Vakuum-Druckguss – Verfahren, Vorteile und Anwendung erklärt

Wenn die Fertigungsindustrie geringere Risiken wie Leckagen, Verzug oder Risse im Druckgussverfahren fordert, reicht der herkömmliche Hochdruck-Druckguss manchmal nicht aus. Daher haben Fachleute aus der Industrie die Idee weiterentwickelt und … Vakuum-Druckguss als Lösung für hochwertige Bauteile. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Definition, die Funktionsweise und die Anwendungsszenarien dieser bedeutenden Weiterentwicklung der Druckgusstechnologie.

Was ist Vakuum-Druckguss?

Vakuum-Druckguss ist eine Variante von Druckguss dabei aktiv Luft und Gas aus dem Formhohlraum entfernt, um unmittelbar vor und während der Schmelzmetalleinspritzung ein Vakuum zu erzeugen.. Durch die Reduzierung des Gasgehalts im Formhohlraum werden Gaseinschlüsse minimiert, die Porosität verringert, die Dichte verbessert und die Konsistenz der mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum konventionellen Hochdruck-Druckguss (HPDC) erhöht. Dieses Verfahren ist unerlässlich, wenn das Gussteil schweißbar, wärmebehandelbar (T5/T6) oder dicht sein muss.

Das Verfahren basiert im Wesentlichen auf einer abgedichteten Form, einem Vakuumpumpensystem und präzise ausgelegter Entlüftung und Angussführung. Bevor das Metall in den Formhohlraum gelangt, muss ein Zielvakuum erreicht werden, oft unter 100 mbar und für kritische Arbeiten häufig deutlich niedriger. Das Ergebnis ist eine sauberere, dichtere Füllung mit weniger durch Turbulenzen verursachten Lufteinschlüssen und weniger unerwarteten Problemen im weiteren Verlauf.

Vakuumunterstütztes Druckgießen vs. Hochvakuumsysteme

Vakuumunterstützte Systeme evakuieren die Form teilweise und verbessern so die Qualität vieler Teile, ohne die Kosten und Komplexität einer vollständigen Vakuumanlage. Sie sind oft ausreichend für Gussteile mit mittleren Anforderungen und erzielen eine messbare Reduzierung der Porosität und besseres Füllverhalten.

Hochvakuumsysteme zielen auf eine nahezu vollständige Evakuierung und einen möglichst geringen Restgasgehalt ab. Die Düsen sind dicht verschlossen, die Vakuumkanäle optimiert und die Pumpen so dimensioniert, dass ein schneller Vakuumabfall und ein stabiles Vakuum während des Befüllens gewährleistet sind.

Wie es sich vom herkömmlichen Hochdruck-Druckguss unterscheidet

• Porosität und Gaseinschluss: Das integrierte Vakuumsystem entfernt aktiv Luft aus dem Formhohlraum und reduziert so den Gaseinschluss und die innere Porosität, die bei herkömmlichen HPDC-Verfahren häufig auftritt, drastisch.
• Mechanische Eigenschaften: Diese Verringerung der Porosität führt zu besseren und gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften mit geringeren Schwankungen zwischen den einzelnen Chargen bei Zugfestigkeit, Dehnung und Ermüdungsverhalten.
• Nachbearbeitungsfunktion: Im Gegensatz zu porösen herkömmlichen Gussteilen sind Vakuum-Druckgussteile in der Regel dicht genug, um sicher geschweißt und wärmebehandelt zu werden, was ein breiteres Anwendungsspektrum ermöglicht.

Der praktische Unterschied zeigt sich in der Stabilität der Materialeigenschaften. Unter Vakuum sind Zugfestigkeit, Dehnung und Dauerfestigkeit tendenziell höher und weisen geringere Schwankungen von Charge zu Charge auf.

Wie funktioniert das Vakuum-Druckgießen?

