beschichtet, und die Gussteile lassen sich leicht entfernen. Nachdem die Form fertig ist, wird geschmolzenes Metall, z. B. Aluminium, Magnesium oder Kupferlegierungen, in die Form gegossen. Damit das Metall den Hohlraum ausfüllt, kühlt die Form einfach ab und erstarrt, allein durch die Schwerkraft.

Danach wird die Form geöffnet und das Gussteil entnommen. Ist dies nicht der Fall, wird das überschüssige Material, sei es das Anschnitt- oder Angusssystem oder ein anderes Teil, abgeschnitten, und das Gussstück kann durch maschinelle Bearbeitung oder auf andere Weise fertiggestellt werden. Im Vergleich zum Sandguss werden Formen, in denen Gussstücke aus Sand hergestellt werden, nur einmal verwendet. Das Bauteil, das in einer Kokille gegossen wird, wird in Bezug auf die Produktionseffizienz und die Produktkonsistenz erheblich verbessert, da Metallformen im Kokillenguss wiederverwendet werden können.

Verschiedene Möglichkeiten der Oberflächenbearbeitung beim Kokillenguss

Ein weiterer Vorteil des Kokillengusses besteht darin, dass er Teile mit glatten, gleichmäßigen Oberflächen direkt aus der Form ermöglicht. Je nach den funktionalen und ästhetischen Anforderungen an das Endprodukt können jedoch weitere Oberflächenveredelungsverfahren hinzugefügt werden, um das Aussehen und die Haltbarkeit zu verbessern oder das Teil für weitere Verfahren wie Lackieren oder Beschichten vorzubereiten. Die am häufigsten verwendeten Oberflächenbehandlungen für Kokillengussteile sind im Folgenden aufgeführt:

1. Wie-gegossen-Finish

Es handelt sich um die natürliche Oberfläche, die direkt aus dem Gießprozess resultiert. Bei richtiger Vorbereitung und optimalen Prozessbedingungen kann das Schwerkraftgießen jedoch im Vergleich zum Sandgießen eine recht glatte Oberfläche erzeugen. Interne Komponenten oder Teile, bei denen das Aussehen nicht entscheidend ist, werden in der Regel als Gussoberflächen akzeptiert.

2. Kugelstrahlen / Sandstrahlen

Dies ist das Kugelstrahlen, bei dem kleine Stahl- oder Keramikkugeln auf die Gussoberfläche geschleudert werden, um Zunder, Grat oder andere Rückstände zu entfernen. Dieses Verfahren sorgt für eine gleichmäßige, matte Oberflächenstruktur und reinigt die Oberfläche besser. Es eignet sich sehr gut für Teile, die weiterverarbeitet werden, z. B. durch Pulverbeschichtung oder Lackierung. 

3. Polieren

Die mechanische Entfernung kleinerer Unebenheiten wird zum Polieren verwendet, um die Glätte und den Glanz der Oberfläche zu verbessern. Dies gilt insbesondere für ästhetische Teile und dort, wo eine geringere Reibung erforderlich ist. Das Polieren kann ein einfaches manuelles oder automatisiertes Schwabbeln sein oder eine Hochglanzpolitur umfassen.

4. Pulverbeschichtung

Bei der Pulverbeschichtung wird das Pulver auf die Gussoberfläche aufgetragen und unter Hitze gehärtet, so dass eine harte Schutzschicht entsteht. Aufgrund der ausgezeichneten Korrosions-, Stoß- und UV-Beständigkeit eignet sich die Beschichtung für Automobilteile und Komponenten für den Außenbereich, die im Aluminium-Kokillenguss hergestellt werden.

5. Eloxieren

Für Aluminium-Kokillengussteile gibt es viele Gründe, sich für das Eloxieren zu entscheiden. Die Oberfläche wird elektrochemisch durch eine natürliche Oxidschicht verdickt, was die Korrosionsbeständigkeit verbessert und die Möglichkeit bietet, die Farbe individuell zu gestalten. Eloxierte Oberflächen sind haltbar, die Farben ermüden nicht und sie haben ein glattes, professionelles Aussehen.

