Grünsand-, Airset- und 3D-gedruckte Formen: Vor- und Nachteile sowie typische Oberflächenbeschaffenheiten

Bevor wir uns mit den verschiedenen Formtypen befassen, klären wir zunächst den Zusammenhang: Sandguss bildet die Grundlage für die meisten Druckgussverfahren für Nichteisenmetalle . Dabei werden die Formhohlräume hergestellt, in die das flüssige Metall gegossen oder eingespritzt wird. Während beim Hochdruck-Druckguss Stahlformen zum Einsatz kommen, bleiben sandbasierte Formen für die Prototypenentwicklung, die Klein- bis Mittelserienfertigung und komplexe Geometrien, die kostengünstige Werkzeuge erfordern, unerlässlich.

Die drei wichtigsten Sandformtechnologien – Grünsand, Luftformung und 3D-Druck – bieten jeweils spezifische Vorteile, abhängig von den Toleranzanforderungen, dem Jahresvolumen und den Oberflächenbeschaffenheitsspezifikationen Ihres Projekts.

"Green" refers to the moisture content (typically 3-6%), not the color. This traditional method uses silica sand bonded with clay (bentonite) and water, compacted around a pattern. It's the most widely used casting process globally, accounting for over 60% of sand cast parts.

Vorteile

Niedrigste Kosten pro Form – Die Kosten für die Formen sind minimal; Sand ist preiswert und wiederverwendbar.

Höchste Produktionsgeschwindigkeit – Formen können in 5–10 Minuten hergestellt werden, ideal für Großserien.

Hervorragende Recyclingfähigkeit – über 90 % Sandrückgewinnungsrate reduzieren Materialabfall.

Bewährte Zuverlässigkeit – Jahrzehntelange Prozessdaten für konsistente, vorhersagbare Ergebnisse

Geeignet für große Gussteile – Verarbeitet Aluminiumteile bis über 500 kg

            Nachteil

     Mangelhafte Oberflächenbeschaffenheit – Feuchtigkeit und grobe Sandkörner erzeugen raue Oberflächen.

     Geringere Maßgenauigkeit – Toleranzen um ±0,5 mm (±0,020")

     Feuchtigkeitsbedingte Defekte – Risiko von Gasporosität, Aderbildung und Ausdehnungsdefekten

     Begrenzte Komplexität – Tiefe Schnittlinien und einfache Trennlinien erforderlich

     Nicht geeignet für dünne Wände – Mindestwandstärke ~4-5 mm für Aluminium

AAR-Vergleich: EntsprichtASA 3.0-4.0 (sehr rau). Erfordert eine Nachbearbeitung oder Endbearbeitung der Dichtflächen.

● Großserienfertigung von Motorblöcken und Getriebegehäusen für Kraftfahrzeuge

● Gehäuse für schwere Industriepumpen , Ventilkörper

● Nicht-ästhetische Strukturbauteile, bei denen eine Bearbeitung geplant ist

● Projekte mit knappen Budgetvorgaben und großzügigen Toleranzen

Dieses Verfahren, auch als No-Bake- oder chemisch gebundene Sandform bekannt, mischt Sand mit einem flüssigen Harzkatalysator (Polyurethan oder Furan), der bei Raumtemperatur aushärtet. Das Bindemittel erzeugt ohne Hitze oder Feuchtigkeit eine starre, formstabile Form.

Vorteile

     Überlegene Oberflächengüte – 50–75 % glatter als Grünsand

     Engere Toleranzen – Erreicht konstant ±0,25 mm (±0,010").

     Keine Feuchtigkeitsfehler – Beseitigt Probleme mit Dampf, Gasen und Adern

     Bessere Detailwiedergabe – Erfasst feine Merkmale, Logos und Texturen

    Verbesserte Dimensionsstabilität – Keine feuchtigkeitsbedingte Ausdehnung/Kontraktion

    Geeignet für Prototypenentwicklung und Serienfertigung – Flexibel für kleine bis mittlere Stückzahlen (10-5.000 Stück/Jahr)

            Nachteil

     Höhere Formkosten – Harz und Härter erhöhen die Kosten im Vergleich zu Grünsand um 30–50 %.

