Metallguss und Zerspanung sind zwei gängige Fertigungstechnologien, die in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Elektronik- sowie der Industriemaschinenbranche zur Herstellung von Metallbauteilen eingesetzt werden. Zwar werden bei beiden Verfahren Bauteile hergestellt, doch weisen sie hinsichtlich der Formgebung des Materials, der erforderlichen Werkzeuge, der Kosten und der erzielbaren Präzision einige Unterschiede auf.
Beim Gießen wird geschmolzenes Metall in eine Schimmel zur Herstellung von Bauteilen, und die Zerspanung ist ein Verfahren, bei dem mithilfe von Schneidwerkzeugen Material von einem festen Werkstück abgetragen wird. In manchen Anwendungsfällen ist es effizient, das Gießen und die CNC-Bearbeitung komplexer Teile, die präzise funktionale Merkmale aufweisen, zu kombinieren.
Was ist der Unterschied zwischen Gießen und Zerspanung?
Gießen und Zerspanen unterscheiden sich in erster Linie in ihren Verfahren zur Materialumformung.
Guss vs. Zerspanung: Die wichtigsten Unterschiede
| Faktor | Gießen | CNC-Bearbeitung |
| Prozess | Geschmolzenes Metall wird in einer Form geformt | Von einem festen Werkstück wird Material abgetragen |
| Werkzeugbau | Erfordert Formen oder Matrizen | Setzt Schneidwerkzeuge, Vorrichtungen und CNC-Anlagen ein |
| Geometrie | Geeignet für komplexe Formen und Innenhohlräume | Erzeugt detaillierte Merkmale, sofern der Werkzeugzugang dies zulässt |
| Präzision | Hängt von der Gussmethode und der Prozesssteuerung ab | Im Allgemeinen für engere Toleranzen geeignet |
| Oberflächengüte | Hängt von der Form und dem Gussverfahren ab | Steuerung über Werkzeuge und Bearbeitungsparameter |
| Materialabfälle | Oft relativ gering, obwohl Läufer und Schieber zu Verschnitt führen | Erzeugt Späne und Abtragmaterial |
| Anschaffungskosten | Die Kosten für Formen oder Werkzeuge können erheblich sein | Die Kosten für Einrichtung, Programmierung und Werkzeuge variieren |
| Produktionsvolumen | Oft geeignet für die Produktion mittlerer und großer Stückzahlen | Flexibel für Prototypen und kleine bis große Stückzahlen |
| Änderungen am Design | Änderungen an den Formen können kostspielig sein | CAD/CAM- und Werkzeugwegänderungen sind oft unkomplizierter |
| Anwendungen | Gehäuse, Motorblöcke, Halterungen und komplexe Bauteile | Wellen, Präzisionsgehäuse, Platten und Bauteile mit kritischen Abmessungen |
Wie funktionieren Gipsverbände?
Der erste Schritt beim Druckguss besteht darin, ein geeignetes Metall oder eine geeignete Legierung auszuwählen und zu schmelzen. Das geschmolzene Material wird in eine Form gegossen oder eingespritzt, die entsprechend der Form des Bauteils angefertigt wurde. Nach dem Abkühlen und Erstarren wird das Bauteil aus der Form entnommen.
Im Rahmen des Prozesses können weitere Arbeitsschritte erforderlich sein, wie beispielsweise das Abschneiden von Angüssen und Angusskanälen, das Reinigen, die Wärmebehandlung, die Oberflächenveredelung, die Prüfung und die mechanische Bearbeitung.
Wie funktioniert die CNC-Bearbeitung?
Bei der computergestützten Fertigung werden Materialien aus einem massiven Materialblock herausgefräst. Das CAD-Modell wird – häufig mithilfe von CAM-Software – in Fertigungsanweisungen umgewandelt. Die CNC-Maschine arbeitet anhand einer Reihe von Werkzeugwegen, um eine Form mit den richtigen Merkmalen und Abmessungen zu erzeugen.
Im Folgenden sind gängige CNC-Bearbeitungsvorgänge aufgeführt:
- CNC-Fräsen: Rotierende Schneidwerkzeuge tragen Material ab, um ebene Flächen, Nuten, Taschen und komplexe Konturen zu formen.