6. Bearbeitung für Präzisionsoberflächen

In vielen Fällen werden die Kokillengussteile nach dem Gießen zumindest teilweise nachbearbeitet, um exakte Toleranzen zu erreichen oder kritische Oberflächen zu glätten. Die CNC-Bearbeitung wird eingesetzt, um ebene Flächen und Gewinde sowie Dichtungsbereiche zu verfeinern, bei denen der Bedarf an Präzision die Möglichkeiten der Form selbst übersteigt.

7. Anstriche und Beschichtungen

Teile, die ein Branding, eine Farbcodierung oder einen Schutz erfordern, können mit jeder der bei der herkömmlichen Nasslackierung verwendeten Methoden beschichtet werden. Das Auftragen von Farbbeschichtungen erfolgt in der Regel entweder manuell oder mit automatischen Spritzanlagen, häufig nach einer Oberflächenreinigung oder Grundierung.

8. Chromatieren / Chemische Behandlungen

Chromatierungen oder chemische Konversionsbeschichtungen können für einen verbesserten Korrosionsschutz und eine bessere Lackhaftung eingesetzt werden. Der durch solche Behandlungen erzeugte passive Schutzfilm hat wenig Einfluss auf die Abmessungen, schützt aber die Aluminiumoberfläche.

Vorteile des Schwerkraftgießens

Die überlegenen mechanischen Eigenschaften sind einer der Hauptgründe, warum Hersteller das Kokillengussverfahren bevorzugen. Gussteile, die mit diesem Verfahren hergestellt werden, weisen in der Regel weniger Lufteinschlüsse oder Porositäten auf und sind daher stabiler und zuverlässiger.

Weitere wichtige Vorteile sind:

• Hochdimensionale Genauigkeit: Beim Schwerkraftgießen werden enge Toleranzen und feine Details an den herzustellenden Teilen beibehalten.
• Glatte Oberfläche: Da die Metallformen zu einer besseren Oberflächengüte führen, wird die Nachbearbeitung verringert.
• Reproduzierbarkeit: Die Formen können wiederverwendet werden, so dass die Hersteller große Mengen in gleichbleibender Qualität herstellen können.
• Materialeffizienz: Der Metallabfall wird minimiert, solange geeignete Anschnitt- und Zuführungsdesigns verwendet werden.

Aluminium-Kokillenguss ist auch heute noch das Mittel der Wahl für die Industrie, die leichte, stabile und korrosionsbeständige Teile herstellen möchte.

Aluminium-Kokillenguß?

Kokillenguss von Aluminiumlegierungen ist ein Verfahren, bei dem eine Metallform (oder Kokille) des Schwerkraftgusses allein durch die Schwerkraft mit geschmolzener Aluminiumlegierung gefüllt wird. Im Allgemeinen werden diese Formen aus Stahl oder Gusseisen hergestellt, da sie verschleißfest sind und einer Reihe von Wärmezyklen standhalten können. Dieses Verfahren zeichnet sich durch seine Einfachheit aus: Es wird kein äußerer Druck verwendet, um das Metall in die Form zu drücken. Der Fluss wird stattdessen allein durch die Schwerkraft gesteuert.

Das Aluminium-Kokillengießen ist einer der Vorteile, die interne Defekte minimieren. Lufteinschlüsse werden minimiert, was wiederum die Porosität minimiert, da sich die Form sehr langsam und natürlich füllt. Das Ergebnis sind Gussbauteile mit besserer Integrität und Leistung sowie höherer Festigkeit. Daher wird dieses Verfahren von vielen Herstellern für die Herstellung von guten und präzisen Teilen bevorzugt.

Gängige Aluminiumlegierungen für den Kokillenguß

Die Wahl der richtigen Legierung ist beim Aluminium-Kokillenguss entscheidend. Die verschiedenen Legierungen wurden für unterschiedliche Eigenschaften je nach Anwendung entwickelt. Eine Aufschlüsselung dieser häufig verwendeten Aluminiumlegierungen kann nach ihrer Zusammensetzung, ihren mechanischen Eigenschaften und ihren industriellen Anwendungen wie folgt vorgenommen werden.

