Aluminiumguss konstruieren: Konstruktionsregeln, die Kosten und Ausschuss senken

Ein Aluminiumgussteil ist dann kostengünstig und reproduzierbar, wenn es möglichst gleichmäßige Wände, sanfte Übergänge, Schrägen in Entformungsrichtung und möglichst wenige Kerne aufweist. Diese Merkmale legt der Konstrukteur fest: Laut dem Hochschullehrbuch „Odlewnictwo“ (WNT) macht die Konstruktion nur rund 7 % der Produktkosten aus, bestimmt diese aber zu 65 %. Wir haben die Regeln zusammengestellt, die Sie prüfen sollten, bevor das Modell an die Gießerei geht.

Kurz gefasst

• Die Mindestwanddicke hängt vom Verfahren ab: 3–6 mm in der Sandform, 2,5–5 mm in der Kokille und 0,7–1,5 mm beim Druckguss.
• Planen Sie Innenwände etwa 20 % dünner als Außenwände und halten Sie das Dickenverhältnis benachbarter Wände bei höchstens 2:1; größere Unterschiede gleichen Sie mit einem Keil mit einer Neigung von höchstens 1:4 aus.
• Richtwerte für Schrägen: Sandform ca. 2° (Minimum ca. 1°), Druckguss ca. 2° an Innenwänden und ca. 1° an Außenwänden; flache Elemente und Kokillenguss erfordern größere Winkel.
• Wandkreuzungen, T-Verbindungen ohne Entlastung und massive Materialanhäufungen bilden Wärmeknoten – eine häufige Ursache für Schrumpfungslunker und Undichtigkeiten.
• Jeder zusätzliche Kern, jede Hinterschneidung und jede zweite Teilungsebene erhöht die Werkzeugkosten. Bei Metallformen sollten die Kerne eine gemeinsame Ziehrichtung haben.

Warum bestimmt die Konstruktion die Kosten eines Gussteils?

Die vollständige Aufstellung aus derselben Quelle zeigt, wo die Kosten entstehen und wo über sie entschieden wird:

Schritt	Anteil an den Produktkosten	Einfluss auf die Produktkosten
Konstruktion	7%	65%
Fertigung	33%	19%
Werkstoffe	40%	15%
Verwaltung	20%	1%

In der Konstruktionsphase fallen die Entscheidungen über Werkstoff und Verfahren, spätere Entscheidungen des Technologen haben auf die Kosten nur noch einen vergleichsweise geringen Einfluss. Deshalb lohnt es sich, die Regeln der gussgerechten Konstruktion zu prüfen, bevor Formen und Modelle bestellt werden – Kosten, Standzeit und Eigentumsverhältnisse dieser Werkzeuge beschreiben wir im Artikel über Modelle, Kokillen und Druckgießformen.

Die Konstruktionsregeln für gießgerechtes Design lassen sich danach gliedern, wozu sie dienen: Herstellung von Werkzeugen und Formen, Formfüllung mit Metall, Speisung des Gussteils, Begrenzung von Eigenspannungen sowie Putzen und Nachbearbeitung.

Wanddicke: Mindestwert je Verfahren und gleichmäßige Verteilung

Die minimale Wanddicke ist der Grenzwert, unterhalb dessen das Metall die Form möglicherweise nicht mehr vollständig füllt. Das Handbuch nennt für Aluminiumlegierungen:

Gießverfahren	Minimale Wanddicke	Hinweise
Sandform (bentonitgebundener Formsand)	3–6 mm	Wert für Nichteisenmetalle
Kokille	2,5–5 mm	2,5 mm bei kleinen, 5 mm bei größeren Flächen
Druckguss	0,7–1,5 mm	0,7 mm bei kleinen, 1,5 mm bei mittelgroßen Teilen

Das Minimum ist keine Empfehlung. Eine zu dünne Wand führt zu Fehlguss (unvollständige Formfüllung), eine große ebene Wand zusätzlich zu Kaltläufen. Abhilfe schafft dann eine dickere Wand, bei einer großen ebenen Wand eine Schrägstellung.

Das andere Extrem sind zu dicke Wände. Dickere Querschnitte erstarren langsamer, haben ein gröberes Gefüge und geringere Eigenschaften, und in massiven Bereichen entsteht leicht Schrumpfporosität. Wie sich die Wanddicke auf die Festigkeit auswirkt, erklären wir im Artikel über die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumguss.