Wichtigste Ausrüstung, Werkzeugmerkmale und Abdichtungsmethoden

• DruckgussmaschineEine Hochdruckmaschine mit schneller Schusssteuerung und präziser Anströmgeschwindigkeit.
• VakuumsystemVakuumpumpen, Steuerventile, Behälter/Akkumulatoren und Sensoren, die in der Lage sind, den Zielvakuumpegel schnell zu erreichen und ihn während des Füllvorgangs aufrechtzuerhalten.
• Versiegelte StanzformenRobuste Trennfugendichtungen, O-Ringe/Dichtungen um Auswerferstifte und -schieber sowie Vakuumblöcke, die den Evakuierungsstrom lenken.
• Entlüftung und AbsperrungDer Vakuumkanal ist so positioniert, dass die Luft aus den zuletzt zu befüllenden Bereichen abgesaugt wird. Die Schieber werden so dimensioniert und ausgerichtet, dass eine laminare Strömung gefördert und ein vorzeitiges Erstarren an dünnen Stellen vermieden wird.
• Instrumentierung: Druckaufnehmer (Kavitätsvakuum), Thermoelemente (Schmelze und Form) sowie Sensoren für die Position/Geschwindigkeit von Gießhülse und Kolben.

Werkzeugmacher verwenden häufig gehärtete Stahleinsätze für Vakuumanschlüsse, polierte Entlüftungsflächen und druckverträgliche Elastomere. Die regelmäßige Überprüfung von O-Ringen und Trennfugenverschleiß ist in die Wartungspläne integriert.

Schritt-für-Schritt-Prozess

1. SchussvorbereitungDie Schmelze wird auf eine bestimmte Zieltemperatur gebracht, und die Kugelmühle wird mit dem richtigen Metallvolumen befüllt.
2. Den Hohlraum evakuierenDer Vakuumkreislauf öffnet sich. Das System saugt den Formhohlraum und die angeschlossenen Kanäle auf den Sollwert ab. Bei anspruchsvollen Bauteilen gewährleistet eine Vorevakuierungsverzögerung die Druckstabilität.
3. Einspritzen/FüllenDer Schuss beginnt. Phase 1 schiebt das Metall zum Anguss, und Phase 2 beschleunigt auf hohe Angussgeschwindigkeit für eine schnelle Füllung, während das Vakuum aktiv bleibt und Restgase herauszieht, während die Front vorrückt.
4. Intensivierung/HaltenNachdem das geschmolzene Metall in die Form eingespritzt wurde, wird der Druck aufrechterhalten, um die Schrumpfung beim Erstarren des Metalls auszugleichen, und zwar weiterhin unter Vakuum, bis die Vorderseite die Entlüftung abdichtet.
5. Loslassen und verfestigenDie Vakuumventile schließen sich gegebenenfalls, dann ist der Gussvorgang nach der Erstarrung abgeschlossen.
6. Öffnen und auswerfenDie Matrize öffnet sich, Auswerferstifte werden betätigt und das Bauteil wird entnommen. Anschließend werden auch Grat und Angüsse abgetrennt.

Dieser Zeitplan ist streng aufeinander abgestimmt. Trifft Metall ein, bevor das Vakuum den Sollwert erreicht, steigt der Gaseinschluss rapide an. Ebenso kann ein verzögertes Schließen des Ventils flüssiges Metall in den Vakuumkreislauf ziehen.