Diese Tabelle bietet einen einfachen Vergleich der verschiedenen Gießverfahren in Bezug auf mehrere wichtige Faktoren. Sie vermittelt den Herstellern eine Vorstellung davon, welches Gießverfahren für ihre Bedürfnisse am besten geeignet ist.

Anwendungen des Schwerkraftgießens

Da das Schwerkraftgießen den Vorteil hat, anpassungsfähig und wirtschaftlich zu sein und qualitativ hochwertige Teile zu produzieren, ist es in vielen Branchen weit verbreitet. Dies liegt an seiner Zuverlässigkeit und Effizienz, die so groß ist, dass es tatsächlich als Mittel zur Herstellung kleiner und großer Chargen langlebiger, präziser und konsistenter Komponenten eingesetzt werden kann. Im Folgenden sind einige der häufigsten Anwendungen des Schwerkraftgießens aufgeführt.

Autoindustrie

Im Automobilbereich gibt es mehrere Anwendungen für das Kokillengießen, darunter das Kokillengießen für kritische Motorteile wie Motorblöcke, Zylinderköpfe, Aufhängungskomponenten usw. und Getriebegehäuse. Mit dem Aluminium-Kokillenguss lassen sich leichte, aber stabile Bauteile mit einem hervorragenden Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht herstellen. Es wird auch zur Herstellung von Teilen wie Getriebegehäusen, Bremsteilen und Ansaugkrümmern verwendet, da sie extrem haltbar und chemisch beständig gegen Hitze und Abnutzung sind, was bei der Verwendung von Fahrzeugen wichtig ist.

Luft- und Raumfahrt

Das Kokillengussverfahren ist ein wichtiges Verfahren für die Luft- und Raumfahrtindustrie zur Herstellung von Teilen mit geringer Dichte, die aber strukturell solide sind und sicher sein müssen und so funktionieren, wie es künftige Konstruktionen und Anwendungen erlauben. Shelton bekräftigt, dass wie bei den meisten Kokillengussteilen die Präzision und Haltbarkeit des Produkts, z. B. von Flugzeughalterungen, Fahrwerksteilen und Rumpfsektionen, wichtig ist. Aufgrund der Notwendigkeit, ein leichtes Material zu verwenden, ohne dabei an Festigkeit zu verlieren, ist Aluminium-Kokillenguss für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt geeignet.

Industrielle Maschinen

Das Schwerkraftgussverfahren wird bei der Herstellung von langlebigen und hochfesten Bauteilen für Industriemaschinen eingesetzt, z. B. bei Pumpengehäusen, Getriebegehäusen oder Halterungen. Da diese Teile hohem Druck, mechanischer Beanspruchung und rauen Betriebsbedingungen standhalten müssen, erreicht das Schwerkraftgießen dies durch die Herstellung von robusten Komponenten mit geringer Porosität. Die Teile werden zum Beispiel in Bergbaumaschinen und landwirtschaftlichen Geräten sowie in Hochleistungsmotoren eingesetzt.

Konsumgüter

Das Kokillengießen ist auch für Konsumgüter von Vorteil, insbesondere für Kochgeschirr, Beleuchtungsarmaturen und dekorative Eisenwaren. So werden beispielsweise Aluminiumpfannen, Küchenspülen und Beleuchtungshalterungen im Kokillengussverfahren hergestellt, da sich damit gute Oberflächengüten und eine hohe Formstabilität erzielen lassen.

Auch künstlerische Teile und architektonische Komponenten wie Statuen, dekorative Paneele sowie Tür- und Fensterbeschläge werden im Schwerkraftgussverfahren hergestellt. Die Vielseitigkeit des Schwerkraftgießens macht es zu einem unverzichtbaren Verfahren in einer Vielzahl von Branchen, das gute Wirtschaftlichkeit mit guter Leistung verbindet.

