Was ist Druckguss?
Druckguss ist ein Fertigungsverfahren zur Herstellung von Metallteilen, bei dem geschmolzenes Metall unter hohem Druck in eine Stahlform gespritzt wird. Dieses Verfahren wird häufig zur Herstellung komplexer und präziser Komponenten mit hervorragender Oberflächenbeschaffenheit und Maßgenauigkeit eingesetzt.
Druckguss ist im Wesentlichen gleichbedeutend mit traditioneller Druckguss, da es sich dabei um die in der Branche verwendete Standard-Hochdruckmethode handelt. Die Hauptunterschiede liegen in den spezifischen Techniken und Variationen, die verwendet werden, um verschiedenen Materialien und Produktionsanforderungen gerecht zu werden.
Im vorherigen Artikel haben wir einen kurzen Überblick über Druckguss gegeben. In diesem Artikel werden wir den Prozess genauer untersuchen und Ihr Verständnis für seine Feinheiten und Anwendungen verbessern.
Was ist der HPDC-Prozess
Der HPDC-Prozess beginnt mit einer sorgfältigen Matrizenvorbereitung, bei der die Form gereinigt, auf Defekte untersucht und mit einem Schmiermittel beschichtet wird, um die Temperatur zu regulieren und die Entnahme des Gussstücks zu erleichtern.
Anschließend wird die Matrize vorgewärmt, um einen ordnungsgemäßen Metallfluss und eine ordnungsgemäße Verfestigung sicherzustellen. Während der Einspritzphase wird geschmolzenes Metall in eine mit der Matrizenhöhle verbundene Schusshülse gegossen und unter hohem Druck (normalerweise zwischen 10 und 175 MPa) in die Form gepresst.
Diese Hochdruckeinspritzung stellt sicher, dass das Metall die Form füllt, selbst bei komplexen Formen oder dünnwandigen Abschnitten. Da das Metall beim Kontakt mit den kühlen Oberflächen der Form schnell erstarrt, wird der Druck aufrechterhalten, um die Porosität zu minimieren und Maßgenauigkeit sicherzustellen.
Nach dem Erstarren werden die Formhälften getrennt und das Gussstück mithilfe von Auswerferstiften ausgeworfen. Anschließend wird das Teil beschnitten, um überschüssiges Material wie Angüsse, Läufer und Grate zu entfernen. Im letzten Ausformungsschritt wird verbleibender Metallschrott vom Gussstück getrennt, häufig mithilfe einer speziellen Beschnittform in einer Presse. Dieser Schrott wird normalerweise durch erneutes Einschmelzen recycelt.
Welche Arten von Druckguss gibt es?
Hochdruckguss (HPDC) kann in verschiedene Typen eingeteilt werden, basierend auf der Methode, mit der geschmolzenes Metall in die Form eingespritzt wird. Die zwei Haupttypen von HPDC sind Warmkammer-Druckguss Und Kaltkammer-Druckguss.
Warmkammer-Druckguss
Beim Warmkammer-Druckguss wird das Metall in einem Ofen geschmolzen, der Teil der Gießmaschine ist. Das geschmolzene Metall wird dann mithilfe eines Kolbens und eines Schwanenhalsmechanismus in die Formhöhle eingespritzt. Diese Methode ist für Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt effizient.
Es wird typischerweise für Legierungen mit niedrigeren Schmelztemperaturen wie Zink, Magnesium und Blei verwendet.
Der Vorgang ist schneller, weil das Metall nicht aus einem externen Ofen übertragen werden muss, wodurch die Gießzykluszeiten verkürzt werden.
Für Metalle mit hohem Schmelzpunkt ist es allerdings nicht geeignet, da diese zu Schäden an Maschinenbauteilen wie Schwanenhals und Düse führen können.
Kaltkammer-Druckguss
Beim Kaltkammer-Druckguss wird das Metall in einem separaten Ofen geschmolzen und dann in die Gießmaschine geschöpft. Das geschmolzene Metall wird mithilfe eines Kolbens in die Formhöhle eingespritzt.
Dieses Verfahren eignet sich ideal für Metalle mit höheren Schmelzpunkten, wie etwa Aluminium, Messing und einige Magnesiumlegierungen.
Es kann Metalle mit hohem Schmelzpunkt verarbeiten, die nicht für Heißkammerprozesse geeignet sind.