Kritische Parameter des Vakuum-Druckgussverfahrens

• VakuumpegelFür eine signifikante Reduzierung der Porosität streben viele Hersteller einen Druck von unter 100 mbar an. Hochwertige Bauteile werden oft bis auf wenige zehn mbar heruntergepresst.
• TimingDas Vakuum muss den Sollwert erreichen, bevor das Metall auf das Gate trifft, und während des gesamten kritischen Füllfensters aufrechterhalten werden. Reaktionsverzögerungen von nur 50–100 ms können bei Dünnwand-Schüssen relevant sein.
• Torgeschwindigkeit und FüllzeitSchnelle und kontrollierte Füllung (oft 30–60 m/s am Anguss für Aluminium, abhängig von der Geometrie) begrenzt die Oberflächenoxidation und Kaltfließstellen und hält gleichzeitig die Turbulenzen in Schach.
• TemperaturenDie Schmelztemperatur muss hoch genug sein, um die Fließfähigkeit zu erhalten (z. B. bei Aluminiumlegierungen üblicherweise 660–720 °C, abhängig von der chemischen Zusammensetzung). Die Werkzeugtemperaturen müssen stabilisiert werden, um vorzeitiges Erstarren und Verkleben zu vermeiden. Konstanz ist wichtiger als Extreme.
• Schmier- und HülsenbedingungenEine angemessene Schmierung des Kolbens und eine präzise Temperaturkontrolle der Hülse verhindern die Gasbildung und stabilisieren die Befüllung der ersten Stufe.

Die Prozesssteuerung integriert diese in ein wiederholbares Zeitfenster. Viele Anlagen verwenden eine geschlossene Regelung der Schussabgabe, die die Geschwindigkeitsprofile in Echtzeit an die Rückkopplung des Kavitätsdrucks anpasst.

Vorteile und Einschränkungen

Hervorragende mechanische Eigenschaften: Geringere Porosität

Durch das Abführen von Gasen reduziert das Vakuum-Druckgießen sowohl die oberflächengebundene als auch die innere Porosität. Die gegossenen Teile weisen dann folgende Eigenschaften auf: höhere Dichte, verbesserte Dauerfestigkeit und geringere Streuung der Zugfestigkeit und Dehnung. Zum Beispiel, Aluminium-Druckgussteile Bei der Herstellung unter starkem Vakuum werden oft Dehnungen erzielt, die für die Wärmebehandlung T6 geeignet sind und mit herkömmlichen HPDC-Verfahren nicht durchgängig erreicht werden können.

Verbesserte Teilequalität: Saubere und dichte Oberfläche

A sauberere Einfüllfront und weniger turbulente Strömung Sie führen zu feineren Oberflächen und weniger kosmetischen Mängeln. Noch wichtiger ist, dass Gussteile eine höhere Oberflächengüte aufweisen. auslaufsichere Leistung Bei vielen Konstruktionen kann auf Imprägnierungen verzichtet werden. Da die Gasporosität minimiert wird, sind die Bauteile schweißbar (MIG/WIG) und reagieren vorhersehbar auf Lösungs- und Alterungszyklen, wodurch Blasenbildung oder Verformungen durch Gasausdehnung vermieden werden.

Grenzen des Vakuum-Druckgießens

Vakuum-Druckguss eignet sich vor allem für Aluminium und Magnesium, Da die hohen Temperaturen und die Reaktivität von Eisenlegierungen diese im Allgemeinen für das Verfahren ungeeignet machen.

Aus operativer Sicht bringt die Methode Folgendes mit sich: erheblicher Ausrüstungs- und Wartungsaufwand. Es erfordert sorgfältig abgedichtete Werkzeuge, zuverlässige Vakuumtechnik und einen strengen Wartungsplan, um dem Verschleiß von Bauteilen wie O-Ringen und Trennfugen sowie der Kohlenstoffablagerung an Ventilen entgegenzuwirken.

Bei Anwendungen mit hohem Volumen oder hohen Integritätsanforderungen ist diese Investition jedoch häufig durch höhere Ausbeute, weniger Nacharbeit und die Möglichkeit, Teile zu konsolidieren und eine anschließende Wärmebehandlung durchzuführen, gerechtfertigt.

Anwendungsbereiche des Vakuum-Druckgießens

Nachhaltigkeit und Zukunftstrends

Verbesserte Effizienz und geringere Emissionen

Vakuum-Druckgießen trägt zu einer nachhaltigen Produktion bei, da weniger fehlerhafte Teile entstehen. Weniger Ausschuss bedeutet, dass weniger Metall eingeschmolzen werden muss, was den Energieverbrauch und die damit verbundenen Emissionen deutlich reduziert. Dadurch sinkt auch der Verbrauch anderer Ressourcen, wie beispielsweise von Dichtungschemikalien. Da die meisten Gießereien ihren Metallschrott bereits intern recyceln, macht eine höhere Ausbeute diesen Recyclingkreislauf wesentlich effizienter.

