Ersatzteile aus Guss: Holzmodell, Vollformguss oder Printed Casting?

Wer Gussteile als Ersatzteile benötigt, hat heutzutage gleich mehrere Optionen, mit denen sich diese Probleme umgehen lassen. Alle Möglichkeiten gut zu verstehen, hilft in der Not, aber auch schlicht bei der Auswahl des besten Verfahrens für den jeweiligen Anwendungsfall.

Die drei Hauptverfahren im Überblick

Der traditionelle Weg über das Holzmodell

Der Vollformguss mit Styropormodellen

Das „Printed Casting“-Verfahren

Alle drei Hauptverfahren haben Vor- und Nachteile, die geschickt ausgenutzt werden können. Hier geben wir einen kurzen Überblick, der die Entscheidungsfindung unterstützt.

Übrigens: Zwischendrin gibt es zudem noch interessante Hybridmethoden, welche wir in diesem Beitrag auch ansprechen werden.

Die Beschaffung von Ersatzteilen aus Guss kommt mit spezifischen Problemstellungen, etwa:

Es liegen keine Zeichnungen vor.

Es gibt kein Holzmodell.

Das Holzmodell stand bei einem Lieferanten, den es nicht mehr gibt.

Es ist besonders eilig, da das fehlende Ersatzteil Ausfallzeiten verursacht.

Es gibt Verbesserungen zum Originalteil.

Drei Gussverfahren, im Schnelldurchlauf

Beim Hohlformguss mit Holzmodell und beim Vollformguss wird die Gussform erzeugt, indem ein Modell des späteren Gussteils in Sand eingeformt wird. Das Holzmodell wird wieder ausgeformt, damit ein Hohlraum entsteht. Das im Vollformguss verwendete Styropormodell bleibt in der Regel in der Form und verdampft beim Abguss.

Die Gussformherstellung mit 3D-Sanddruck kommt ganz ohne Modell aus. Der Hohlraum entsteht durch schichtweisen Aufbau der Sandform aus einem Sandbett, das auf Basis von CAD-Daten des Gussteils wie in einem Tintenstrahldrucker erzeugt wird (statt Tinte wird Schicht für Schicht ein Bindemittel aufgetragen).

Hohlformguss mit Holzmodell versus Vollformguss

Ein Holzmodell kann mehrfach benutzt werden und bietet eine sehr hohe Maßhaltigkeit und Präzision. Wenn ein Holzmodell für ein Ersatzteil schon vorhanden und intakt ist, ist das die schnellste Methode – solange es dort, wo es steht, zügig abgegossen werden kann. Ist kein Modell vorhanden, überwiegen für die Ersatzteilproduktion beim Hohlformguss mit Holzmodell meist die Nachteile: Die Modellherstellung ist teuer, rechnet sich also erst ab einer gewissen Stückzahl; das Ausformen verlangt Formschrägen und komplex zusammengesteckte Formen und Kerne, um das Gussteil abzubilden. Bestimmte Geometrien sind einfach nicht möglich, Komplexität ist teuer. Die Vorlaufzeit ist lang (Wochen bis Monate).

Hohlformguss mit Holzmodell versus Vollformguss

Beim Vollformguss wird das Modell aus dem Vollen aus EPS (expandiertem Polystyrol) gefräst. Das geht schneller (in der Regel in 1-2 Wochen) und kostet weniger (ungefähr ein Fünftel der Kosten des Holzmodells). Da das Styropormodell nicht ausgeformt werden muss, kann auf Formschrägen verzichtet werden; Hinterschneidungen und komplexere Geometrien sind möglich. Da im Vergleich zum Hohlformguss auch bei der Gussvorbereitung einige Arbeitsschritte entfallen, ist auch der Abguss um circa 20% günstiger. Modelle können bis kurz vor dem Abguss leicht geändert werden. Da das Modell jeweils nur einmal verwendet werden kann, rechnet sich ab einer bestimmten Stückzahl das Holzmodell (wenn andere Faktoren wie Anlaufzeiten und Gestaltungsfreiheit keine Rolle spielen). Das beim Abguss verdampfende EPS hinterlässt Rückstände, die die Oberflächenqualität beeinflussen. Insbesondere gussoberseitig muss eine größere Bearbeitungszugabe einberechnet werden. Aufgrund des weicheren Modellmaterials, muss eine um einen Toleranzgrad höhere Gusstoleranz gewählt werden.

