Druckgusswerkzeuge: Konstruktion, Materialien und bewährte Verfahren

Die Werkzeuge für den Druckguss umfassen, wie der Name schon sagt, Formen und Matrizen für das Druckgussverfahren. Bei guter Konstruktion ermöglichen sie präzise Konturen, enge Toleranzen und stabile Zykluszeiten über Hunderttausende, manchmal sogar Millionen von Schüssen hinweg.

In diesem Artikel erläutern wir von Moldie die Grundlagen der Druckgusswerkzeuge und helfen Ihnen, einen besseren Einblick in deren Funktionsweise, Werkzeuglösungen und andere Faktoren zu gewinnen, die für die Druckgusstechnologie relevant sind.

Was ist Druckgusswerkzeug und wie funktioniert es?

Im Kern handelt es sich bei Druckgusswerkzeugen um komplexe, hochfeste Stahlformen, die aus zwei oder mehr Hälften bestehen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, geschmolzenes Metall unter immensem Druck in ein endformnahes Bauteil zu formen.

Ein Standard-Druckgusswerkzeug besteht aus zwei Haupthälften:

• Der Deckelstempel (feste Hälfte): Diese Hälfte ist an der festen Aufspannplatte der Druckgießmaschine montiert und enthält das Einspritzsystem – entweder den Schwanenhals (in Heißkammer) oder die Schusshülse (in der Kaltkammer).
• Der Auswerferwürfel (bewegliche Hälfte): Diese Hälfte ist an der beweglichen Platte befestigt und enthält das Auswurfsystem, um das erstarrte Gussteil nach dem Zyklus auszuwerfen.

Der Druckgussprozess in vier Schlüsselschritten:

1. Klemmung: Die beiden Hälften der Matrize werden mit immenser Kraft (oft Hunderte bis Tausende von Tonnen) hydraulisch zusammengepresst, um dem hohen Druck beim Einspritzen standzuhalten.

2. Injektion: Geschmolzenes Metall wird mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druck in den Formhohlraum eingespritzt. Hier liegt der Unterschied zwischen Heißkammer und Kältekammer Systeme werden entscheidend, wie im nächsten Abschnitt detailliert beschrieben wird.

3. Kühlung: Das Metall erstarrt im Inneren des Formhohlraums und nimmt seine endgültige Form an. Das Werkzeug ist mit komplexen internen Kühlkanälen ausgestattet, in denen Wasser oder Öl zirkuliert, um den Erstarrungsprozess zu steuern und die extremen Temperaturschwankungen zu bewältigen.

4. Auswurf: Die Klemme öffnet sich, und die Auswerferplatte in der beweglichen Hälfte fährt vor und drückt Auswerferstifte gegen das Gussteil, um es aus der Form zu lösen.

Dieser Zyklus wiederholt sich alle paar Sekunden während der gesamten Lebensdauer des Werkzeugs und setzt es extremen thermischen Belastungen (durch geschmolzenes Metall), mechanischen Belastungen (durch Spann- und Einspritzdruck) sowie abrasivem Verschleiß aus. Konstruktion, Materialien und Wartung des Werkzeugs sind optimal auf diese extremen Bedingungen abgestimmt.

Kundenspezifische Formenkonstruktion für Druckgusswerkzeuge

Entformungswinkel, Radien und Wandstärke

Anwendung ausreichender Entwurf Der erste Schritt für saubere Auswürfe und eine längere Lebensdauer ist die richtige Entformungsschräge. Für optimale Ergebnisse verwenden Sie an den Außenflächen einen Entformungsschrägenwinkel von 0,5 bis 1,0 Grad und an den Innenflächen einen etwas steileren von 1,0 bis 2,0 Grad. Bei strukturierten Oberflächen ist eine zusätzliche Entformungsschräge von in der Regel mindestens einem Grad erforderlich, um ein Verklemmen des Teils beim Auswerfen zu verhindern.

Neben den Entwurfswinkeln, einschließlich der Einbeziehung von großzügige Filets Die Verwendung von Abrundungen mit einem Radius von mindestens 0,5 bis 1,0 mm bei Zink und 1,0 bis 2,0 mm bei Aluminium ist entscheidend für die Haltbarkeit und Qualität des Bauteils. Dadurch werden Spannungen verteilt und Risse durch die Vermeidung scharfer Kanten verhindert. Dieses Verfahren verbessert außerdem den Fluss des flüssigen Metalls.