Drei Proportionsregeln:

• Innenwände ca. 20 % dünner als Außenwände (Y = 0,8X). Das Innere des Gussteils gibt die Wärme langsamer ab, daher gleicht die dünnere Wand die Abkühlung aus.
• Rippe am Fuß nicht dicker als ca. 80 % der Wand,aus der sie hervorgeht. Eine dickere Rippe bildet an der Anbindung einen Wärmeknoten.
• Dickenverhältnis benachbarter Wände bis 2:1. Ist ein größerer Unterschied unvermeidbar, verbinden Sie die Querschnitte mit einem Keil mit einer Neigung von höchstens 1:4. Der Keil sollte mindestens viermal so lang sein wie der Dickenunterschied. Eine Alternative ist die Aufteilung des Bauteils in zwei Gussteile.

Steifigkeit wird besser durch Rippen als durch Masse erreicht. Auch rissgefährdete und verzugsanfällige Querschnitte werden mit Rippen und Verbindungsstegen versteift.

Übergänge, Verrundungen und Wärmeknoten

Ein Wärmeknoten ist eine Stelle, an der sich mehr Metall ansammelt als in der Umgebung. Er erstarrt zuletzt, sodass ihm flüssiges Metall zum Ausgleich der Schwindung fehlt – es entsteht ein Lunker oder eine Schwindungsporosität.

Riskante Lösung	Bessere Lösung	Warum
Wandkreuzung (X-Verbindung)	versetzte Verbindung (Z-Typ), Sechseckraster oder Ring im Knoten	weniger Metall an einer Stelle
T-Verbindung mit scharfer Ecke oder nur mit Radius	Aussparung (Vertiefung) an der Verbindungsstelle	ohne Aussparung im Knoten entsteht ein Schwindungslunker; ein Kern im Knoten wirkt, ist aber unwirtschaftlich
Scharfer Übergang von dicker zu dünner Wand	allmählicher, verrundeter Übergang	geringeres Risiko von Rissen und Verzug
Gerade Arme und große ebene Wände	gebogene Arme, gewölbte oder geneigte Wände	geringere gießbedingte Spannungen
Massive Materialanhäufung weit vom Speiser entfernt	Knoten in Richtung Speiser verlagert oder Speiserrippe	gerichtete Erstarrung, leichtere Speisung

Verrundungen an Wandanschlüssen sind bei Gussteilen praktisch Pflicht. Der Radius wird proportional zur Wanddicke gewählt: Ein zu kleiner begünstigt Risse, ein zu großer bildet selbst einen lokalen Wärmeknoten. Konkrete Radien legen Sie am besten gemeinsam mit dem Gießereitechnologen für das jeweilige Verfahren und die Legierung fest.

Materialanhäufungen lassen sich leicht mit der Methode der einbeschriebenen Kreise finden: Im Modellquerschnitt werden Kreise in die Wände und deren Verbindungen eingezeichnet. Je größer der Kreis in einem Knotenpunkt im Vergleich zur angrenzenden Wand ist, desto höher ist das Risiko eines Schrumpflunkers. Porosität in Knotenpunkten ist zudem eine häufige Ursache für Undichtigkeiten – dazu mehr im Artikel über die Dichtheit von Aluminiumgussteilen.

Formschrägen und Schwindung

Die Formschräge ist die Neigung von Wänden parallel zur Entformungsrichtung des Modells aus der Form bzw. des Gussteils aus der Metallform. Ohne sie beschädigt das Modell beim Entformen die Sandform, und das Gussteil klemmt in der Kokille oder der Druckgussform.

Verfahren	Richtwert der Formschräge	Hinweise
Sandform	ca. 2°, mindestens ca. 1°	Außen- und Innenwände
Kokille	ca. 3° bei einer Tiefe von 25–127 mm	flachere Elemente 5–10°, tiefer als 127 mm ca. 2°; Bohrungen auf Stahlkernen 3–10°
Druckguss	ca. 2° innen, ca. 1° außen	ab einer Tiefe von ca. 25 mm; in Präzisionsausführung ca. 1° und 0,5°; bei einer Tiefe von 10 mm ca. 3° innen

Die Werte für den Druckguss stammen aus den NADCA-Empfehlungen, für den Kokillenguss aus dem Leitfaden eines Kokillengussherstellers und von AFS, für die Sandform aus gängigen Konstruktionsempfehlungen. Es sind Ausgangswerte, keine Normanforderungen.