Materialien für den Kokillenguss

Ein sehr vielseitiges Gießverfahren ist das Kokillengießen, mit dem eine Vielzahl von Werkstoffen gegossen werden kann. Entscheidend ist die richtige Auswahl des Materials, da die Festigkeit und die Leistung des Endprodukts direkt davon abhängen. Aluminium-, Zink-, Kupfer- und Magnesiumlegierungen sind die gebräuchlichsten Werkstoffe für das Kokillengießen, aber auch andere Metalle und Legierungen können je nach den Anforderungen des herzustellenden Teils verwendet werden.

1. Aluminium-Legierungen

Aluminiumlegierungen sind aufgrund ihres ausgezeichneten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und ihrer Gusseigenschaften die bei weitem am häufigsten verwendeten Werkstoffe im Kokillenguss. Sie werden in der Regel in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie in der Industriemaschinenbranche eingesetzt.

Einige wichtige Aluminiumlegierungen sind:

• A356: A356 hat eine gute Festigkeit, Duktilität und ausgezeichnete Bearbeitbarkeit und wird häufig für Motorblöcke, Gehäuse und Halterungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie verwendet.
• A380: Diese Legierung hat eine ausgezeichnete Fließfähigkeit, Druckfestigkeit und mittlere Festigkeit. Im Allgemeinen wird Eisen für die Herstellung von Motorblöcken, Gehäusen und Getriebeelementen verwendet.
• A413: Falls vorhanden, gute Zerspanbarkeit und eine hochfeste Legierung mit guter Druckfestigkeit; diese findet man manchmal in Hydraulikzylindern, Ventilen und Pumpen.

Die hohe Effektivität des Aluminium-Kokillengusses ist vor allem auf die Kombination von Leichtbaueigenschaften und mechanischer Festigkeit zurückzuführen.

2. Zink-Legierungen

Zinklegierungen werden häufig im Kokillenguss verwendet, da Teile, die eine gute Festigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit bei geringem Gewicht erfordern, häufig sind. Zink ist ein relativ preiswertes Material, das eine sehr gute Fließfähigkeit aufweist und eine komplexe Formgebung und Detaillierung ermöglicht.

Zu den häufig verwendeten Zinklegierungen gehören:

• ZA8: Es hat eine hohe Festigkeit, eine mäßige Duktilität und eine gute Maßhaltigkeit. Es wird häufig für die Herstellung von Druckgussteilen mit engen Toleranzen verwendet.
• Zamak: Dies ist eine Gruppe von Zinklegierungen, die aufgrund ihrer guten Korrosionsbeständigkeit und Gießbarkeit besonders für Automobilteile, Eisenwaren und dekorative Gussteile beliebt sind.

Zink-Kokillenguss wird häufig für langlebige Anwendungen verwendet, die enge Toleranzen bei Hardware, Elektronikgehäusen und allgemeinen Konsumgütern erfordern.

3. Magnesium-Legierungen

Magnesiumlegierungen haben ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit und eignen sich daher für Anwendungen, die eine Gewichtsreduzierung erfordern. Eine der beliebtesten Anwendungen von Magnesium-Kokillenguss ist die Automobil- und Luftfahrtindustrie für leichte Strukturteile.

Die wichtigsten im Kokillenguss verwendeten Magnesiumlegierungen sind:

• AM60: Diese Magnesiumlegierung weist eine hohe Festigkeit und Zähigkeit auf und lässt sich gut schweißen; diese Legierungen wurden für Strukturbauteile und Automobilteile verwendet.
• AZ91D: AZ91D ist für seine gute Korrosionsbeständigkeit und sein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bekannt und wird in der Luft- und Raumfahrt, einschließlich Halterungen und Gehäusen, verwendet.

Magnesium ist in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie besonders wertvoll, da es ein hohes Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht aufweist, das eine Gewichtsreduzierung bei gleichzeitigem Leistungsverlust ermöglicht.