Darüber hinaus sollten die Entwürfe aufrechterhalten werden gleichmäßige Wandstärke, verwenden Sie strategische Rippen und Vorsprünge und vermeiden Sie extrem dünne Wände – im Allgemeinen sollten Sie bei Aluminium über 0,8 bis 1,0 mm bleiben – es sei denn, die spezifische Konstruktion hat sich als geeignet erwiesen, diese zu bewältigen.

Toleranzen und kritische Bezugspunkte

Richten Sie ein klarer Bezugspunkt Rahmen Sie ihn mit stabilen, gut zugänglichen Oberflächen, die für die Funktion und die Messung des Bauteils entscheidend sind. Anwenden Geometrische Bemaßung und Tolerierung Die geometrische Produktspezifikation (GD&T) dient der Kontrolle von Form, Ausrichtung und Lage – wie Ebenheit, Position und Profil. Dieses System definiert die funktionalen Grenzen des Bauteils. Durch die Zulassung größerer Toleranzen an nicht kritischen Oberflächen wird eine übermäßige Einschränkung der Konstruktion vermieden. Dies vereinfacht Werkzeugbau und Fertigung, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Bezugspunkte müssen auf stabilen, im Gusszustand befindlichen Auflageflächen platziert werden, die für Messfühler leicht zugänglich sind. Ein Bezugspunkt darf niemals über die Trennlinie hinaus definiert werden, da geringfügige Fehlausrichtungen zwischen den Formhälften zu Messfehlern führen und das Bezugssystem beeinträchtigen.

Beachten Sie, dass die Toleranzen bei Gussteilen größer sind als bei bearbeiteten Teilen. Bearbeitungszugaben sollten nur auf kritische Merkmale angewendet werden. Beispielsweise werden Dichtflächen oder Lagerpassungen bearbeitet, während andere Bereiche im Gusszustand belassen werden. Dies minimiert Nachbearbeitungen und reduziert die Kosten.

Trennstrategie, Minimierung der Gleitvorgänge und Kosten

Die Kosten und Komplexität von Druckgussformen hängen primär von der Anzahl ihrer Trennebenen und Schieber ab. Da jeder Schieber den Aufwand an Kosten, Wartung und Zeit deutlich erhöht, ist die Minimierung dieser Anzahl ein zentrales Konstruktionsziel. Dies lässt sich durch die Neuausrichtung von Merkmalen auf die Haupttrennebene oder durch eine Überarbeitung der Konstruktion zur Beseitigung von Hinterschneidungen erreichen. Der beste Ansatz ist eine frühzeitige Zusammenarbeit und DFM-Analyse, Dadurch können Folien zusammengefasst, Lieferzeiten verkürzt, Kosten gesenkt und die Werkzeuglebensdauer erhöht werden.

Texturen und Logos

Das Entwerfen von Texturen und Logos erfordert spezifische Schritte, um Qualität und Haltbarkeit zu gewährleisten. Das Aufbringen von Texturen erfordert erhöhte Entformungswinkel für einen ordnungsgemäßen Auswurf, daher immer Bitte wenden Sie sich an Ihren Lieferanten, um die genauen Spezifikationen für das Hinzufügen von Logos zu erfahren.. Logos sollten nach Möglichkeit auf unkritischen, nicht funktionalen Flächen angebracht werden. Um Kratzer und Abnutzung am Werkzeug zu vermeiden, empfiehlt es sich, sie in die Oberfläche einzusenken, anstatt sie zu erhaben.

Werkzeugstahlwerkstoffe und Oberflächenbehandlungen

Gängige Werkzeugstähle (H13, H11, Maraging)

• H13Das Arbeitstier der Branche für Aluminiumdruckguss, Mit guter Warmfestigkeit, Beständigkeit gegen thermische Ermüdung und Zähigkeit. Eine ordnungsgemäße Wärmebehandlung und Anlassen sind unerlässlich.
• H11Bietet eine gute Zähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit, wird aber aufgrund seiner geringeren Warmfestigkeit seltener als H13 für größere Hohlräume und Kerne im Aluminium-Druckguss verwendet.
• Maraging-StähleNützlich für Einsätze, die eine hohe Festigkeit und ausgezeichnete Bearbeitbarkeit erfordern, oder für hybrid additiv gefertigte Einsätze; typischerweise kombiniert mit Oberflächenbearbeitung zur Vermeidung von Lötstellen.

Zu den weiteren gängigen Stahlsorten gehören P20 für Zink- und Magnesiumlegierungen sowie hochharte Stähle wie D2 für Auswerferstifte und andere stark verschleißende Bauteile.

