Aluminiumteil ohne Dokumentation nachfertigen: vom 3D-Scan zum fertigen Gussteil

Ein Aluminiumteil lässt sich ohne Zeichnung nachfertigen: Das Original wird in 3D gescannt, daraus entsteht ein CAD-Modell und darauf aufbauend das Gussmodell, der Guss und die Bearbeitung der Funktionsflächen. Das ist eine Lösung für Instandhaltungsabteilungen, Servicebetriebe und Besitzer älterer Maschinen, wenn sich das Teil nicht kaufen lässt und eine Reparatur nicht infrage kommt.

Kurz gefasst

• Für die Nachfertigung genügt das Original – auch verschlissen oder gebrochen; am besten sind alle Bruchstücke noch vorhanden.
• Das 3D-Modell des fertigen Teils ist noch kein Gussmodell: Es müssen Bearbeitungszugaben, Formschrägen und Schwindung ergänzt werden.
• Bei einem oder wenigen Stücken fällt die Wahl meist auf die Sandform, die das akademische Lehrbuch „Odlewnictwo“ (WNT) bei jeder Seriengröße als wirtschaftlich einstuft.
• Eine in der Sandform gefertigte Kopie eines Druckgussteils erfordert oft dickere Wände: Das Minimum liegt hier bei 3–6 mm statt bei 0,7–1,5 mm wie im Druckguss.
• Die Legierung wird durch eine chemische Analyse des Originals bestimmt oder nach der Funktion des Teils gewählt.

Wann sich die Nachfertigung lohnt und wann Reparatur oder Kauf besser sind

Das Nachfertigen eines Teils nach dem Original lohnt sich, wenn es sich nicht kaufen lässt oder die Lieferzeit zu lang ist. Vergleichen Sie vor der Beauftragung des Scans drei Wege.

Situation	In der Regel der beste Weg
Maschine aus der Produktion genommen, Hersteller existiert nicht mehr oder liefert keine Teile	Nachfertigung nach dem Original
Einzelner Riss in einer gut schweißbaren Legierung, gering belastetes Teil	Reparatur durch Schweißen
Teil beim Hersteller in akzeptabler Zeit und zu akzeptablem Preis erhältlich	Kauf des Originalteils
Sie benötigen jetzt einige Stücke und künftig weitere	Nachbau – Modell und Dokumentation bleiben für Folgeaufträge erhalten
Das Bauteil bricht immer wieder an derselben Stelle	Nachbau mit konstruktiver Korrektur

Ein Bruch an immer derselben Stelle ist meist ein konstruktives Signal und kein Zufall: ein scharfer Wanddickensprung, fehlende Verrundung oder eine massive Materialanhäufung. Beim Nachbau lässt sich das verbessern, da ohnehin ein neues Modell entsteht. Wann sich die Reparatur eines Risses durch Schweißen lohnt und wann nicht, beschreiben wir in einem separaten Artikel.

Nachfertigung des Teils Schritt für Schritt

1. Beurteilung des Originals. Der Technologe prüft, ob das Bauteil vollständig ist, wie stark es verschlissen ist und mit welchem Verfahren es hergestellt wurde. Davon hängt ab, ob ein Scan ausreicht oder fehlende Bereiche rekonstruiert werden müssen.
2. Erfassung der Anforderungen. Funktion des Bauteils, Belastungen, Betriebstemperatur, Medienkontakt, Dichtheit, Passungen mit Gegenstücken und Stückzahl.
3. 3D-Scan und Messungen. Der Scanner erfasst die Oberfläche des Bauteils. Passbohrungen, Gewinde und Bezugsflächen werden zusätzlich mit taktilen Messmitteln vermessen.
4. CAD-Modell. Aus dem Scan entsteht ein Volumenmodell, das die Konstruktionsabsicht wiederherstellt: Achsen, Ebenen und Radien, mit kompensiertem Verschleiß.
5. Legierungsauswahl. Auf Grundlage der Analyse der Zusammensetzung des Originals oder der funktionalen Anforderungen.
6. Wahl des Verfahrens. Abhängig von Stückzahl, Größe und geforderter Genauigkeit: Sandform, Kokille oder, bei großen Serien, Druckgussform.
7. Gussteilkonstruktion und Gießmodell. Zum Bauteilmodell werden Bearbeitungszugaben, Formschrägen, Schwindung und Kernmarken hinzugefügt; anschließend wird das Modell gefertigt, z. B. aus Holz, Kunststoff, 3D-Druck oder Aluminium.
8. Guss und Bearbeitung. Nach dem Gießen und Reinigen werden die Funktionsflächen per CNC bearbeitet.
9. Kontrolle und Dokumentation. Messung, Montageprobe mit dem Gegenstück und – sofern im Auftrag so vereinbart – Übergabe von Modell und Zeichnung, damit für den nächsten Auftrag kein erneutes Scannen nötig ist.