4. Kupferlegierungen

Kokillenguss wird für Kupferlegierungen mit hoher Festigkeit, Verschleißfestigkeit und ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit verwendet. Teile, die hohen Temperaturen und Abnutzungserscheinungen standhalten müssen, werden häufig aus Kupfer in verschiedenen Legierungsformen hergestellt, z. B. aus Kupferbasislegierungen, Messing und Bronze.

Die am häufigsten verwendeten Kupferlegierungen:

• C356: Diese Legierung wird für Teile verwendet, die eine hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit erfordern, z. B. Kolbenringe, Motorteile und Industriemaschinen.
• C443: Es handelt sich um eine Messinglegierung, die in der Regel wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit in der Schifffahrt oder im Automobilbau eingesetzt wird.

Die Wertschätzung für die Fähigkeit von Kupferlegierungen, extrem widrigen Umgebungen wie hohen Temperaturen standzuhalten, hat zu ihrer Verwendung in Bereichen wie Schiffsmotoren, Wärmetauschern und elektrischen Geräten wie Kommentatoren geführt.

5. Andere Legierungen

Neben den gängigen Werkstoffen können auch andere Speziallegierungen für den Kokillenguss verwendet werden, um die gewünschten Eigenschaften des Endprodukts zu erzielen. Einige von ihnen umfassen:

• Bleilegierungen: Bei Anwendungen, bei denen eine hohe Dichte erforderlich ist, wird die Folie für Gegengewichte und Abschirmungen eingesetzt.
• Zinn-Legierungen: Zur Herstellung von kleinen, winzigen und präzisen Teilen, die bei der Herstellung von Elektronik- und Dekorationsartikeln verwendet werden.

Diese Werkstoffe werden aufgrund ihrer Eigenschaften ausgewählt, die von der Korrosionsbeständigkeit über die Wärmeleitfähigkeit bis hin zur Dichte und anderen reichen. Der Einsatz von Kokillenguss ermöglicht die Verwendung einer Vielzahl von Materialien, um maßgeschneiderte Eigenschaften des Produkts herzustellen.

Innovationen im Schwerkraftgießen

Eine weitere Verbesserung des Schwerkraftgießverfahrens ist den jüngsten Fortschritten bei der Simulationssoftware, der Automatisierung und der Konstruktion von Gussformen zu verdanken. Jetzt können Ingenieure den Fluss des geschmolzenen Metalls und die Erstarrung simulieren und so die Formgestaltung optimieren und Fehler vermeiden.

Sie hängt auch von der Automatisierung ab. Aber auch das Gießen von Metall, die Entnahme von Gussteilen sowie grundlegende Nachbearbeitungsschritte für die Roboterarme werden häufig eingesetzt. Die Innovationen senken die Arbeitskosten und sorgen für Sicherheit am Arbeitsplatz. Beim Aluminium-Kokillenguss konnten Entwicklungen wie die Vakuumunterstützung und verbesserte Formschichten die Porosität verringern und die Lebensdauer der Form verlängern.

Umweltauswirkungen und Nachhaltigkeit

In einer Zeit, in der Nachhaltigkeit immer mehr an Bedeutung gewinnt, erweist sich der Kokillenguss als relativ umweltfreundlich. Wenn die Formen wiederverwendet werden, fällt auch weniger Abfall an, und der verwendete Metallschrott wird häufig recycelt und im Prozess wiederverwendet.

Außerdem ist Aluminium, eines der am häufigsten verwendeten Materialien beim Aluminium-Kokillenguss, in hohem Maße recycelbar. Schließlich verbraucht das Verfahren weniger Energie als andere Herstellungsmethoden, insbesondere wenn die Technologie durch moderne Öfen und Prozesssteuerungssysteme optimiert wird.