“Gerade für die Produktion von Ersatzteilen ergibt sich mit 3D-Sanddruck auch Potenzial zur kontinuierlichen Optimierung des Bauteils.”

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Wann lohnt sich 3D-Sanddruck für Ersatzteile?

Der 3D-Sanddruck (oder „Printed Casting“) kombiniert die Geschwindigkeit, Flexibilität und Gestaltungsfreiheit des Vollformgusses mit der Präzision und Maßhaltigkeit des mit Holzmodell produzierten Gussteils. Er ist Hohlformguss ohne Modell. Der Wegfall des Modells heißt kein Ausformen, keine Styroporrückstände, keine Modellkosten, und ermöglicht noch größere Gestaltungsfreiheit als der Vollformguss bei minimaler Anlaufzeit (keine Modellbauphase!).
Gerade für die Produktion von Ersatzteilen eröffnet der 3D-Sanddruck Potenzial zur kontinuierlichen Optimierung des Bauteils: besserer Materialeinsatz durch bionische Strukturen, Funktionsintegration von Bauteilkomponenten, etc.
Der Geschwindigkeitsvorteil des 3D-Sanddrucks setzt sich auch nach dem Abguss fort. Die Präzision der Form kann direkt die Endkontur des Gussteils erzeugen – auch ohne Bearbeitung und mit sehr guter Oberflächenqualität. So ist das Ersatzteil schneller einsatzbereit.
Was dem 3D-Sanddruck Grenzen setzt, ist der Druckraum des 3D-Sanddruckers, der die Größe der druckbaren Formen einschränkt. Die Länge dieser “Job Box“ ist in der Regel die größte Dimension und liegt üblicherweise zwischen einem und vier Metern.
Im Vergleich zum Vollformguss müssen die Kosten des technisch überlegenen 3D-Sanddrucks individuell betrachtet werden und sind abhängig vom Bauteil mal günstiger, mal teurer.

Hybride Gussverfahren?

Der 3D-Sanddruck selbst ist ein Hybridverfahren aus 3D-Druck und traditionellem Guss. Es gibt aber auch noch weitere Hybride zwischen den drei Hauptverfahren, mit denen sich je nach Problemstellung zusätzliche Möglichkeiten eröffnen. Dazu zählen etwa der entformte Vollformguss (das Styropormodell wird aus der Form genommen), mit dem sich Styroporrückstände vermeiden lassen, und das 3D-Sanddrucken von Kernen und anderen Formelementen für ansonsten mit Modell erzeugten Formen. In Grenzfällen kann es sich lohnen, diese in Betracht zu ziehen.

“Da die Kostenunterschiede zwischen Vollformguss und 3D-Sandguss je nach Bauteil schwanken, lohnt es sich insbesondere bei kleineren Gussteilen beim 3D-Sanddruck als Option anzufangen.”

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Fazit

Wenn das Holzmodell für ein benötigtes Ersatzteil schon vorhanden ist, und sich am Gussteil nichts ändern soll, ist der Hohlformguss mit Holzmodell die schnellste und günstigste Methode (bei selten benötigten oder sehr großen Ersatzteilen sollten allerdings Modelllagerkosten mit berücksichtigt werden).

Ist kein Holzmodell vorhanden, sind bei kleinen Stückzahlen der Vollformguss und der 3D-Sanddruck die bessere Alternative. Beide sind schnell, wobei der 3D-Sanddruck etwas schneller und zudem genauer ist. Da die Kostenunterschiede zwischen Vollformguss und 3D-Sandguss je nach Bauteil schwanken, lohnt es sich beim 3D-Sanddruck als Option anzufangen. Insbesondere da sich Kostenvoranschläge für Printed Castings viel schneller einholen lassen.

Der 3D-Sanddruck ermöglicht zudem die Hinterlegung eines „virtuellen Holzmodells“, das das Erstellen einer Präzisionssandform jederzeit ermöglicht, aber auch Änderungen zulässt. Die Sandform kann überall dort erstellt werden, wo ein 3D-Sanddrucker steht. Im Vergleich zum Holzmodell erweitert sich damit der Kreis der potenziellen Lieferanten.