Innenwände benötigen größere Formschrägen als Außenwände, da das erkaltende Gussteil schrumpft und sich auf Kernen und Formvorsprüngen festklemmt. Die Ausgabe 2023 der ISO 8062-3 führte Tabellen mit Formschrägen für die einzelnen Verfahren ein (Tabellen 2–6). Wie Formschrägen und Bearbeitungszugaben mit den Maßtoleranzen zusammenhängen, beschreiben wir im Beitrag über Gussteiltoleranzen nach ISO 8062-3. Formschrägen, Teilungsebene und Entformungsrichtung werden in der Zeichnung nach ISO 10135 gekennzeichnet.

Das erkaltete Gussteil ist kleiner als der Formhohlraum, daher wird das Werkzeug um das Schwindmaß vergrößert gefertigt. Für Aluminiumlegierungen werden typischerweise ca. 1,2 % angesetzt (Bereich 0,8–1,5 %), beim Druckguss weniger – für die amerikanische Legierung A380 beispielsweise ca. 0,6 %. In der Metallform und bei durch Kerne behinderter Schwindung ist das Schwindmaß kleiner als in der Sandform. In der Bauteilzeichnung geben Sie die Nennmaße an; das Schwindmaß berücksichtigt die Gießerei bei der Auslegung des Werkzeugs.

Teilungsebene, Kerne und Hinterschnitte

Das günstigste Gussteil hat eine einzige, ebene Teilungsfläche und Maße, die sich aus einer Formhälfte erzeugen lassen. Das bedeutet kürzere Formzeiten, einen günstigeren Modellsatz und höhere Genauigkeit, da ein Versatz der Formhälften die Maße nicht beeinflusst.

Kerne sind separate Werkzeuge und ein eigener Arbeitsgang. Das zeigt sich gut am Beispiel eines Bauteils in drei Varianten: mit drei Kernen (am teuersten), mit einem Kern und ohne Kerne (am günstigsten). Einfache Konturen und offene Konstruktionen erleichtern das Formen und verringern die Zahl der Kerne.

Für Kokille und Druckgussform gelten zusätzliche Regeln:

• Metallkerne sollten eine gemeinsame Zugrichtung haben,
• vermeiden Sie in Außenwänden Hinterschnitte parallel zur Teilungsebene, da sie seitliche Schieber erfordern,
• führen Sie Rippen und Materialanhäufungen bis zur Teilungsebene weiter oder verlegen Sie sie in die Außenwände,
• beachten Sie, dass ein Hinterschnitt, den in der Sandform ein Kern löst, in der Metallform mitunter schwierig oder unmöglich herzustellen ist.

In der Sandform muss der Kern von zwei Seiten abgestützt werden, und tiefe Taschen im bentonitgebundenen Formstoff lassen sich nur schwer gleichmäßig verdichten. Für bentonitgebundene Formstoffe gilt als Richtwert, dass die Taschentiefe die halbe Breite nicht überschreiten sollte, wenn die Tasche an vier Seiten geschlossen ist, eine Breite bei drei Wänden und drei Breiten bei zwei Wänden (h/a = 0,5 / 1,0 / 3,0). Eine tiefere Tasche bedeutet in der Regel einen Kern. Mehr zur Verdichtung finden Sie im Artikel über Formstoffe, zu den Kerntechnologien im Text über Gusskerne.

Gegossene Bohrungen: wann Kern, wann Bohrer

Eine gegossene Bohrung spart Bearbeitung, ihre Tiefe ist jedoch durch den Durchmesser begrenzt. Richtwerte nach den NADCA-Empfehlungen für den Aluminium-Druckguss:

Bohrungsdurchmesser	Maximale Tiefe	Tiefe / Durchmesser
3,2 mm	ca. 8 mm	ca. 2,5
6,35 mm	ca. 25 mm	4
12,7 mm	ca. 51 mm	4
19 mm	ca. 114 mm	6
25,4 mm	ca. 152 mm	6

Dies sind empfohlene Maximalwerte und keine Grenzen einer bestimmten Gießerei. In der Kokille sind Bohrungen mit einem Durchmesser unter ca. 6 mm in der Regel nicht praktikabel zu gießen, und Bohrungen mit ca. 3 mm Durchmesser und kleiner werden nur in Sonderfällen auf feststehenden Dornen hergestellt. Ist eine Bohrung im Verhältnis zum Durchmesser zu tief, wird der Kern von zwei Seiten eingebracht. Dicht angeordnete Bohrungen werden in der Regel nicht gegossen.

In Sandformen hängen die Grenzen von der Kernart ab. Klären Sie sie daher mit der Gießerei ab und planen Sie kleine Bohrungen gleich als Bohrungen ein.