- CNC-Drehen: Das Teil dreht sich, während es zylindrisch zugeschnitten wird.
- Bohren: Bohrt Löcher mit einem rotierenden Bohrer.
- Langweilig: Vergrößert oder räumt Löcher auf die gewünschten Maße auf.
- Aufbohren: Dient zur Endbearbeitung von Bohrungen, um die Genauigkeit und Oberflächenqualität zu verbessern.
Was ist die Bearbeitung von Gussteilen?
Das Guss- und Bearbeitungsverfahren, auch als „Cast and Machine“-Fertigung bekannt, ist eine Kombination aus Guss und CNC-Bearbeitung. Durch den Gussprozess wird die Grundform des Bauteils hergestellt, während ausgewählte Merkmale durch die Bearbeitung eine bestimmte Oberflächengüte und/oder Maßgenauigkeit erhalten.
So kann beispielsweise ein Metallgehäuse (Aluminium) gegossen werden, das den gesamten Körper, die Rippen und die Konturen umschließt. Im Anschluss daran können durch CNC-Bearbeitung Befestigungsflächen, Gewindebohrungen, Lagersitze und andere wichtige Teile gefertigt werden.
Wie funktioniert der Gussbearbeitungsprozess?
Teileauslegung: Ingenieure entwerfen das Bauteil unter Berücksichtigung der Gussanforderungen, der Bearbeitungszugaben, der Werkstoffeigenschaften und der Toleranzen.
Formvorbereitung: Eine Form wird auf der Grundlage der Bauteilkonstruktion und der Gusstechnik entworfen.
Gießen: Geschmolzenes Metall wird in eine Form gegossen oder eingespritzt und verfestigt sich dort.
Entfernung und Reinigung: Der erstarrte Teil wird entfernt, und überschüssiges Material wie Angüsse, Angusskanäle oder Grat wird abgeschnitten.
Inspektion: Das Gussteil wird auf Fehler, Maßabweichungen und Eignung für die Bearbeitung geprüft.
CNC-Bearbeitung: Kritische Oberflächen und Merkmale werden gefräst, gedreht, gebohrt oder auf andere Weise bearbeitet.
Vorteile der Kombination von Guss und Zerspanung
| Vorteil | Erläuterung |
| Flexibilität bei der Gestaltung | Durch Gießen entstehen komplexe Formen, während durch zerspanende Bearbeitung die funktionalen Merkmale verfeinert werden. |
| Verbesserte Genauigkeit | Durch die CNC-Bearbeitung lassen sich auf ausgewählten Oberflächen engere Toleranzen erzielen. |
| Geringerer Materialabtrag | Durch den Guss wird ein Großteil der Form des Bauteils bereits vor der mechanischen Bearbeitung festgelegt. |
| Bessere Passgenauigkeit der Bauteile | Bearbeitete Bohrungen, Sitzflächen und Passflächen gewährleisten eine präzise Montage. |
| Produktionseffizienz | Durch diese Kombination lassen sich Gussproduktivität und Bearbeitungspräzision in Einklang bringen. |
Welche vier Arten des Gießens gibt es?
Es gibt vier wichtige Gussverfahren: Sandguss, Druckguss, Feinguss und Quetschguss.
1. Sandguss
Beim Sandguss wird zur Herstellung einer Form speziell aufbereiteter Sand verwendet. In der Form wird ein Hohlraum geschaffen, der der Form des Bauteils entspricht. Das geschmolzene Metall wird in den Hohlraum gegossen, abgekühlt und anschließend durch Aufbrechen der Sandform entnommen.
Wichtigste Merkmale:
- Geeignet für eine Vielzahl von Metalllegierungen.
- Kann große Bauteile und komplexe Formen herstellen.
- Es werden relativ kostengünstige Formmaterialien verwendet.
- Führt in der Regel zu einer weniger glatten Oberfläche als Präzisionsgussverfahren.
- In der Regel ist für jeden Guss eine neue Form erforderlich.
2. Druckguss
In der Druckguss Bei diesem Verfahren wird geschmolzenes Metall unter Druck in eine wiederverwendbare Metallform (Matrize) gepresst. Nachdem das Metall abgekühlt ist, öffnet sich die Matrize und gibt das Bauteil frei.
Wichtigste Merkmale:
- Hohe Produktionsraten.