Schwerkraftgießen im Vergleich zu anderen Gießverfahren

Obwohl das Kokillengießen eine weit verbreitete Technik ist, ist es nicht das einzige Verfahren zur Herstellung von Metallteilen. Die verschiedenen Gießverfahren haben je nach Anforderung unterschiedliche Vorteile für den Hersteller. Im Vergleich zu anderen Gießverfahren wie Sandguss, Druckguss, Feinguss und Niederdruckguss ermöglicht das Kokillengussverfahren dem Hersteller eine fundierte Entscheidung darüber, welche Art von Guss für seine besonderen Anforderungen am besten geeignet ist. 

Kokillengießen vs. Sandgießen

Es gibt einen großen Unterschied zwischen dem Formenmaterial beim Kokillenguss und beim Sandguss. Beim Kokillenguss sind die Dauerformen oft aus Guss oder Stahl, während die Sandgussformen Einwegformen sind. Dies führt zu großen Unterschieden bei der Oberflächengüte und der Maßgenauigkeit.

Die Oberfläche ist glatter als bei Sandgussstücken und viel gleichmäßiger. Auch die Maßhaltigkeit ist besser. Allerdings ist das Sandgussverfahren flexibler, wenn die Formen größer oder komplexer sind. Darüber hinaus sind die anfänglichen Werkzeugkosten beim Sandguss geringer, so dass er bei kleinen Stückzahlen oder großen Teilen kostengünstiger ist. Kokillenguss ist für die Herstellung von Teilen in mittleren bis hohen Stückzahlen weniger kostspielig und bietet eine bessere Qualität und Konsistenz des Teils.

Druckguss vs. Kokillenguss.

Die Art und Weise, wie das geschmolzene Metall in die Form eingebracht wird, ist einer der Hauptunterschiede zwischen Druckguss und Kokillenguss. Beim Kokillenguss wird das geschmolzene Metall durch die Schwerkraft in den Formhohlraum eingeleitet, was zu einem langsameren und kontrollierteren Füllvorgang führt. Das hält die Porosität gering und erhöht die Festigkeit und Zuverlässigkeit der Teile.

Beim Druckguss wird das geschmolzene Metall jedoch mit hydraulischem Druck und viel höherer Geschwindigkeit in den Formhohlraum gepresst. Damit lassen sich zwar schnell komplexe Formen herstellen, aber das Endprodukt ist anfälliger für eine höhere Porosität. Aus diesem Grund wird das Kokillengussverfahren vor allem dann eingesetzt, wenn mechanische Festigkeit und geringe Porosität erforderlich sind, z. B. bei Automobilkomponenten und Strukturteilen. Das Druckgussverfahren ist zwar schneller, eignet sich aber besser für Teile, bei denen die Details klein sind und die Geschwindigkeit entscheidend ist.

Schwerkraftgießen vs. Feinguss 

Eine weitere Möglichkeit, die sich vom Kokillenguss unterscheidet, ist der Feinguss oder das Wachsausschmelzverfahren. Feinguss ist eines der präzisesten Verfahren und erfordert die Herstellung einer Wachsversion des Teils, die Beschichtung dieser Wachsform mit einer keramischen Hülle, das anschließende Ausschmelzen des Wachses und die Herstellung einer Form. Hochwertige und detaillierte Teile lassen sich jedoch nur mit diesem Verfahren herstellen, weshalb es sich besonders für Branchen eignet, die stark auf Teile angewiesen sind, wie die Luft- und Raumfahrt, medizinische Geräte und Schmuck.

Das Feingießen ist zwar recht kompliziert und erfordert längere Vorlaufzeiten, ist aber auch teurer. Im Gegensatz zum Kokillenguss ist das Kokillengießen jedoch schneller und kostengünstiger, vor allem bei Teilen, die nicht den gleichen Grad an Detailgenauigkeit erfordern. Das Feingussverfahren ist für seine Genauigkeit und Oberflächengüte bekannt, aber das Kokillengussverfahren ist eine kostengünstigere Lösung für die Herstellung funktioneller Teile mit guten mechanischen Eigenschaften bei mittleren bis hohen Stückzahlen.