Der zusätzliche Schritt der Übertragung des geschmolzenen Metalls vom Ofen zur Maschine kann den Prozess im Vergleich zum Warmkammer-Druckguss verlangsamen.
Was sind die Vorteile des Druckgusses?
Die Vorteile des Druckgussverfahrens (HPDC) liegen in der Fähigkeit, hochwertige und komplexe Metallkomponenten effizient herzustellen.
Hohe Produktionsraten
- Geschwindigkeit des Prozesses: HPDC nutzt hohen Druck, um geschmolzenes Metall in die Form zu spritzen, was eine schnelle Füllung und Verfestigung ermöglicht. Diese Geschwindigkeit ist für die Massenproduktion entscheidend, da sie es Herstellern ermöglicht, große Mengen an Teilen in kurzer Zeit herzustellen.
Maßgenauigkeit und Präzision
- Kontrollierter Prozess: Der hohe Druck sorgt dafür, dass das geschmolzene Metall jeden Spalt der Form ausfüllt, wodurch Teile mit gleichbleibenden Abmessungen und hoher Präzision entstehen. Dadurch wird der Bedarf an zusätzlicher Bearbeitung oder Endbearbeitung verringert, was Zeit und Kosten spart.
Komplexe Formen und dünne Wände
- Hochdruckinjektion: Die Möglichkeit, Metall unter hohem Druck einzuspritzen, ermöglicht die Herstellung komplexer Formen und filigraner Details, die mit anderen Gussverfahren nur schwer zu erreichen wären. Darüber hinaus ermöglicht es die Herstellung dünnwandiger Komponenten, die bis zu 1 mm dick sein können, was zur Gewichtsreduzierung der Endprodukte beiträgt.
Glatte Oberflächenbeschaffenheit
- Qualität von Form und Prozess: Das Verfahren erzeugt Komponenten mit glatter Oberfläche direkt aus der Form, was ideal für Anwendungen ist, bei denen es auf ästhetische Anmutung ankommt oder bei denen zusätzliche Oberflächenbehandlungen wie Galvanisierung erforderlich sind. Dadurch wird der Bedarf an sekundären Veredelungsvorgängen minimiert.
Materialeffizienz und Abfallreduzierung
- Minimaler Materialverlust: HPDC ist ein Near-Net-Shape-Prozess, d. h. es werden Teile in der Nähe ihrer endgültigen Abmessungen hergestellt. Dadurch wird der Materialabfall im Vergleich zu herkömmlichen Bearbeitungsmethoden, bei denen überschüssiges Material weggeschnitten wird, minimiert.
Vielseitigkeit bei Nichteisenmetallen
- Materialflexibilität: HPDC ist mit einer Vielzahl von Nichteisenmetallen kompatibel, darunter Aluminium, Zink und Magnesium. Diese Vielseitigkeit ermöglicht es Herstellern, Materialien basierend auf spezifischen Anwendungsanforderungen wie Gewicht, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auszuwählen.
Langlebige Matrizen
- Lange Lebensdauer: Die bei HPDC verwendeten Matrizen bestehen aus langlebigen Materialien und halten den hohen Drücken und Temperaturen stand, die im Prozess auftreten. Dank dieser Langlebigkeit können die Matrizen für mehrere Produktionszyklen wiederverwendet werden, was die Kosten pro Einheit im Laufe der Zeit senkt.
Was sind die Nachteile des Druckgusses?
Druckguss hat mehrere Nachteile, die seine Eignung für bestimmte Anwendungen beeinträchtigen können. Hier sind die wichtigsten Nachteile:
Hohe anfängliche Werkzeugkosten: Die Einrichtungs- und Werkzeugkosten für HPDC sind aufgrund der Notwendigkeit komplexer und präziser Formen erheblich. Dies macht es vor allem bei Großserien wirtschaftlich, da die Anfangsinvestition auf eine große Anzahl von Teilen verteilt wird.
Porositätsprobleme: Die schnelle Abkühlung und die Hochdruckeinspritzung können zu Porosität in den Gussteilen führen. Porosität, also das Vorhandensein von winzigen Lufteinschlüssen oder Hohlräumen, kann die mechanischen Eigenschaften und die strukturelle Integrität der Komponenten beeinträchtigen. Dieses Problem erfordert eine sorgfältige Prozesskontrolle, um Defekte zu minimieren.