     Langsamere Formenproduktion – Die Aushärtung dauert 30 Minuten bis 4 Stunden.

     Entsorgung von gemischtem Sand – Niedrigere Rückgewinnungsraten (60–70 %)

     VOC-Emissionen – Erfordert ausreichende Belüftung für Harzdämpfe

     Begrenzte Formgröße – Typischerweise maximal ~200 kg schwere Gussteile

AAR-Vergleich: ASA 2.5-3.5(mittel). Oft akzeptabel für funktionale Oberflächen; minimaler Nachbearbeitungsaufwand.

● Halterungen für die Luft- und Raumfahrt mittlerer Größe , Elektronikgehäuse  

● Präzisionshydraulikverteiler , die dichte Dichtflächen erfordern

● Komponenten medizinischer Geräte, die detaillierte Merkmale erfordern  

● Prototypen , die die Eigenschaften der Serienproduktion widerspiegeln müssen

● Komplexe Kernbohrungen, bei denen Dimensionsstabilität von entscheidender Bedeutung ist

Mithilfe des Binder-Jetting-Verfahrens werden diese Formen Schicht für Schicht direkt aus CAD-Dateien gedruckt – physische Schablonen sind nicht erforderlich. Ein flüssiges Bindemittel wird gezielt auf Sandkörner aufgetragen, wodurch komplexe Geometrien entstehen, die mit herkömmlichen Methoden nicht realisierbar sind.

Vorteile

     Unbegrenzte geometrische Freiheit – Innenkanäle, Hinterschneidungen, Null-Schrägschrägen möglich

     Keine Musterkosten – Spart Werkzeugkosten von 5.000 bis über 50.000 US-Dollar.

     Schnelles Prototyping – Formen in 2-5 Tagen fertig statt in 4-6 Wochen

     Designiterationsgeschwindigkeit – CAD-Modell über Nacht modifizieren und neu drucken

     Gleichbleibende Qualität – Digitales Verfahren verhindert Abnutzungserscheinungen.

     Wirtschaftliche Kleinserienfertigung – Kostengünstig für 1–100 Stück

            Nachteil

     Höchste Kosten pro Form – 3- bis 5-mal teurer als Grünsand für das gleiche Volumen

     Begrenztes Bauvolumen – Maximale Größe typischerweise 800 x 500 x 400 mm (druckerabhängig)

     Längere Gesamtvorlaufzeit bei größeren Stückzahlen – Die Druckgeschwindigkeit begrenzt die Produktionsraten

     Anisotrope Eigenschaften – Schichtgrenzen können die Oberflächenkonsistenz beeinflussen.

     Materialbeschränkungen – Derzeit optimiert für Aluminium und Magnesium; Zink stellt eine Herausforderung dar

AAR-Vergleich: ASA 3.0-3.5 (mittelrau). Die Schichtlinien sind sichtbar, aber gleichmäßig; eine Nachbearbeitung kann die Oberfläche verbessern.

● Schnelles Prototyping für Form-, Passform- und Funktionstests  

● Ersatzteile in geringen Stückzahlen für ältere Geräte

● Komplexe interne Kühlkanäle für Wärmetauscher  

● Maßgefertigte medizinische Implantate mit patientenspezifischer Geometrie

● Brückenproduktion während der Wartezeit auf die Werkzeuge

● Konforme Kühlkerne für Hochdruck-Druckgussformen

● Ra 25 μm (1000 μin): Grober Guss, erfordert intensive Nachbearbeitung

● Ra 12,5 μm (500 μin): Standard für Grünsand; Nachbearbeitung für Dichtungen erforderlich

● Ra 6,3 μm (250 μin): Funktionelle Oberfläche; akzeptabel für viele dynamische Grenzflächen  

● Ra 3,2 μm (125 μin): Glatt; nahezu endkonturnahe Form für präzise Montage

● Ra 1,6 μm (63 μin): Feine Oberfläche; spiegelglatt nach dem Polieren

Wichtigste Erkenntnis: Airset-Formen liefern konstant eine Oberflächenrauheit von Ra 6,3 μm , wodurch die Vorbearbeitung nicht kritischer Flächen oft entfällt und die Gesamtkosten des Bauteils um 15-30 % gesenkt werden.

