mini|Gießen von Gusseisen in eine Sandform mini|Prozessfolge beim Gießen von Zinnsoldaten

Das Gießen (auch der Guss; jeweils zu „gießen“, wie gleichbedeutend lateinisch fundere beruhend auf indogermanisch *ghudFriedrich Kluge, Alfred Götze: Etymologisches Wörterbuch der deutschen Sprache. 20. Auflage. Herausgegeben von Walther Mitzka. De Gruyter, Berlin / New York 1967; Neudruck („21. unveränderte Auflage“) ebenda 1975, ISBN 3-11-005709-3, S. 257–258 (gießen) und 277 (Guß).) oder das Werk von Metallen und Legierungen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Werkstücke (Gussstücke) aus flüssigem Metall – der Schmelze – hergestellt werden. Beim häufigsten Verfahren – dem in Gießereien vorgenommenen Formguss – wird die Schmelze in eine Hohlform gefüllt, in der sie anschließend erstarrt. Die Innenfläche der Hohlform ist das Negativ der Außenfläche des Gussstücks.

Das Gießen zählt zur Hauptgruppe des Urformens und ist innerhalb dieser die bedeutendste Verfahrensgruppe. Für das Gießen nicht-metallischer Werkstoffe siehe Gießen (Urformen). Dieser Artikel beschreibt vor allem den Formguss. Weitere wichtige Gießverfahren sind der Druckguss, Blockguss und das Stranggießen.

Das Einfüllen der Schmelze in die Formen wird als Abguss bezeichnet. Zur gesamten Prozesskette des Formgusses vom Rohmaterial bis zum Gussstück zählt auch der Formenbau, die Fertigung der Modelle, das Schmelzen der Werkstoffe und die Schmelzebehandlung, sowie die Nachbehandlung: Entformen, Wärmebehandeln und das Gussputzen. Zu letzterem zählt die Entfernung von Anschnitt und Speisern, die nur zur Zuführung von Schmelze dienen, aber nicht Bestandteil des Gussteils sind, das Entsanden, Entgraten, Entzundern und das Ausbessern von Gussfehlern.

Für Gießereien bestimmtes Roheisen aus Erz wird in Barren oder Masseln gegossen. Die Weiterverarbeitung der Masseln erfolgt in den Gießereien, wobei das Eisen wieder eingeschmolzen wird. Von den dort angewendeten Gießverfahren sind die wichtigsten der Sandguss, wobei Formen aus Sand genutzt werden, und der Druckguss, bei dem die Schmelze von einem Kolben in eine mehrfach genutzte Dauerform gepresst wird.

Die wichtigsten Gießwerkstoffe für Formguss sind Gusseisen mit einem Massenanteil an der Gesamtproduktion in Gießereien von etwa 75 % und Aluminiumlegierungen. Die für das Gießen wichtigen Werkstoffeigenschaften werden zur Gießbarkeit zusammengefasst.

Die gießenden sowie die zuliefernden Betriebe werden unter dem Begriff „Gießerei-Industrie“ zusammengefasst, die wiederum in Deutschland im Bundesverband der Deutschen Gießerei-Industrie gebündelt ist.

Geschichte mini|Gießen im Alten Ägypten:Links oben beheizen des Ofens mit Blasebälgen, links unten Behälter mit Schmelze von Ofen nehmen

Ur- und Frühgeschichte Das Gießen stammt aus der Kupferzeit, der Übergangszeit von der Jungsteinzeit zur Bronzezeit. Erste Metalle waren schon in der Steinzeit bekannt. In gediegener, also metallischer Form kamen in der Natur Gold, Silber und Kupfer vor. Kupfer wurde anfangs durch Hämmern bearbeitet, wodurch es sehr spröde und brüchig wurde. Daher wurde es zunächst nur als Schmuck genutzt; für Werkzeuge waren alle bekannten Metalle wegen der geringen Härte und Festigkeit nicht brauchbar. Mit der Entwicklung von Schmelzöfen (sogenannte Tiegelöfen) um 3000 v. Chr. – zuerst in China und Indien – wurde es möglich, Metalle zu gießen und auch aus Kupfererz Kupfer zu gewinnen. Kupfer bereitete jedoch beim Gießen Probleme, da es dazu neigt, Blasen zu bilden. Außerdem weist es einen hohen Schmelzpunkt auf und ist relativ zähflüssig. Seit 1500 v. Chr. wurden in Ägypten daher Blasebälge statt Blasrohre eingesetzt. Der entscheidende Durchbruch gelang mit der Technik des Legierens: Durch Zulegieren von Zinn entstand Bronze, die sich ausgezeichnet vergießen lässt, deutlich härter und fester ist als Kupfer und sich daher auch für Werkzeuge eignet. Damit löste Bronze den Stein als wichtigsten Werkzeugwerkstoff ab. Bronze, Silber und Gold wurden für den Kunstguss genutzt, Bronze zusätzlich für die Herstellung von Waffen und Werkzeugen. Diese Metalle wurden zwar auch durch Schmieden und Treiben bearbeitet, das wichtigste Verfahren aber war das Gießen.Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München, Wien 1991, S. 38, 42, 44 f. Da sich der Schmelzofen aus dem Keramikofen entwickelte, waren die frühen Metallverarbeiter auch mit dem Bau keramischer Formen vertraut.