Wesentliche Einschränkungen: HPDC ist im Allgemeinen auf Nichteisenmetalle wie Aluminium, Zink und Magnesium beschränkt. Für Eisenmetalle ist das Verfahren aufgrund ihrer höheren Schmelzpunkte und des dadurch verursachten Verschleißes der Formen nicht gut geeignet.
Entwurfseinschränkungen: Das Verfahren bringt bestimmte Designbeschränkungen mit sich, insbesondere in Bezug auf Entformungsschrägen, Wandstärke und Trennlinien. Diese Einschränkungen können zusätzliche Designiterationen erforderlich machen und die Komplexität der herstellbaren Teile einschränken.
Nicht für die Produktion kleiner Stückzahlen geeignet: Aufgrund der hohen Kosten für Werkzeuge und Einrichtung ist HPDC für die Produktion kleiner Stückzahlen nicht rentabel. Das Verfahren eignet sich am besten für die Fertigung großer Stückzahlen, bei denen die Kosten über eine große Anzahl von Einheiten amortisiert werden können.
Umweltaspekte: Der Einsatz von Hochdruckmaschinen und Schmelzöfen in HPDC verbraucht viel Energie und kann Emissionen erzeugen. Um die Umweltbelastung zu verringern, sind nachhaltige Verfahren wie das Recycling von Altmetall und die Optimierung des Energieverbrauchs unerlässlich.
Überlegungen zum Formdesign bei HPDC
Beim Entwurf von Formen für den Druckguss müssen drei wichtige Aspekte berücksichtigt werden: die Gestaltung von Hohlraum und Kern, die Effizienz der Kühl- und Einspritzsysteme und die Auswahl geeigneter Formmaterialien.
Hohlraum und Kern
Hohlraum und Kern sind die beiden Hauptteile einer Druckgussform. Der Hohlraum ist der hohle Teil, in den das geschmolzene Metall gegossen wird, während der Kern die innere Geometrie des Gussteils bildet. Es ist wichtig sicherzustellen, dass Hohlraum und Kern so konstruiert sind, dass sie hohen Drücken standhalten, ohne sich zu verformen.
Für die Herstellung präziser und komplexer Teile ist es wichtig, eine ausgewogene Hohlform und einen ausgewogenen Kern zu entwerfen. Sie müssen Faktoren wie Wandstärke, Trennlinien und Entformungsschrägen berücksichtigen, um das Entfernen des fertigen Gussstücks zu erleichtern.
Kühlsysteme
Eine ordnungsgemäße Kühlung ist für die Effizienz und Qualität des Druckgussverfahrens von entscheidender Bedeutung. Kühlsysteme tragen dazu bei, dass das geschmolzene Metall schnell erstarren kann, wodurch die Zykluszeiten verkürzt und die Produktivität verbessert werden.
Zur Temperaturregelung sind oft Kühlkanäle in die Form integriert. Effiziente Kühlsysteme tragen dazu bei, thermische Belastungen zu reduzieren und Defekte im Endprodukt zu vermeiden. Eine regelmäßige Wartung der Kühlkanäle ist entscheidend, um Verstopfungen zu vermeiden, die die Kühlleistung beeinträchtigen könnten.
Formmaterialien
Die Wahl der richtigen Materialien für die Form ist entscheidend für ihre Langlebigkeit und Leistung. Die Form muss hohem Druck, hohen Temperaturen und kontinuierlichen Zyklen ohne nennenswerten Verschleiß standhalten können.
Normalerweise werden Formen aus hochwertigen, hitzebeständigen Stahlsorten hergestellt. Die Wahl des Formmaterials wirkt sich auf die Gesamtkosten, die Haltbarkeit und die Qualität des Gussstücks aus. Durch die Investition in hochwertige Materialien können Ausfallzeiten und Wartungskosten im Laufe der Zeit reduziert werden.
Welche Anwendungen gibt es für Druckguss?
Automobilindustrie: HPDC wird aufgrund seiner hohen Präzision und Zuverlässigkeit häufig zur Herstellung von Motorkomponenten, Getriebegehäusen und anderen wichtigen Teilen verwendet.
Luft- und Raumfahrt: Mit diesem Verfahren können leichte und langlebige Teile für Flugzeuge hergestellt werden, darunter Strukturkomponenten und Gehäuse.