Niederdruckguss vs. Schwerkraftgießen

Eine weitere Technik, die auf dem Kokillenguss aufbaut, ist der Niederdruckguss, bei dem die Form mit kontrolliertem Druck mit geschmolzenem Metall beaufschlagt wird. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Füllung und einer höheren Materialdichte, die eine Reihe potenziell problematischer Defekte wie Hohlräume und Porosität verbessern kann.

Beim Kokillenguss sind die Kosten für die Ausrüstung und die Formen geringer als beim Niederdruckguss, aber die hergestellten Teile sind weniger gut, da sie sowohl Materialfehler als auch Defekte aufweisen. Es ist komplexer als das derzeitige Niederdrucksystem, aber es eignet sich für die Produktion höherer Stückzahlen und höherer Qualität zu niedrigeren Kosten als alle derzeitigen Niederdrucksysteme. Da sich der Metallfluss etwas weniger gut steuern lässt, ist der Kokillenguss (oder Niederdruckguss) immer noch eine konventionellere und wirtschaftlichere Methode zur Herstellung von Bauteilen mittlerer Komplexität, wie z. B. Motorteilen für die Automobilindustrie und Strukturbauteilen in den meisten Branchen. 

Vergleichstabelle: Kokillenguss vs. andere Gussverfahren

Grenzen des Schwerkraftgießens

Das Kokillengussverfahren hat zwar einige Einschränkungen, aber auch eine Reihe von Vorteilen wie gute Maßgenauigkeit, gute Oberflächengüte, gute mechanische Festigkeit usw. Um das richtige Herstellungsverfahren für eine bestimmte Anwendung auszuwählen, müssen diese Nachteile bekannt sein.

1. Hohe Anschaffungskosten für Werkzeuge

Die Kosten für die Form sind der größte Nachteil des Kokillengusses. Die Werkzeugkosten können beträchtlich sein, da bei diesem Verfahren Dauerformen aus Metall (normalerweise Stahl oder Gusseisen) verwendet werden. Da das Kokillengießen nur bei mittleren bis hohen Stückzahlen wirtschaftlich ist, wird es in der Regel nur auf diese Weise durchgeführt. Bei geringen Produktionsmengen kann Sandguss das teurere Verfahren sein.

2. Begrenzte Designkomplexität

Formen, die sehr komplex sind oder komplexe innere Merkmale aufweisen, eignen sich jedoch weniger für die Herstellung im Kokillengussverfahren. Da das geschmolzene Metall nicht unter einem anderen Druck als dem der Schwerkraft in die Form fließt, kann es sehr dünne oder tiefe Hohlräume in der Form nicht gut ausfüllen. Hinterschneidungen, feine Löcher oder extrem dünne Wände sind Merkmale, die im Vergleich zum Feinguss oder Hochdruckguss schwieriger zu erreichen sind.

3. Längere Abkühlzeit

Während die Abkühlungs- und Erstarrungszeiten beim Druckguss recht kurz sein können, sind die Abkühlungs- und Erstarrungszeiten beim Kokillenguss unter Umständen länger. Dadurch können sich die Gesamtzykluszeit und die Produktionsrate verlangsamen. Für schnellere und schnellere Fertigungsanwendungen ist dies möglicherweise nicht die beste Wahl.

4. Eingeschränkte Materialkompatibilität

Obwohl das Schwerkraftgießen für alle Nichteisenmetalle verwendet werden kann, ist es am effektivsten bei Aluminium und weniger effektiv bei Zink- und Magnesiumlegierungen. Der hohe Schmelzpunkt von Eisenwerkstoffen wie Stahl oder Eisen macht sie jedoch ungeeignet, da der Schmelzpunkt die Form schwächt und ihre Lebensdauer verkürzt. Infolgedessen ist der Anwendungsbereich des Kokillengusses begrenzt.

5. Abnutzung und Wartung von Formen

Metallformen, die im Kokillenguss verwendet werden, nutzen sich mit der Zeit ab und ermüden thermisch, da sie wiederholt erhitzt und abgekühlt werden. Dies führt zu einer Verschlechterung der Formoberflächen und kann zu fehlerhaften Bauteilen führen, wenn die Wartung nicht korrekt durchgeführt wird. Die regelmäßige Wartung und der eventuelle Austausch von Formen verursachen Betriebskosten.