- Gute Wiederholbarkeit bei kontrollierter Verarbeitung.
- Kann dünnwandige und komplexe Modelle erzeugen.
- Mit wiederverwendbaren Formen ist eine Großserienfertigung möglich.
- Die Wahl der Legierung hängt von den Anforderungen an den Guss und das Bauteil ab.
Heißkammer- und Kaltkammer-Druckguss
| Merkmal | Heißkammer-Druckguss | Kaltkammer-Druckguss |
| Metalllieferung | Das geschmolzene Metall wird in einem integrierten Ofensystem aufbewahrt | Das geschmolzene Metall wird in die Einspritzkammer geleitet |
| Typische Werkstoffe | Legierungen mit niedrigerem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Zink | Legierungen mit höherem Schmelzpunkt, üblicherweise Aluminium |
| Zyklus | Bei geeigneten Legierungen im Allgemeinen schneller | Beinhaltet zusätzliche Schritte beim Metalltransfer |
| Ausrüstung | Spritzgusskomponenten kommen mit geschmolzenem Metall in Kontakt | Das Einspritzsystem ist vom Warmhalteofen getrennt. |
| Anwendungen | Kleine Zinkteile und Beschläge | Aluminiumgehäuse und Konstruktionsteile |
3. Feinguss
Der Wachsausschmelzguss, auch Feinguss genannt, ist ein Verfahren, bei dem aus einem Einweg-Wachsmodell eine Detailform hergestellt wird. Das Modell wird mit einem feuerfesten Material beschichtet und umhüllt, wodurch eine keramische Hülle entsteht.
Wichtigste Merkmale:
- Geeignet für komplexe Formen und Details.
- Damit lassen sich recht glatte Oberflächen erzielen.
- Damit lassen sich aufwendige Fertigungsprozesse minimieren.
- Geeignet für eine Vielzahl von Metalllegierungen.
4. Druckguss
Beim Pressguss werden Elemente des Gießens und des Schmiedens miteinander kombiniert. Geschmolzenes Metall wird in eine Form geleitet, und während des Erstarrens wird Druck ausgeübt.
Wichtigste Merkmale:
- Der Druck wird während der Erstarrung aufrechterhalten.
- Durch diesen Prozess entstehen Bauteile mit geringer Porosität.
- Im Vergleich zu einigen herkömmlichen Gussverfahren werden dadurch die mechanischen Eigenschaften verbessert.
- Erfordert spezielle Ausrüstung und eine kontrollierte Verarbeitung.
- Die Kosten für die Werkzeuge und den Prozess können höher sein als bei einfacheren Verfahren.
Guss vs. CNC-Bearbeitung: Für welches Verfahren sollten Sie sich entscheiden?
Wann sollte man sich für einen Guss entscheiden:
- Das Bauteil ist ein komplexes Teil oder ein Hohlkörper.
- Es werden große Mengen ähnlicher Teile benötigt.
- Mit diesem Gussverfahren lassen sich die geforderten Maß- und Oberflächenanforderungen erfüllen.
- Das Material und die Geometrie sind für den Prozess geeignet.
- Die Kosten für Werkzeuge lassen sich auf ein angemessenes Produktionsvolumen verteilen.
Wann sollte man sich für die CNC-Bearbeitung entscheiden:
- Bei dem Projekt handelt es sich um einen Prototyp oder um eine kleine Stückzahl.
- Es sind enge Toleranzen erforderlich.
- Das Design kann sich im Laufe der Entwicklung noch ändern.
- Das Bauteil benötigt präzise Bohrungen, Schlitze, Gewinde oder Passflächen.
- Das Bauteil kann aus vorhandenem Lagermaterial zu geringen Produktionskosten gefertigt werden.
Wann ist ein kombiniertes Verfahren angebracht?
Bei Bauteilen mit komplexer Gesamtform, bei denen jedoch präzise Funktionsmerkmale gefordert sind, kann die Fertigung durch Gießen und Zerspanen geeignet sein.
Ein Pumpengehäuse für den industriellen Einsatz kann beispielsweise im Gussverfahren hergestellt werden, um das Hauptgehäuse und die inneren Kanäle zu formen. Anschließend kann die CNC-Bearbeitung zur Endbearbeitung von Stirnflächen, Bohrungen in den Wellen und Dichtflächen eingesetzt werden. Auf diese Weise lässt sich der Fräsaufwand beim Bearbeiten von Vollmaterial minimieren und gleichzeitig die Präzision in den Bereichen gewährleisten, in denen sie erforderlich ist.