Beschichtungen, Nitrieren und Oberflächentechnik

• NitrierenBildet eine harte, verschleißfeste Diffusionsschicht, die Erosion und Mikro-Löten widersteht. Es wird häufig bei H13/H11 eingesetzt.
• PVD/CVD-Beschichtungen (z. B. TiN, CrN, AlCrN): Verringern die Benetzung, verbessern die Schmierfähigkeit und begrenzen das Löten. Die Auswahl hängt von der Legierung und der Betriebstemperatur ab.
• Hartchrom-, Nickel-Bor- und spezielle AntilötbeschichtungenAnwendungsbereiche sind Angussbereiche, Zonen mit hoher Aufprallgeschwindigkeit und Kerne, die zum Anhaften neigen. Oberflächenvorbereitung und Grundstahlqualität sind entscheidend für den Erfolg.

Beständigkeit gegen thermische Ermüdung, Löten und Erosion

• Thermische Ermüdung Dies äußert sich in Form von Hitzerissen an der Werkzeugoberfläche, verursacht durch schnelle, zyklische Erwärmung und Abkühlung. Gegenmaßnahmen umfassen vor allem die Verwendung von Werkzeugstählen mit hoher Beständigkeit gegen thermische Ermüdung (wie H13) und die Entwicklung von ausgewogenen Kühlsystemen zur Bewältigung der extremen Temperaturzyklen. Das Vorwärmen des Werkzeugs vor der Produktion ist eine entscheidende Präventivmaßnahme zur Reduzierung des anfänglichen Temperaturschocks.
• Löten, Das unerwünschte Anhaften der geschmolzenen Legierung am Werkzeugstahl wird verstärkt, wenn die lokalen Stahltemperaturen in einen “klebrigen” Bereich sinken. Dem kann durch spezielle Beschichtungen, Trennmittel und die sorgfältige Kontrolle der Werkzeugwandtemperaturen entgegengewirkt werden, um diesen kritischen Bereich zu vermeiden.
• Erosion Typischerweise tritt dieses Phänomen in der Nähe von Einläufen oder Bereichen mit scharfen Strömungskurven auf, wo flüssiges Metall mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche trifft. Um dem entgegenzuwirken, sollten die Aufprallwinkel verringert, die Radien vergrößert und die Oberflächen in diesen kritischen Zonen lokal gehärtet werden, um eine höhere Beständigkeit zu erzielen.

Herstellung, Probenahme und Instandhaltung der Werkzeuge

Werkzeugbau-Workflow und Lieferzeiten

Ein typisches Programm zur Herstellung von Druckgusswerkzeugen umfasst normalerweise 8 Schritte:

Erster Artikel, Testläufe und Iterationen

Die erste Stichprobenprüfung dient der Überprüfung von Füllung, Porosität und Dimensionsstabilität. Es ist mit Iterationen hinsichtlich Angussgröße, Entlüftungstiefe, Spritzrezeptur und Schussparametern zu rechnen. Die Erstmusterprüfung gleicht die Messergebnisse mit den GD&T-Vorgaben der Zeichnung ab. Datenbasierte Schleifen, Thermografie, Kavitätsdruckmessungen und Vakuumwerte tragen zu einer schnelleren Konvergenz bei als bloßes Raten.

Vorbeugende Wartung, Sanierung und Reparatur

Die routinemäßige vorbeugende Wartung umfasst die Reinigung von Entlüftungsöffnungen, die Überholung von Absperrventilen, die Überprüfung des Auswurfverschleißes und das Nachziehen von Kühlmittelanschlüssen. Nachnitrieren und Punktschweißen verlängern die Lebensdauer. Halten Sie eine Strategie für Ersatzeinsätze für stark beanspruchte Kerne und Angussbereiche bereit. Erfassen Sie die Wartungszyklen und die Fehlerarten: Werkzeuge geben Aufschluss über ihren Verschleißzustand.

Häufige Mängel und Abhilfemaßnahmen

Porosität, Kaltverbindungen und Fehlläufe

• GasporositätVerbesserung der Entlüftung/Vakuumbildung, Reduzierung von Turbulenzen durch optimierte Angussgeometrie und Stabilisierung der Werkzeugtemperatur. Neuausrichtung von Sprüh- und Schmierstoffzufuhr zur Vermeidung von eingeschlossenen Dämpfen.
• Verringerung der Porosität: Lokale Abschnitte verdicken oder Zuläufe/Überläufe hinzufügen; Kühlung anpassen, um vorzeitiges Einfrieren an heißen Stellen zu vermeiden.
• Kaltes Schließen/Fehllaufen: Schmelz- und Werkzeugtemperaturen innerhalb der Spezifikation erhöhen, Angüsse vergrößern oder neu positionieren, um die Fließfront heiß und kontinuierlich zu halten.