Antike In der Antike wurde Bronze durch Eisen als wichtigster Werkstoff abgelöst, das sich in Europa bis ins Mittelalter nicht gießen ließ, während die Chinesen die Technik seit etwa 500 v. Chr. beherrschten. Im Kunsthandwerk wurde nach wie vor der Bronzeguss genutzt und weiterentwickelt. Die Bronzestandbilder wurden im Laufe der Antike immer größer und komplexer. Anfangs wurden nur massive Figuren von etwa 30 cm Höhe hergestellt. Später gelang die Herstellung von hohlen Gussstücken (Hohlguss), was viel Material einsparte und so bedeutend größere Werkstücke ermöglichte, darunter lebensgroße Reiterstandbilder. Angewandt wurde das Wachsausschmelzverfahren: Über eine Grundmasse aus Ton wurde ein Mantel aus Wachs gelegt, in den die zu fertigende Form eingearbeitet wurde. Danach wurde diese Schicht mit einer weiteren Lage aus Ton umgeben. Die Schmelze wurde in die Zwischenlage aus Wachs gegossen, wodurch dieses verbrannte. Bei einer Weiterentwicklung des Verfahrens wurden die Standbilder in einzelnen Teilen wie Armen oder Köpfen vergossen und zusammengelötet. Wenn die einzelnen Teile misslangen, musste nicht die gesamte Form erneut gefertigt werden.Quellen: Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München, Wien 1991, S. 51. Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte – Band 3. Propyläen, Berlin 1997, S. 104 f.

Mittelalter Im Hochmittelalter gelang dank der neuen Schachtöfen, den Vorläufern der Kupolöfen, erstmals die Herstellung von Gusseisen (gießbares, aber nicht schmiedbares Eisen), das nun im Kunstguss genutzt wurde. Außerdem wurden die Blasebälge immer häufiger durch Wasserkraft angetrieben. Teils wurde in den gleichen Schachtöfen auch Gusseisen und schmiedbares Eisen hergestellt.Johann Mehrtens: Der Gießerei-Schachtofen im Aufbau und Betrieb. Berlin 1942, S. 4. Digitales Archiv Springer Books, siehe Google Books. Teilweise wurden die Formen in der Gießerei gebaut und zu den Öfen transportiert, teils wurde das Gusseisen in den Gießereien erneut eingeschmolzen. Besondere Bedeutung erlangte der Glockenguss.

Frühe Neuzeit mini|Das 16,8 t schwere Dardanellengeschütz. Bronzeguss aus dem 15. Jahrhundert.

Die ersten Kanonen der frühen Neuzeit wurden noch aus schmiedeeisernen Blechstreifen geschmiedet, was jedoch aufwendig war. Danach gewann der Bronzeguss an Bedeutung. Die Bronzekanonen wurden zunächst im Vollguss hergestellt und dann gebohrt, später wurden sie über einem Kern gegossen und die vorhandene Bohrung nur noch ausgebohrt, was Gussmasse und Bearbeitungszeit einsparte. Kurz vor der Industrialisierung wurden auch Kanonen aus Gusseisen über einem Kern gegossen und danach ausgebohrt.

Barock

Industriezeitalter Während der Industrialisierung wurde Gusseisen zum wichtigen Konstruktionswerkstoff. Die erste aus Gusseisen gefertigte Brücke der Welt war die Iron Bridge. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden Aluminium und Magnesium als Gusswerkstoffe entdeckt (siehe Aluminiumguss und Metallurgie#Magnesium, Titan), später auch Legierungen wie Duraluminium. Bereits um 1900 wurden Serienteile für die Automobilindustrie aus Aluminium vergossen.