Unabhängig vom Formtyp können Nachbearbeitungsprozesse die Oberflächengüte verbessern:

● Kugelstrahlen: Reduziert den Ra-Wert um 30–40 %; entfernt Schuppen und glättet die Textur.

● Vibrationsschleifen: Glättet Kanten; verbessert das kosmetische Erscheinungsbild

● Chemische Konversionsbeschichtung: Bereitet die Oberfläche für das Lackieren/Anodisieren vor  

● CNC-Bearbeitung: Erreicht eine Oberflächenrauheit (Ra) von 0,8–1,6 μm auf kritischen Dichtungs- oder Lagerflächen

● Jahresvolumen >2.000 Stück

● Eine Toleranz von >±0,5 mm ist akzeptabel

● Teilegewicht >10 kg

● Das Budget ist die primäre Einschränkung

● Das Erscheinungsbild der Oberfläche ist nicht entscheidend

● Volumen: 50–2.000 Stück/Jahr

● Toleranz: ±0,25 mm erforderlich

● Die Dichtflächen benötigen nur minimale Nachbearbeitung.

● Sie benötigen Flexibilität von der Prototypenentwicklung bis zur Serienproduktion.

● Die Reduzierung von Mängeln rechtfertigt den Aufpreis

● Lieferzeit <2 Wochen

● Volumen <100 Stück

● Die Geometrie weist interne Kanäle auf/keinen Tiefgang.

● Die Musterkosten sind unerschwinglich

● Sie validieren das Design, bevor Sie in Produktionswerkzeuge investieren.

Für Käufer aus den USA, Europa und Australien, die bei asiatischen Gießereien einkaufen:

● Grünsand: Weit verbreitet; niedrigste Anschaffungskosten; geeignet für Standardlegierungen

● Airset: Zunehmende Verbreitung; Harzqualität (Furan vs. Polyurethan) im Hinblick auf die Einhaltung von Umweltauflagen prüfen.

● 3D-Druck: Beschränkt auf Tier-1-Gießereien; DFM-Prüfung auf anisotrope Schrumpfung sicherstellen; Schutz des geistigen Eigentums für gedruckte CAD-Dateien in Betracht ziehen.

Profi-Tipp: Fordern Sie von Ihrem Lieferanten AAR-Fotos (Area-Actual Roughness) und Mustergussteile an, um die Angaben zur Oberflächenbeschaffenheit vor der Produktion zu überprüfen.

Es gibt keine Universallösung. Grünsandverfahren maximieren die Wirtschaftlichkeit bei der Fertigung robuster Bauteile in großen Stückzahlen. Airset schließt die Lücke zwischen Kosten und Präzision bei mittleren Serien. 3D-gedruckte Formen ermöglichen Designfreiheit und beschleunigen die Fertigung von Prototypen und komplexen Kleinserienteilen.

Bei kundenspezifischen Druckgussprojekten, die enge Toleranzen, schnelle Bearbeitungszeiten oder spezielle Oberflächenbeschaffenheiten erfordern, bietet die Zusammenarbeit mit einer Gießerei, die alle drei Technologien anbietet, die Flexibilität, das Formverfahren an die jeweilige Phase des Produktlebenszyklus anzupassen.

Bereit, präzisionsgefertigte Druckgussteile zu beziehen?

Wir bei F&Q-Tech sind spezialisiert auf kundenspezifischen Aluminium-, Zink- und Magnesium-Druckguss mit Grünsand-, Airset- und 3D-gedruckten Formen. Wir beliefern OEMs in Nordamerika, Europa und Australien und bieten folgende Leistungen an:

● Toleranzen bis zu ±0,25 mm dank Airset-Technologie

● Prototypenguss in 7 Tagen mittels 3D-gedruckter Formen

● Produktionsmengen von 1 bis über 50.000 Stück

● Umfassende Nachbearbeitung, Pulverbeschichtung und Montageleistungen

Laden Sie noch heute Ihre CAD-Zeichnung hoch und erhalten Sie eine kostenlose DFM-Prüfung sowie ein unverbindliches Angebot. Unser Ingenieurteam empfiehlt Ihnen das optimale Formgebungsverfahren, das Ihren Anforderungen an Oberflächengüte und Kosten entspricht.