Fortschrittliche Technologie und Automatisierung

Durch den Einsatz von Technologie wird der Prozess immer präziser. Simulationssoftwaremodelle Das Gieß- und Vakuumsystem dient der Perfektionierung des Designs vor Produktionsbeginn. Während des Gießvorgangs nutzen digitale Zwillinge und Regelungstechnik Echtzeit-Sensordaten, um sicherzustellen, dass jeder Guss den Idealvorgaben entspricht. Unterstützt wird dies durch verbesserte Vakuumtechnik, Speziallegierungen und verstärkten Einsatz von Robotik. So entsteht ein hochautomatisierter und zuverlässiger Prozess, der strenge Industriestandards erfüllt.

Abschluss

Obwohl das Konzept des Vakuum-Druckgießens bis in die 1970er Jahre oder sogar noch weiter zurückreicht, ist es im Vergleich zum traditionellen Druckgießen immer noch ein relativ neues und sich entwickelndes Gebiet. Es stellt jedoch den praktischsten Fortschritt dar, wenn Porosität, Schweißbarkeit oder das Verhalten bei der Wärmebehandlung unbedingt vermieden werden müssen.

Durch den Einsatz von Vakuum-Druckguss amortisiert sich die anfängliche Investition in Werkzeuge, Anlagen und Schulungen durch höhere Ausbeuten. Hersteller gewinnen mehr Sicherheit bei der Bewältigung anspruchsvoller Anforderungen an die Maßgenauigkeit und komplexer Konstruktionen.

Häufig gestellte Fragen

Gibt es bestimmte Legierungen, die besonders vom Vakuum-Druckguss profitieren?

Wie bereits erwähnt, können bei diesem Gießverfahren Aluminium und Magnesium verwendet werden. Es ist aber tatsächlich besonders bahnbrechend für Aluminiumlegierungen. Diese Legierungen neigen zu Gaseinschlüssen und Wasserstoffporosität, was ihre Wärmebehandlung stark einschränkt. Vakuum-Druckguss ist daher am vorteilhaftesten für hochfeste Aluminiumlegierungen (wie z. B. Aluminiumlegierungen). A356 oder 360), die für die Wärmebehandlung T5 oder T6 vorgesehen sind, da dadurch das Gas entfernt wird, das Blasenbildung und Schwäche verursachen würde.

Wie verhalten sich die Kosten des Vakuum-Druckgusses im Vergleich zu anderen Gießverfahren mit geringer Porosität, wie z. B. dem Pressguss oder dem Halbfestmetallguss (SSM)?

Vakuum-Druckguss wird häufig als kostengünstigere Lösung für die Serienfertigung im Vergleich zu Squeeze- oder SSM-Gussverfahren gewählt. Obwohl alle Verfahren die Porosität reduzieren, erfordert Squeeze-Guss spezielle (und oft langsamere) Maschinen, und SSM-Guss erfordert komplexe Ausgangsmaterialien. Vakuum-Druckguss nutzt Standard-Hochdruck-Druckgussmaschinen mit einem Zusatzsystem und ist daher ideal für die Herstellung von Millionen von Teilen mit hoher Integrität in kurzer Zykluszeit.

Gibt es bestimmte komplexe Formen, die sich nicht für den Vakuum-Druckguss eignen?

Ja, das Verfahren hat seine Grenzen. Bauteile mit extrem tiefen und schmalen Hohlräumen können problematisch sein, da das Vakuum die in diesen Bereichen eingeschlossene Luft möglicherweise nicht effektiv abführt, bevor das Metall sie abdichtet. Ebenso können Bauteile mit internen Kernen, die komplexe, segmentierte Hohlräume bilden, die Platzierung effektiver Vakuumentlüftungen erschweren und unter Umständen isolierte Gaseinschlüsse hinterlassen.