Blitzen, Löten und Kleben

• Flash: Die Absperrflächen verbessern, die Matrizenverklemmung beheben und die Schließkraft überprüfen. Zu viel Sprühnebel kann außerdem zu hydraulischem Verkeilen führen.
• Löten: Die Stahloberflächentemperatur über den Haftbereich erhöhen, Antihaftbeschichtungen auftragen und die Schmierstoffzusammensetzung anpassen. Direkte Kollisionen durch Neuausrichtung der Angüsse reduzieren.
• Verklemmung: Entformungsschräge hinzufügen, Auswerferflächen polieren, Auswerferstifte neu verteilen oder bei hohen Vorsprüngen auf Auswerferhülsen umsteigen.

Verformung und Dimensionsdrift

• Verzug: Er entsteht durch ungleichmäßige Abkühlung und Eigenspannungen. Gleichen Sie die Kühlkreisläufe aus, verwenden Sie konturierte Kanäle bei asymmetrischen Bauteilen und optimieren Sie die Prozessparameter für eine allmähliche Erstarrung.
• Maßabweichungen: Diese können bei längeren Produktionsläufen auftreten und deuten auf eine thermische Ausdehnung des Werkzeugs hin. Bei hartnäckigen Abweichungen empfiehlt sich eine Kalibrierung nach dem Gießen oder eine gezielte Nachbearbeitung.

Abschluss

Die Werkzeugfertigung im Druckgussverfahren ist eine wichtige Investition, die durch präzise Konstruktion und strategische Zusammenarbeit Qualität und Effizienz sichert. Wählen Sie Ihre Partner sorgfältig aus. etablierter Formenherstellungsprozess und umfassende Erfahrung im DFM. Dieser Ansatz wandelt Herausforderungen in eine zuverlässige Produktion um und liefert so einen beständigen Mehrwert und einen Wettbewerbsvorteil.

Häufig gestellte Fragen

Wie wirkt sich die Bauteilkomplexität konkret auf höhere Werkzeugkosten aus? Geht es nur um die Größe?

Die Bauteilgröße beeinflusst zwar die Stahlkosten, doch die Werkzeugkosten umfassen weit mehr als nur den Materialverbrauch. Jede Hinterschneidung, die einen Schlitten erfordert, jeder komplexe Kern und jedes Merkmal mit engen Toleranzen erhöhen den Entwicklungsaufwand, die Präzisionsbearbeitung und den zukünftigen Wartungsaufwand. Ein einfacheres Bauteil mit einer sauberen Trennebene und geringer Produktionsmenge kann oft mit einem kostengünstigeren und zuverlässigeren Einkavitätenwerkzeug gefertigt werden. Ein Bauteil mit vielen Hinterschneidungen erfordert hingegen unabhängig von der Kavitation ein komplexes Mehrschlittenwerkzeug.

Welche Schlüsselindikatoren während einer Werkzeugprobenahme-/Testphase deuten auf zukünftige Produktionsprobleme hin?

Wir empfehlen Ihnen, auf Konsistenz zu achten. Wenn geringfügige Anpassungen der Maschinenparameter (wie Temperatur oder Einspritzgeschwindigkeit) zu starken Schwankungen in der Teilequalität oder zu Fehlern führen, ist die Werkzeugkonstruktion möglicherweise instabil. Weitere Warnsignale sind Schwierigkeiten beim gleichmäßigen Auswerfen der Teile, Anzeichen von Verklebungen bei den ersten Schüssen oder die Unfähigkeit, ein breites, stabiles Prozessfenster zu etablieren, in dem einwandfreie Teile produziert werden. Ein qualifiziertes Werkzeug sollte fehlertolerant und wiederholgenau sein.

Wann ist es kostengünstiger, ein “einfacheres” Werkzeug zu konstruieren und die komplexen Merkmale durch Nachbearbeitung zu bearbeiten?

Dieses Verfahren ist oft sinnvoll für Merkmale, deren Gießen extrem schwierig oder kostspielig ist, wie beispielsweise sehr tiefe Bohrungen mit kleinem Durchmesser, Gewinde mit makellosem Grund oder extrem scharfe Innenkanten. Durch das Gießen eines massiven Blocks und das anschließende Bohren/Gewindeschneiden in einem zweiten Arbeitsgang lassen sich die Kosten und potenziellen Schwachstellen empfindlicher Kernstifte in der Form vermeiden. Es handelt sich um einen Kompromiss zwischen den Bearbeitungskosten pro Teil und der Komplexität bzw. dem Risiko der Werkzeugherstellung.