Der 3D-Scan ist erst der Anfang: Was mit dem Modell zu tun ist

Ergebnis des Scannens ist ein Netz, das die Oberfläche beschreibt und meist im STL-Format gespeichert wird. Dieses Format dient dem 3D-Druck und dem Rapid Prototyping; für Konstruktion und Bearbeitung wird jedoch ein Volumenmodell benötigt, meist als STEP übergeben.

Der Weg vom Scan zum CAD-Modell (Reverse Engineering) ist Konstruktionsarbeit und keine Dateikonvertierung. Der Scan zeigt das Bauteil im heutigen Zustand: mit abgenutzten Oberflächen, Verformungen und Korrosionsspuren. Der Konstrukteur rekonstruiert die Nennmaße, richtet Ebenen aus, legt die Bohrungsachsen fest und wählt Passungen zu den Gegenstücken. Fehlende Bereiche ergänzt er aus der Symmetrie oder aus der Geometrie der Bauteile, mit denen das Teil verbunden ist.

Der zweite Schritt ist die Umwandlung des Modells des fertigen Bauteils in das Modell des Rohgussteils. Hinzugefügt werden:

• Bearbeitungszugaben auf den Flächen, die bearbeitet werden – ihre Größe ergibt sich aus Maßtoleranzen und Bearbeitungszugaben für Gussteile,
• Formschrägen in Entformungsrichtung des Modells aus der Form,
• Gießschwindung – das Modell ist um einen auf Legierung und Formverfahren abgestimmten Wert größer als das Gussteil,
• Kernmarken für Bohrungen und Kanäle, die sich nicht direkt in der Form abbilden lassen,
• Verrundungen und sanfte Wanddickenübergänge, die Rissbildung begrenzen.

Die Schwindung legt der Technologe fest. Das Modell muss sogar das Formverfahren berücksichtigen: Beim maschinellen Verdichten der Formmasse mit hohen Drücken verringert sich die angenommene lineare Schwindung um ca. 30 %, da die Formmasse nach Wegfall des Drucks zurückfedert (S. 280). Ein Modell für das Handformen und ein Modell für die automatische Formanlage sind daher nicht austauschbar.

Welche Legierung? Analyse des Originals und alte Bezeichnungen

Der sicherste Weg ist die Analyse der chemischen Zusammensetzung des Originals mit einem Spektrometer. Das ist derselbe Gerätetyp, mit dem Gießereien laufend die Zusammensetzung ihrer Schmelzen kontrollieren. Für die Untersuchung muss in der Regel eine kleine, ebene Stelle am Bauteil vorbereitet werden, daher sollte vorab geklärt werden, wo dies möglich ist.

Das Ergebnis wird mit den Sorten nach PN-EN 1706 verglichen. Auf alten Zeichnungen und Typenschildern finden sich frühere polnische Bezeichnungen, z. B. AK7, AK9 oder AK11, bei denen die Zahl nach den Buchstaben AK den mittleren Siliziumgehalt angibt (S. 147). Wie sie sich in heutige Sorten übertragen lassen, erklären wir im Artikel über die früheren AK-Bezeichnungen und ihre EN-AC-Entsprechungen.

Ist eine Analyse nicht möglich, wird die Legierung nach der Funktion des Bauteils gewählt: erforderliche Festigkeit, Einsatz in korrosiver Umgebung, Dichtheit, spätere Bearbeitung und Beschichtung. Dabei verhält sich dieselbe Legierung in verschiedenen Gießverfahren unterschiedlich. So ist beispielsweise bei AlSi9Mg die Mindestzugfestigkeit im Kokillenguss und im Druckguss höher als im Sandguss.

Das Verfahren des Originals erkennen, bevor Sie das Verfahren für die Kopie wählen

Spuren am Bauteil geben Hinweise auf das Herstellungsverfahren. Runde Auswerfermarkierungen deuten auf eine Metallform hin, also auf eine Kokille oder eine Druckgießform. Sehr dünne Wände und eine glatte Oberfläche sprechen meist für Druckguss. Eine körnige Oberfläche und dickere Wände deuten auf Sandguss hin.

Das Verfahren für die Kopie muss nicht mit dem des Originals übereinstimmen, doch dann ändern sich die Möglichkeiten:

Parameter (Aluminiumlegierungen)	Sandform	Kokille	Druckguss
Minimale Wanddicke	3–6 mm	2,5–5 mm	0,7–1,5 mm
Rauheit der Rohoberfläche Ra	4–10 µm	4–6 µm	0,8–1,6 µm
Wirtschaftliche Seriengröße	beliebig	ab ca. 400 Stk. (einfache Gussteile), ab ca. 1000 Stk. (komplexe)	ab ca. 2500 Stk.

Quelle: Handbuch „Odlewnictwo“ (WNT), Tab. 3.20, 3.22 und 3.23. Richtwerte, abhängig von Größe und Form des Bauteils.