Ist die Arbeit als CNC-Fachkraft schwer?
Die CNC-Bearbeitung ist nicht besonders schwierig, doch der Schwierigkeitsgrad hängt von der jeweiligen Aufgabe, den Maschinen, der Komplexität der Teile und dem Verantwortungsumfang ab. Die verschiedenen an einem CNC-Betrieb beteiligten Personen – darunter auch die für die Einrichtung und Programmierung zuständigen Mitarbeiter sowie die Fertigungsingenieure – müssen unterschiedliche Fähigkeiten mitbringen.
- Lesen von Bauplänen: Lesen von technischen Zeichnungen, Maßen, Toleranzen und geometrischen Vorgaben.
- Messung: Überprüfung der Maße mit Messschiebern, Mikrometern, Lehren und Prüfwerkzeugen.
- Maschinenbetrieb: Werkstücke laden, Werkzeuge auswählen, Zyklen überwachen und Sicherheitsvorschriften befolgen.
- Werkzeugkenntnisse: Kenntnisse über Schneidwerkzeuge, Werkzeugverschleiß, Werkstückspannung und Bearbeitungsparameter.
- Programmierung: Die Erstellung oder Änderung von CNC-Programmen (G-Code oder CAM-Software), je nach Bedarf.
Was macht die CNC-Bearbeitung so anspruchsvoll?
Bei der CNC-Bearbeitung geht es nicht nur darum, eine Maschine zu bedienen. Die Mitarbeiter müssen sich bewusst sein, welchen Einfluss Materialeigenschaften, Schnittkräfte, Werkzeuggeometrie, Maschinensteifigkeit und Bearbeitungsparameter auf das Endprodukt haben.
Zu den typischen Problemen zählen enge Toleranzen, die Auswahl geeigneter Werkzeuge, die Vermeidung von Rattern und übermäßigem Werkzeugverschleiß, die präzise Aufspannung der Werkstücke, die Behebung von Problemen mit der Oberflächengüte sowie Sicherheitsvorkehrungen.
Häufige Gussfehler und die Rolle der mechanischen Bearbeitung
Gussfehler können die Abmessungen, das Aussehen oder die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils beeinträchtigen. Die Erkennung und Beherrschung dieser Fehler ist ein wichtiger Bestandteil der Fertigungsqualität.
| Gussfehler | Beschreibung | Mögliche Auswirkungen |
| Porosität | Kleine Hohlräume oder Lücken im Gussstück | Kann die Festigkeit, Dichtheit oder Druckbeständigkeit beeinträchtigen |
| Schrumpfung | Hohlräume oder Maßänderungen, die durch Schrumpfung während der Erstarrung verursacht werden | Kann die strukturelle Integrität oder die Abmessungen beeinträchtigen |
| Schären | Verformung während des Abkühlens oder der Erstarrung | Kann zu Ausrichtungs- oder Maßabweichungen führen |
| Oberflächenrisse | Risse, die sich auf der Gussoberfläche bilden | Kann die Haltbarkeit und Akzeptanz beeinträchtigen |
| Einschlüsse | Im Gussteil eingeschlossene nichtmetallische Materialien | Kann die Materialqualität und -leistung beeinträchtigen |
Durch CNC-Bearbeitung lassen sich zwar bestimmte Maßabweichungen korrigieren und Oberflächen verfeinern, doch können damit innere Fehler nicht automatisch beseitigt oder die beeinträchtigte Materialintegrität wiederhergestellt werden.
So senken Sie die Kosten beim Gießen und bei der CNC-Bearbeitung
Die Herstellungskosten hängen von der Konstruktion des Bauteils, dem Werkstoff, dem Produktionsvolumen, den Werkzeugen, der Bearbeitungszeit und den Qualitätsanforderungen ab. Im Folgenden finden Sie Beispiele für Maßnahmen zur Kostenkontrolle:
- Entscheiden Sie sich frühzeitig für das Verfahren: Bewerten Sie in der Konstruktionsphase die Gussverfahren, die spanende Bearbeitung und die kombinierte Fertigung.