Elektronik: Kühlkörper, Gehäuse und andere elektronische Teile profitieren von der hohen Präzision und der hervorragenden Oberflächengüte von HPDC.
Konsumgüter: Gegenstände wie Gehäuse von Elektrowerkzeugen und Teile von Küchengeräten werden ebenfalls im Druckgussverfahren hergestellt, um detaillierte und robuste Designs zu erreichen.
Welche innovativen Gussverfahren gibt es außer HPDC?
Zusätzlich zu den traditionellen Hochdruckgussverfahren sind mehrere innovative Metallgusstechniken entstanden, um den Prozess zu verbessern und bestimmte Herausforderungen zu bewältigen. Zu diesen Fortschritten gehören vakuumunterstützter Druckguss, Squeeze-Casting und die Verarbeitung halbfester Metalle.
Vakuumunterstützter Druckguss Dabei wird vor dem Einspritzen des geschmolzenen Metalls ein Vakuum in der Formhöhle erzeugt. Diese Methode reduziert die Gaseinschlüsse und führt zu verbesserten mechanischen Eigenschaften und Oberflächenqualität. Sie ist besonders vorteilhaft für die Herstellung dünnwandiger Komponenten und wird häufig in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt.
Squeeze-Casting – Druckgussverfahren ist eine weitere fortschrittliche Methode, bei der das geschmolzene Metall unter hohem Druck in die Form eingespritzt wird und während der Erstarrung zusätzlicher Druck ausgeübt wird. Diese Technik minimiert die Porosität und verbessert die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts, wodurch es für Strukturkomponenten geeignet wird.
Halbfeste Metallverarbeitung (SSM) beinhaltet das teilweise Erstarren des Metalls vor dem Einspritzen, wodurch eine schlammartige Konsistenz entsteht. Diese Methode bietet eine bessere Kontrolle über den Metallfluss, reduziert Defekte und verbessert die mechanischen Eigenschaften des Gussstücks. SSM ist besonders nützlich für komplexe Geometrien und hochfeste Anwendungen.
Wie erkenne ich, ob Druckguss für mein Projekt geeignet ist?
Häufig gestellte Fragen
Welche Metalle werden häufig bei HPDC verwendet?
Zu den am häufigsten in HPDC verwendeten Metallen gehören:
- Aluminiumlegierungen: Diese gehören aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaftskombination zu den am häufigsten im HPDC verwendeten Metallen.
- Magnesiumlegierungen: Werden aufgrund ihres geringen Gewichts zunehmend beliebter, insbesondere im Automobilbereich.
- Zinklegierungen: Werden oft aufgrund ihrer guten Gießbarkeit und ihres niedrigen Schmelzpunkts verwendet.
- Kupferlegierungen: Diese werden in einigen Anwendungen verwendet, sind jedoch weniger verbreitet als Aluminium oder Zink.
Zu den spezifischen Legierungen und ihren Anwendungen gehören:
- A380 (Aluminiumlegierung): Weit verbreitet, z. B. für Motorblöcke, Autoteile und Gehäuse.
- 383 (Aluminiumlegierung): Geeignet für dünnwandige Teile und komplizierte Designs.
- B390 (Aluminiumlegierung): Wird für Zahnräder, Kolben und Motorkomponenten verwendet.
- A413 und 413 (Aluminiumlegierungen): Werden in der Automobil- und Luftfahrtindustrie verwendet.
- AZ91D und AM60B (Magnesiumlegierungen): Häufig in Automobilanwendungen verwendet, allerdings weisen sie für einige moderne Anwendungen wie Elektrofahrzeuge Einschränkungen hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit auf.
Wie unterscheidet sich das Hochdruckgießen vom Niederdruckgießen?
Beim Hochdruckguss wird geschmolzenes Metall mit größerer Kraft in die Formen gespritzt, was zu einer schnelleren Produktion und einer besseren Detailwiedergabe führt. Niederdruckverfahren basieren auf der Schwerkraft oder einer geringeren Kraft, was sie bei komplexen Teilen langsamer und weniger präzise macht.
Was ist der typische Druckbereich, der in Hochdruckgussmaschinen verwendet wird?
Der Druckbereich beim Hochdruckguss liegt normalerweise zwischen 1000 und 25.000 PSI (Pfund pro Quadratzoll). Der genaue Druck hängt von der Metallart und der Komplexität des herzustellenden Teils ab.