Seit den 1970er Jahren ist es durch die Finite-Elemente-Methode möglich, den Gießprozess zu simulieren und zu optimieren (FEM-Simulation).Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 5 – Gießen, Pulvermetallurgie, Additive Manufacturing. 4. Auflage. Springer Vieweg 2015, ISBN 978-3-540-23453-1, S. 5 f.

Konkurrierende Verfahren Viele Fertigungsverfahren lassen sich alternativ anwenden. Das Gießen konkurriert vor allem mit dem Umformen (Schmieden) und dem Zerspanen (Drehen, Bohren, Fräsen, Schleifen). Diese benötigen allerdings Rohmaterial in fester Form, das üblicherweise durch Gießen hergestellt wurde. Beim Gießen sind auch sehr komplexe Formen herstellbar und es eignet sich für große Serien. Kleine und mittelgroße Werkstücke werden eher geschmiedet oder zerspant.

Werkstoffe mit sehr hohem Schmelzpunkt werden häufig pulvermetallurgisch hergestellt. Statt einer Schmelze wird dabei Metallpulver genutzt. Bei Einzelstücken ist das 3D-Drucken eine Alternative bei dem entweder direkt das Teil erzeugt wirdAlfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 2, 8.Andreas Bühring-Polaczek, Walter Michaeli, Günter Spur (Hrsg.): Handbuch Urformen. Hanser, 2014, S. V, 7. Siehe auch Fügen durch Urformen oder eine Ausschmelzform für das Gießverfahren.

Wirtschaftliche Bedeutung Das Gießen komplexer Werkstücke hat gegenüber anderen Produktionsmethoden den Vorteil, dass es nur relativ wenige Prozessschritte umfasst und den Materialverbrauch reduziert, der z. B. beim Fräsen entsteht. Auch bei gewichtsoptimierter Bauteilgeometrie, wie sie im Flugzeugbau oder in der Medizintechnik beim Titan­guss erforderlich ist, erlangt das Gießen gegenüber der Zerspanung eine immer größere Bedeutung. Der Anteil der Produktion der Gießereien an der Gesamtproduktion des produzierenden Gewerbes in Deutschland macht zwar nur etwa ein Prozent aus, es gibt jedoch zahlreiche Branchen, die die Gießereien als Zulieferer benötigen. Hauptabnehmer sind mit über 50 % die Fahrzeugindustrie (mit stark steigender Tendenz in den letzten Jahrzehnten) und der Maschinenbau. Hingegen ging der Bedarf der Montanindustrie an Gussteilen stark zurück.

Die Anzahl der Beschäftigten lag 2011 bei 78.000 in Deutschland, die in etwa 500 Gießereien arbeiteten. Die Produktionsmenge wird in der Gießerei als Gesamtmasse der Werkstücke angegeben. 2011 lag sie für Deutschland bei 5,8 Millionen Tonnen.Heiko Lickfett: Wirtschaftliche Bedeutung der Gießereiindustrie. In: Andreas Bühring-Polaczek, Walter Michaeli, Günter Spur (Hrsg.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014. Die weltweite Jahresproduktion an Gussteilen betrug 2013 über 100 Millionen Tonnen. 2013 war China der wichtigste Produzent mit 42,5 Millionen Tonnen, gefolgt von den USA (12,8 Millionen Tonnen) und Indien (9,3 Millionen Tonnen). Danach folgen Japan, Deutschland und Russland mit 5,3 bis 4,3 Millionen Tonnen.

Entwicklungsperspektiven Allein die deutschen Fahrzeugbauer beziehen etwa 3 Millionen Tonnen aus der Produktion der deutschen Gießereien. Das zeigt, dass die Branche von der Durchsetzung der Elektromobilität, die zum Wegfall schwerer mechanischer Komponenten (Motor, Getriebe usw.) führen wird, stark betroffen sein dürfte. Auch verschiebt sich der Schwerpunkt der Automobilproduktion nach Asien. Ein weiterer wichtiger Trend ist die Entwicklung von Leichtbaugussteilen. Der Handformguss von großen Einzelstücken und Kleinserien ist in Deutschland aus Effizienzgründen weitgehend eingestellt worden, was dazu führt, dass große, von Hand gegossene Einzelstücke heute oft aus dem Ausland (z. B. Brasilien) bezogen werden müssen.

Erreichbare Genauigkeiten und Produktivität

mini|hochkant=2|Kurbelwelle aus Gusseisen. Die dunklen Flächen entstanden durch das Gießen, glänzende sind durch Drehen und teilweise nachfolgend Schleifen nachbearbeitet. In der Groß­ansicht sind die unter­schiedlichen Oberflächen­rauheiten gut zu erkennen.