- Materialbedarf besprechen: Wählen Sie eine Legierung entsprechend den mechanischen Anforderungen, den Einsatzbedingungen und der Herstellbarkeit aus.
- Machen Sie die Geometrie nicht unnötig kompliziert; so weit wie möglich vereinfachen, solange die Funktionalität erhalten bleibt.
- Funktionale Toleranzen verwenden: Wenden Sie enge Toleranzen nur dort an, wo dies erforderlich ist.
- Konstruktionszugaben: Achten Sie darauf, dass auf den zu bearbeitenden Gussoberflächen ausreichend Material vorhanden ist.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Guss und Zerspanung?
Bei der Zerspanung wird mithilfe von Schneidwerkzeugen Material von einem festen Werkstück abgetragen, während beim Druckguss geschmolzenes Metall in eine Form gegossen wird. Das Druckgussverfahren wird häufig für komplexe Formen und große Produktionsmengen eingesetzt, während die Zerspanung in der Regel für Präzisionsmerkmale und eine flexible Fertigung gewählt wird.
Was ist eine Gießmaschine?
Die Gussbearbeitung, auch als “Cast-and-Machine”-Fertigung bekannt, ist eine Kombination aus Gussverfahren und CNC-Bearbeitung. Die Grundform wird durch Gießen hergestellt, während kritische Maße, Bohrungen, Oberflächen und funktionale Merkmale durch die Bearbeitung erzielt werden.
Ist die CNC-Bearbeitung eine schwierige Aufgabe?
Die CNC-Bearbeitung ist anspruchsvoll, da sie das Verständnis von technischen Zeichnungen, Messungen, die Bedienung der Maschinen, den Einsatz von Werkzeugen und in manchen Fällen auch die Programmierung erfordert. Technische Schulungen und angeleitete praktische Übungen bieten Anfängern die Möglichkeit, sich diese Kenntnisse anzueignen.
Ist Guss kostengünstiger als CNC-Bearbeitung?
Der Druckguss ist bei geeigneten Großserien möglicherweise wirtschaftlicher, da sich die Werkzeugkosten auf eine größere Anzahl von Bauteilen verteilen. Die CNC-Bearbeitung könnte sich für Prototypen, Kleinserien oder hochpräzise Bauteile als kostengünstiger erweisen. Das optimale Verfahren hängt von den Anforderungen an das Bauteil und dem Produktionsvolumen ab.
Können Gussteile CNC-bearbeitet werden?
Ja. Genaue Bauteilabmessungen, Oberflächenbeschaffenheit und Präzisionsmerkmale wie Bohrungen, Gewinde, Lagersitze und Befestigungsflächen werden in der Regel durch die CNC-Bearbeitung von Gussteilen erzielt.
Was ist die beste Gusstechnik, um detaillierte Informationen zu erfassen?
Das Feingussverfahren wird in der Regel für komplexe Geometrien und feine Details eingesetzt. Dies hängt vom Werkstoff, der Bauteilgröße, der Bauteilkonstruktion, den Toleranzen und der Stückzahl ab.
Schlussfolgerung
Gießen und CNC-Bearbeitung sind beide unverzichtbar in der Metallfertigung, unterscheiden sich jedoch in ihrer Vorgehensweise. Beim Gießen wird geschmolzenes Metall in eine Form gegossen, wodurch sich eine Vielzahl komplexer Formen und Fertigungsvorgänge realisieren lässt.
Die CNC-Bearbeitung ist ein Fertigungsverfahren, bei dem ein festes Material zerschnitten oder bearbeitet wird, um ihm die gewünschte Form und Größe zu verleihen. Jedes der folgenden Gussverfahren weist seine eigenen Vor- und Nachteile auf: Sandguss, Feinguss und Squeeze-Guss.
Guss- und Zerspanungsverfahren können kombiniert werden, um bei Bauteilen mit komplexen Geometrien und hohen Präzisionsanforderungen die Vorteile beider Techniken zu nutzen. Bei der richtigen Auswahl sind Geometrie, Werkstoff, Toleranzen, Oberflächenbeschaffenheit, Produktionsmenge, Qualitätsanforderungen und Gesamtkosten zu berücksichtigen.