Gussgrate, Speiser und Putzen

Ein Teil der Gussteilkosten entfällt auf das Putzen: das Entfernen von Gussgraten, Anschnittsystem, Speisern und Kernsand. Die Konstruktion kann den Aufwand verringern:

• legen Sie das Gussteil so aus, dass Gussgrate auf bearbeiteten Flächen liegen – sie verschwinden zusammen mit der Bearbeitungszugabe,
• planen Sie die Speiseransätze eben, da der Rest eines ebenen Speisers ohne Formbearbeitung entfernt werden kann,
• führen Sie Gussgrate über ebene Außenflächen, da sie dort deutlich schneller entfernt werden als in Hohlräumen,
• ordnen Sie die Bohrungen so an, dass sich eingebrannter Formstoff leicht aus den Hohlräumen entfernen lässt.

Sehen Sie auf bearbeiteten Flächen eine Bearbeitungszugabe vor und wählen Sie Messbezugsflächen fern der Teilungslinie.

Checkliste vor dem Versand des Modells an die Gießerei

1. Wandstärken nicht dünner als das Minimum für das gewählte Verfahren und möglichst gleichmäßig; Innenwände ca. 20 % dünner als Außenwände.
2. Wanddickenunterschiede bis 2:1, keilförmige Übergänge nicht steiler als 1:4, abgerundete Ecken.
3. Keine X-Kreuzungen und massiven Materialanhäufungen; T-Verbindungen mit Aussparung.
4. Aushebeschrägen an allen Wänden parallel zur Entformungsrichtung, an Innenwänden größer.
5. Eine ebene Teilungsebene und kritische Maße in einer Formhälfte.
6. Möglichst wenige Kerne; bei Metallformen gemeinsame Entformungsrichtung und keine Hinterschnitte parallel zur Teilung.
7. Entscheidung, welche Bohrungen gegossen und welche gebohrt werden.
8. Gekennzeichnete Bearbeitungsflächen und Bezugsflächen; Anschnitte und Speiser auf bearbeiteten oder ebenen Flächen.
9. 3D-Modell (z. B. STEP) und Zeichnung mit Toleranzen, Legierung und geplanter Stückzahl.

Das 3D-Modell dient nicht nur der Angebotserstellung: Es ist die Grundlage für die Fertigung der Werkzeuge auf CNC-Maschinen und für die Simulation des Gießprozesses.

Häufig gestellte Fragen

Wir prüfen Ihr Modell, bevor das Werkzeug entsteht

Senden Sie uns Ihr 3D-Modell und Ihre Zeichnung. Unser Technologe beurteilt Wände, Aushebeschrägen, Kerne und Teilungsebene, und das Gussmodell erstellen wir im Rahmen von Modellbau und Prototyping – auch auf Basis eines 3D-Scans eines vorhandenen Teils. Die Gussteile fertigen wir u. a. in der Kokille oder im Druckgussverfahren. Modell zur Analyse senden.

Quellen und Normen

• M. Perzyk (Hrsg.), Gießtechnik, WNT, Warschau – Kap. 3.2 (Abb. 3.28, Tab. 3.11–3.16, S. 163–179), 3.3 (Tab. 3.20, S. 185–186), 3.4 (Verfahrenswahl, S. 190–194), 5.2.2 (Spalten im bentonitgebundenen Formstoff, S. 276).
• ISO 8062-3:2023 – allgemeine Maß- und Geometrietoleranzen sowie Bearbeitungszugaben für Gussteile; Tabellen der Gussschrägen 2–6.
• ISO 10135:2007 (EN ISO 10135:2009) – Kennzeichnung von Formteilen in der technischen Dokumentation (Aushebeschrägen, Teilungsebene).
• NADCA (North American Die Casting Association) – Konstruktionsempfehlungen für Druckgussteile: Aushebeschrägen und gegossene Bohrungen.
• AFS (American Foundry Society) – „Designing Aluminum Permanent Mold Castings“, Casting Source 2019 (basierend auf „Aluminum Casting Technology“, 3. Aufl.).
• Batesville Products – Design Guide for Permanent Mold Aluminum Casting (2024) – Aushebeschrägen in der Kokille in Abhängigkeit von der Tiefe.
• M. Finke, Formelsammlung Gießereitechnik, 2. Aufl., Verlag Europa-Lehrmittel, 2023 – Gießschwindung von Aluminiumlegierungen.
• Eazall, Datenblatt der Legierung A380 – Schwindung beim Druckguss 0,006 in/in (0,6%).