6. Manueller oder halbautomatischer Betrieb

Das Kokillengießen ist jedoch weniger automatisiert als andere Gießverfahren, wie z. B. das Druckgießen. Das manuelle oder halbautomatische Gießen des geschmolzenen Metalls in die Form kann die Qualitätsschwankungen ausgleichen und die Abhängigkeit von den Arbeitskräften verringern. Außerdem ist es in Umgebungen mit hohen Stückzahlen und vollautomatischer Produktion weniger effizient.

Schlussfolgerung 

Das Kokillengießen ist ein wichtiges Fertigungsverfahren. Bei dieser Technik wird die Schwerkraft genutzt, um die Formen mit geschmolzenem Metall zu beladen und qualitativ hochwertige und zuverlässige Teile mit hervorragender Oberflächengüte und mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Es ist einzigartig, vor allem in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Industriemaschinenindustrie, wo Festigkeit, Konsistenz und Haltbarkeit nicht beeinträchtigt werden dürfen. Das Verfahren kann für Aluminium-Kokillenguss oder einfachen Aluminium-Kokillenguss angewendet werden und kann den Hersteller beliefern mit einer kostengünstigen und effizienten Methode des Aluminium-Kokillengusses für mittlere bis hohe Produktionsvolumen. Der Kokillenguss bleibt ein einfaches Verfahren, das aufgrund seiner Einfachheit und Leistungsfähigkeit noch viele Jahre lang eingesetzt wird.

Ein großer Pluspunkt dieses Verfahrens ist seine Vielseitigkeit. Es können alle Arten von Nichteisenmetallen verarbeitet werden, wobei der Aluminium-Kokillenguss am beliebtesten ist, da Aluminium leicht, korrosionsbeständig und recycelbar ist. Bessere Maßgenauigkeit und Wiederholbarkeit, da beim Kokillenguss dauerhafte Metallformen verwendet werden, was ebenfalls dazu beiträgt, dass jedes Teil den Industriestandards entspricht. Heute hat sich das Kokillengussverfahren weiterentwickelt, um dem wachsenden Bedarf der Industrie an guten, stabilen und leichten Lösungen gerecht zu werden. Dieses Verfahren gewährleistet Langlebigkeit, Kostenersparnis und gleichbleibende Produkte für die Herstellung von Motorkomponenten, Maschinenteilen oder Strukturelementen.

FAQs

1. Was ist der große Unterschied zwischen Kokillenguss und Druckguss?

Beim Schwerkraftgießen wird nur die Schwerkraft genutzt, um die Form zu füllen, während beim Hochdruckgießen hydraulischer Druck zum Einsatz kommt. Das Schwerkraftgießen ist zwar langsamer, weil es mehr Arbeitsschritte erfordert, aber die Teile werden dichter und zuverlässiger.

2. Warum wird für den Kokillenguss in der Regel Aluminium verwendet?

Laut Aluminum for Swordfish Applicability to Casting Technology (auch bekannt als dieser Leitfaden) ist Aluminium leicht, korrosionsbeständig und hat eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, was bedeutet, dass es sich gut für Kokillengussanwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eignet.

3. Ist das Schwerkraftgießen für die Kleinserienfertigung geeignet?

Das Schwerkraftgießen ist aufgrund der Kosten für Dauerformen am erfolgreichsten für mittlere bis hohe Produktionsmengen. Sandguss ist in der Regel wirtschaftlicher als bei kleinen Serien.

4. Was sind die Umweltbedingungen beim Kokillenguss?

Es handelt sich um einen recht umweltfreundlichen Artikel, da keine sehr umweltschädlichen Materialien wie Plastik verwendet werden müssen. Moderne Verfahren verbrauchen viel weniger Energie und reduzieren durch ihre wiederverwendbaren Formen auch den Abfall.