Fazit für Einzelstücke: Die Kopie eines Druckgussteils wird in der Regel im Sandguss gefertigt. Zu dünne Wände müssen daher verstärkt und glatte Funktionsflächen nachbearbeitet werden. Die Verstärkung verändert das Gewicht und mitunter den benötigten Einbauraum, deshalb wird sie im CAD-Modell geprüft, bevor das Gussmodell gefertigt wird. Häufig ändert sich auch die Legierung: Druckgusslegierungen sind auf dieses Verfahren abgestimmt, für die Sandgussform wählt man eine Legierung mit guten Eigenschaften im Sandguss, teils mit Wärmebehandlung.

Gussmodell, Gussteil und Endbearbeitung

Bei einem oder wenigen Stücken verteilen sich die Modellkosten auf eine sehr kleine Stückzahl. Deshalb wählt man die einfachste Ausführung, die für die benötigte Zahl an Abformungen ausreicht. Die Werkzeuge werden einmal gefertigt und dienen der gesamten Produktion eines Gussteils, die übrigen Arbeitsschritte wiederholen sich bei jedem Abguss (S. 106). Dauermodelle entstehen aus Holz, Metall oder Kunststoff (S. 111–112); heute werden sie oft im 3D-Druck hergestellt oder aus Modellplatten gefräst. Werkstoffe, Standzeit und Eigentum an Modellen beschreiben wir im Beitrag über Gussmodelle und weitere Werkzeuge.

Einzelne Gussteile werden meist von Hand geformt, und das Handformen ist weniger genau als das maschinelle Formen (Tab. 5.2). Für Gussteile aus Nichteisenlegierungen in Formen aus Ton-Wasser-Formstoff nennt das Handbuch allgemein eine Toleranz von ±0,8 mm für Maße bis 150 mm (Tab. 3.21), ohne Unterscheidung des Formverfahrens. Daher werden Passungen, Lagersitze, Dichtflächen und Gewinde mit Aufmaß ausgelegt und auf 3- und 5-Achs-CNC-Bearbeitungszentren gefertigt.

Der letzte Schritt ist die Kontrolle: Messung der kritischen Maße und Montageprobe mit dem Gegenstück. Arbeitet das Bauteil unter Mediendruck, empfiehlt es sich, in der Bestellung eine Dichtheitsprüfung zu vermerken.

Was Sie vor der Anfrage vorbereiten sollten

Je mehr Informationen Sie uns zu Beginn geben, desto weniger Rückfragen sind nötig und desto schneller erhalten Sie ein Angebot. Bereiten Sie bitte vor:

• Fotos des Bauteils aus mehreren Perspektiven, mit Maßstab im Bild, sowie Fotos der Einbausituation,
• das Original oder alle seine Bruchstücke und, wenn möglich, die Gegenstücke,
• eine Beschreibung von Funktion und Einsatzbedingungen: Belastungen, Temperatur, Medium, erforderliche Dichtheit,
• eine Liste der Passflächen und der Maße, die erhalten bleiben müssen,
• die Stückzahl jetzt und in Aussicht auf weitere Bestellungen,
• bekannte Kennzeichnungen: Katalognummer, Legierung vom Typenschild oder von einer alten Zeichnung.

Eine vollständige Liste der Angaben, die bei jeder Bestellung hilfreich sind, finden Sie im Beitrag darüber, was Sie für eine Angebotsanfrage vorbereiten sollten. Wie der Ablauf eines Auftrags aussieht, erklären wir im Beitrag darüber, wovon die Lieferzeit eines Gussteils abhängt.

Rechte an der Nachfertigung von Teilen

Das Bauteil kann durch gewerbliche Schutzrechte geschützt sein, zum Beispiel als eingetragenes Design oder als patentierte Lösung. Stellen Sie vor der Beauftragung einer Kopie sicher, dass Sie diese anfertigen lassen dürfen, insbesondere wenn die Teile in den Verkauf gehen sollen. Im Zweifelsfall empfiehlt es sich, dies vor der Bestellung mit dem Rechteinhaber oder einem Patentanwalt zu klären.

Häufig gestellte Fragen

Wir fertigen das Teil nach Ihrem Original nach

Die Familientradition der Gießerei reicht bis 1950 zurück und begann mit dem Gießereimodellbau. Heute verbindet die Gießerei in Poznań 3D-Scannen und die Anfertigung von Gussmodellen mit Aluminiumguss und CNC-Bearbeitung. Senden Sie uns Fotos des Bauteils für ein Angebot und beschreiben Sie, wofür es dient – wir sagen Ihnen, ob es besser ist, es zu rekonstruieren, zu reparieren oder anders zu fertigen.

Quellen und Normen

• M. Perzyk (Hrsg.), Gießtechnik, WNT, Warschau – Kap. 2.1 (S. 106), 2.2 (Modellarten), 3.1 (Aluminiumlegierungen, Tab. 3.8), 3.2 (Regeln der gießgerechten Konstruktion, Tab. 3.12), 3.3 (Tab. 3.20–3.23), 4.2.6 (Analyse der chemischen Zusammensetzung), 5.2–5.3 (Formstoffverdichtung und Formen, Tab. 5.2).
• PN-EN 1706:2020+A1:2021 – Aluminium und Aluminiumlegierungen – Gussstücke – Chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften