Was ist Vakuumguss? Verfahren, Konstruktion und Anwendungen

So funktioniert das Vakuumguss-Verfahren

Was ist Vakuumbeschichtung und wie funktioniert sie?

Beim Vakuumguss werden präzise Kunststoff- und Gummikomponenten mithilfe von Silikonformen in einer Vakuumumgebung hergestellt. Zunächst erstellen Hersteller typischerweise ein 3D-gedrucktes oder CNC-gefertigtes Prototypmodell und tauchen dieses in flüssiges Silikon ein, um eine flexible Form zu bilden. Sobald das Silikon vollständig ausgehärtet ist, wird die Form in eine Vakuumkammer eingebracht und Polyurethanharz unter Anwendung von Unterdruck eingefüllt. Dieses Verfahren entfernt effektiv eingeschlossene Luftblasen aus der Masse und erzeugt Bauteile mit genauen Abmessungen und glatten Oberflächen, die denen von Spritzgussteilen – wie sie in der Massenproduktion üblich sind – in nichts nachstehen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung: Vom Musterteil zum fertigen Gussteil

1. Erstellung des Musterteils : Ein Prototypmodell wird mittels 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung hergestellt
2. Vorbereitung der Silikonform : Das Muster wird in einem Rahmen befestigt, mit flüssigem Silikon bedeckt und 16 Stunden bei 40 °C (104 °F) ausgehärtet
3. Trennung der Form : Die ausgehärtete Form wird vorsichtig aufgeschnitten, um das Originalmuster zu entfernen, wobei die Hohlräume erhalten bleiben
4. Gießen mit Harz : Zweikomponenten-Polyurethan wird gemischt, entgast und unter einem Vakuum von 0,1 bar in die Form gegossen
5. Aushärtung und Entformung : Die Teile härten 2–4 Stunden aus, bevor sie manuell entnommen werden

A prozessstudie 2023 : Optimierte Arbeitsabläufe verkürzen die Durchlaufzeiten im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugverfahren um 35 %.

Die Rolle des Unterdrucks bei der Verringerung der Porosität und Verbesserung der Oberflächenqualität

Im Vakuum (≤1 mbar Restdruck) werden während der Harzeinspritzung Gasblasen zusammengepresst, wodurch eine Porosität von weniger als 0,5 % erreicht wird. Dieser Druckunterschied zwingt das Material in feine Formstrukturen und reproduziert zuverlässig Merkmale unterhalb von 20 µm. Automobilhersteller berichten von bis zu 90 % weniger Oberflächenfehlern im Vergleich zu offenen Gussverfahren.

Herstellung von Silikonformen und erwartete Lebensdauer

Silikonformen aus hochtemperaturvulkanisierendem (HTV) Silikon halten typischerweise 25–50 Zyklen durch, während sie Toleranzen von ±0,15 mm beibehalten. Platin-vernetzte Silikone können die Formlebensdauer auf über 80 Gussstücke verlängern, wenn sie mit niedrig schrumpfenden Harzen wie ABS-ähnlichen Polyurethanen verwendet werden. Eine sachgemäße Lagerung bei 22 °C und 30 % Luftfeuchtigkeit verhindert vorzeitiges Aushärten und ermöglicht, dass Formen zwischen den Produktionsserien 6–8 Wochen lang verwendbar bleiben.

Konstruktionsgrundsätze für optimale Vakuumgussergebnisse

Wichtige Konstruktionsrichtlinien: Wanddicke, Verrippungen, Aussparungen und Gleichmäßigkeit

Halten Sie eine einheitliche Wanddicke zwischen 2–4 mm ein, um Verziehungen zu vermeiden und eine gleichmäßige Aushärtung sicherzustellen. Rippen und Aufnahmen sollten ein Höhen-zu-Dicke-Verhältnis von 1:3 aufweisen, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden. Untersuchungen aus dem Jahr 2023 zeigen, dass Designs mit gleichmäßigen Wänden 62 % weniger Fehler aufweisen als inkonsistente Varianten.

Umgang mit Hinterschneidungen, erhabenen Merkmalen und Überlegungen zur Formtrennung

• Tragen Sie Entformungswinkel von 1–3° für erhabene Logos auf, um die Entformung zu erleichtern
• Isolieren Sie komplexe Hinterschneidungen mithilfe modularer Formeinsätze
• Verwenden Sie silikonkompatible Trennmittel, um die Formintegrität zu schützen und mehr als 30 Zyklen zu ermöglichen

Kompensation von Materialschrumpfung und Aushärteverhalten

Polyurethanharze schrumpfen während der Aushärtung um 5–8 %. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, werden Urmodelle um den Faktor 1,05–1,08 vergrößert. Eine strategische Positionierung des Anspritzkanals sowie eine Nachhärtung bei 60 °C über 4–6 Stunden stabilisieren die Maße innerhalb von ±0,15 mm.

Erreichen enger Toleranzen und einer hohen Oberflächenqualität

Das Vakuumgussverfahren erreicht Toleranzen von ±0,1 mm bei Merkmalen unter 50 mm und reproduziert Oberflächenstrukturen, die feiner als 20 µm sind. Durch optimiertes Entlüften wird die Polierzeit um 40 % reduziert, wobei Ra-Werte zwischen 0,8–1,6 µm eingehalten werden, gemäß dem design-Effizienzbericht 2024 .

Häufige Fehler und wie man Porosität, Verzug und unvollständige Füllungen vermeidet

Die Porosität sinkt signifikant – von 12 % auf 2 % –, wenn doppelte Vakuumzyklen (30³ Hg bei 0,8 bar) angewendet werden. Um Verzug zu minimieren:

1. Halten Sie die Formtemperatur bei 40±5°C
2. Verwenden Sie glasgefüllte Harze für dünne Abschnitte
3. Wenden Sie sequenzielles Gießen bei Bauteilen über 200 mm an

Unvollständige Füllungen werden durch ordnungsgemäße Entlüftung und kontrollierten Harzfluss vermieden.

Materialien und Anwendungen im Vakuumguss

Polyurethan-Harze und Materialoptionen für unterschiedliche Eigenschaften

Das Vakuumgussverfahren basiert hauptsächlich auf Polyurethanharzen, die speziell entwickelt wurden, um als Ersatz für gängige technische Thermoplaste wie ABS, Polypropylen und Polycarbonat-Materialien zu dienen. Besonders nützlich an diesen Harzen ist ihre Fähigkeit, Härtegrade einzustellen, die bei den härteren Typen typischerweise zwischen 60 und 75 Shore D liegen. Zudem verfügen sie über eingebaute Flammwidrigkeit gemäß UL94-V0-Norm und behalten während der Produktion eine gleichbleibende Farbe, was erklärt, warum sie sich sowohl für Prototypentests als auch für tatsächliche Produktkomponenten so gut eignen. Für Anwendungen, die weichere Materialien erfordern, gibt es Varianten, die sich ähnlich wie Gummimaterialien verhalten, die in der Dichtungsherstellung verwendet werden. Wenn es vor allem auf Festigkeit ankommt, greifen Hersteller auf glasgefüllte Optionen zurück, die herkömmlichen strukturellen Kunststoffen nahekommen. Ein aktueller Blick auf Materialverträglichkeitsdaten aus dem frühen Jahr 2023 zeigt, dass etwa acht von zehn im Vakuumgussverfahren hergestellten Automobilteilen diese vielseitigen Polyurethane nutzen, da sie genau das richtige Gleichgewicht zwischen langlebiger Leistung und der Wiedergabe feiner Details während des Formgebungsprozesses bieten.

Flexible, klare und hochtemperaturbeständige Harze für spezielle Anwendungen

Art des Harzes	Hauptmerkmale	Gemeinsame Anwendungen
Flexibel (Shore A 40-90)	Reißfest, vibrationsdämpfend	Dichtungen, ergonomische Griffe
Optisch klar	>92 % Lichtdurchlässigkeit	Linsen-Prototypen, Lichtleiter
Hochtemperatur (150 °C+)	Minimale thermische Verformung	Komponenten im Motorraum, HLK

Diese Spezialmaterialien ermöglichen die Herstellung medizinischer Dichtungen und transparenter Gehäuse für Consumer-Elektronik ohne nachträgliche Oberflächenbearbeitung.

Abstimmung der Materialeigenschaften auf die Anforderungen des Endanwendungsbereichs

Automotive-Ingenieure wählen hitzebeständige Harze für Sensoren unter der Motorhaube, während Elektronikhersteller UL-zertifizierte flammhemmende Sorten für Ladegerätegehäuse bevorzugen. Prototypen für Industrieanlagen verwenden häufig glasgefüllte Polyurethane, um die Steifigkeit von spritzgegossenem Nylon zu einem Drittel der Kosten nachzuahmen.

Entwicklung medizinischer Geräte mit biokompatiblen Gussmaterialien

Das Vakuumgussverfahren unterstützt ISO-10993-zertifizierte Polyurethane für chirurgische Instrumente und Prothesen. Eine Studie aus dem Jahr 2022 ergab, dass 78 % der individuellen orthopädischen Schablonen mittels Vakuumguss hergestellt werden, da dieses Verfahren eine Genauigkeit von ±0,15 mm in biokompatiblen Materialien gewährleistet.

Luft- und Raumfahrt sowie funktionale Testanwendungen für Kleinserienbauteile

Die Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet Vakuumguss für Windkanalmodelle und Drohnengehäuse, die enge Toleranzen (±0,1 mm) erfordern. Jüngste Fortschritte bei hochbelastbaren Harzen ermöglichen über 50 flugtaugliche Teile pro Form, wodurch sich die Qualifizierungszeiten im Vergleich zur CNC-Bearbeitung um 40 % verkürzen.

Vorteile des Vakuumgusses für Prototyping und Kleinserienfertigung

Schnelle Lieferzeiten und Kostenvorteile gegenüber dem Spritzguss

Vakuumguss liefert funktionale Prototypen in 5–10 Werktage , wodurch sich die Durchlaufzeiten im Vergleich zu Spritzguss-Werkzeugzyklen um 75 % verkürzen. Der vereinfachte Silikonformprozess vermeidet teure Modifikationen von Metallwerkzeugen. Bei Chargen unter 500 Einheiten reduzieren sich die Kosten pro Teil um 30–60 %, was ihn ideal für die iterative Designvalidierung macht.

Geringe Werkzeugeinsatzkosten und Skalierbarkeit für kleine Produktionsmengen

Silikonformen kosten $800–$2,500vorab – deutlich weniger als 15.000 $ für Stahl-Spritzgussformen. Jede Form produziert typischerweise wirtschaftlich 15–25 identische Teile. Die Ausbringung kann skaliert werden, indem mehrere Formen parallel hergestellt werden, wodurch die Konsistenz zwischen den Produktionsläufen gewahrt bleibt – ein entscheidender Vorteil für Medizin-Startups, die vor der behördlichen Zulassung Chargen von 50–300 Einheiten fertigen.

Hochgradige Reproduktion komplexer Geometrien und Oberflächenstrukturen

Mit Toleranzen von ±0,15 mm und einer Oberflächenrauheit unter 1,6 µm Ra erreicht das Vakuumgießen eine Qualität auf Spritzguss-Niveau bei komplexen Merkmalen wie:

• Mikrostrukturierte Griffe (0,1–0,5 mm Muster)
• Steckverbindungen mit <0,2 mm Spiel
• Transparente Linsen in optischer Qualität (92 % Lichtdurchlässigkeit)

Vorteile für Nachhaltigkeit durch geringeren Abfall bei der Kleinserienfertigung

Im Vergleich zur CNC-Bearbeitung erzeugt das Vakuumgussverfahren bei komplexen Geometrien 68 % weniger Abfall, und wiederverwendbare Formen reduzieren den Ausschuss. Moderne Polyurethanharze enthalten 25–40 % bio-basierte Bestandteile, behalten dabei jedoch eine Zugfestigkeit von über 50 MPa – was der steigenden Nachfrage nach umweltkonformen Vorserienmustern in der Automobilindustrie gerecht wird.

Vakuumguss im Vergleich zu anderen Fertigungsmethoden: Wann welche Methode gewählt werden sollte

Vakuumguss im Vergleich zum Spritzguss: Kosten-, Mengen- und Lieferzeitenvergleich

Wenn es darum geht, loszulegen, ist das Vakuumgussverfahren deutlich kostengünstiger als das Spritzgussverfahren. Man rechnet etwa 800 bis 2.500 US-Dollar pro Form im Vergleich zu den 15.000 bis 50.000 US-Dollar für Spritzgussformen. Außerdem dauert die Einrichtung des Vakuumgusses nur 7 bis 14 Tage, während für Spritzgusswerkzeuge 6 bis 12 Wochen benötigt werden. Bei kleineren Stückzahlen unter 500 Einheiten können Hersteller mit dem Vakuumguss zwischen 60 % und 80 % pro Bauteil einsparen. Doch es gibt einen Haken: Sobald die Produktion etwa 10.000 Teile überschreitet, wird das Spritzgussverfahren wirtschaftlicher, da die Stückkosten dann unter 2 US-Dollar fallen. Laut einigen Branchenberichten des vergangenen Jahres bleibt Vakuumguss die erste Wahl für Prototypen und kurzfristige Produktionsbedarfe, während große Hersteller weiterhin stark auf das Spritzgussverfahren für ihre hohen Produktionsmengen angewiesen sind.

Vergleich von Vakuumguss mit 3D-Druck und CNC-Bearbeitung für Prototypen

Während der 3D-Druck Konzeptmodelle in 24 bis 72 Stunden liefert, fehlt es ihm an funktioneller Materialleistung und feiner Oberflächenqualität. Die CNC-Bearbeitung erreicht eine hervorragende Präzision (±0,025 mm) bei Metallteilen, wird jedoch mit zunehmender Komplexität kostspielig. Das Vakuumgussverfahren schließt diese Lücken durch:

• Materialvielseitigkeit : Über 80 Polyurethanharze, die ABS, PP und hochtemperaturbeständige Thermoplaste nachbilden
• Detailgenauigkeit : 25 µm Auflösung, die die meisten FDM-/SLA-Drucke übertrifft
• Effizienz bei Chargen : Herstellung von 10–15 Teilen pro Zyklus

Auswahl des richtigen Verfahrens basierend auf Präzision, Losgröße und Zeitplan

Entscheidungsfaktor	Vakuumguss	3D-Druck	CNC-Bearbeitung
Optimale Losgröße	10–500 Einheiten	1–50 Einheiten	1–200 Einheiten
Toleranz (mm)	±0.1–0.3	±0.1–0.5	±0.025–0.05
Materialstärke	85 % spritzgegossen	40–60 % isotrop	Vollständig dichte Metalle

A leitfaden zur Verfahrensauswahl empfiehlt Vakuumguss für 10–300 funktionale Prototypen, die spritzgussähnliche Eigenschaften erfordern, und behält CNC für präzise Metallkomponenten sowie 3D-Druck für schnelle Formverifikation vor.