Druckguss verstehen

Von Motorblöcken bis zu Türgriffen ist der Druckguss eine schnelle, genaue und wiederholbare Metallproduktionstechnik, die sich für große oder kleine Teile eignet. Druckgussteile haben eine hervorragende Oberflächengüte und das Verfahren ist mit einer Reihe von Nichteisenmetallen kompatibel.

Aufgrund der hohen Anlaufkosten im Zusammenhang mit dem Druckguss wird das Verfahren typischerweise für die Massenproduktion verwendet, bei der der Fertigungsumfang die hohen Maschinen- und Werkzeugkosten ausgleicht. Druckguss-Prototypen und Kleinserien sind schwieriger zu bekommen, da es im wirtschaftlichen Interesse der Druckgussunternehmen liegt, mit Kunden zusammenzuarbeiten, die Großaufträge erteilen. 3ERP bietet jedoch derzeit eine einzigartige Druckgusslösung für Kunden, die kleinere Druckgussaufträge erteilen möchten.

Dieser Artikel befasst sich eingehend mit dem Metalldruckguss und erläutert die geeigneten Materialien, Oberflächenveredelungen und Anwendungen für das Verfahren.

Was ist Druckguss?

Druckguss ist eine Art Metallguss, bei dem geschmolzenes Metall mit hohem Druck in einen von zwei Formen gebildeten Formhohlraum gedrückt wird. Es teilt Eigenschaften mit dem Kunststoffherstellungsprozess des Spritzgießens.

Innerhalb der größeren Metallgusslandschaft ist der Druckguss aufgrund seiner Genauigkeit, hohen Qualität und Detailtreue eine der beliebtesten Techniken. Die breitere Kategorie des Metallgusses, die seit Tausenden von Jahren existiert, umfasst viele verschiedene Prozesse, die eine Form verwenden, um flüssiges Metall zu formen. Früher wurde bei einem solchen Prozess das flüssige Metall meist mit Hilfe der Schwerkraft in die Form gegossen – und viele Metallgussverfahren funktionieren immer noch so. Druckguss ist jedoch eine relativ neue Form des Metallgusses, die im 19. Jahrhundert eingeführt wurde und zum Füllen des Formhohlraums Druck anstelle der Schwerkraft verwendet.

Druckguss wird manchmal als Hochdruckguss bezeichnet, da der Druck – typischerweise 10–140 Megapascal – verwendet wird, um das Metall in den Formhohlraum zu drücken. Weniger verbreitet ist das verwandte Verfahren des Niederdruckgusses (LPDC). Druckguss fällt typischerweise in eine von zwei Kategorien:Warmkammer-Druckguss und Kaltkammer-Druckguss, die für verschiedene Metallarten geeignet sind. Es gibt jedoch auch andere Nischenformen des Druckgusses, wie z. B. Semi-Solid Metal Casting (SSM).

So funktioniert Druckguss

Einfach ausgedrückt funktioniert der Metalldruckguss, indem geschmolzenes Metall mit hohem Druck in einen Formhohlraum gepresst wird, der von zwei gehärteten Stahlformen gebildet wird. Sobald der Hohlraum gefüllt ist, kühlt das geschmolzene Metall ab und verfestigt sich, und die Matrizen öffnen sich, damit die Teile entfernt werden können. In der Praxis umfasst der Prozess jedoch viele Schritte, und für die Bedienung von Druckgussanlagen sind erfahrene Ingenieure erforderlich.

Hier unterteilen wir den Druckgussprozess in drei Phasen:

1. Formenbau
2. Casting
3. Nachbearbeitung

Wie man eine Druckgussform herstellt

Eine Druckgussform besteht aus mindestens zwei Hälften:der Deckelseite (auf einer festen Platte montiert) und der Auswerferseite (auf einer beweglichen Platte). Einige Matrizen haben auch andere Abschnitte wie Schieber und Kerne, die verwendet werden, um komplexere Teile herzustellen, z. B. solche mit Löchern und Gewinden.

Abhängig von der Größe der hergestellten Teile kann eine Druckgussform mehrere Kavitäten aufweisen, um die Produktion mehrerer Teile pro Zyklus zu ermöglichen. Solche Formen haben entweder mehrere identische Kavitäten (Multikavitätenwerkzeug) oder eine Mischung verschiedener Kavitäten, um unterschiedliche Teile herzustellen (Einheitswerkzeug).

Werkzeuge für den Druckguss müssen neben einer guten Verschleißfestigkeit und Duktilität unglaublich stark und thermisch beständig sein. Sie werden daher aus gehärteten Hochleistungswerkzeugstählen – oft wärmebehandelt – hergestellt, die es ihnen ermöglichen, Hunderte von Gießzyklen pro Stunde und bis zu zwei Millionen Zyklen über ihre gesamte Lebensdauer zu durchlaufen. Druckgusswerkzeuge müssen ihre Leistung unter sehr hohen Schließkräften aufrechterhalten.

Die Herstellung einer Druckgussform beginnt mit computergestütztem Design (CAD), das in Verbindung mit gussspezifischen Konstruktions- und Simulationswerkzeugen verwendet wird. Wie bei Spritzgussformen müssen Werkzeuge für den Druckguss über Angusslöcher, Angusskanäle und Anschnitte verfügen, damit das geschmolzene Material in die Kavität gelangen kann. Verriegelungsstifte und Auswerferstifte müssen ebenfalls eingebaut werden, um die Form zu sichern und das Auswerfen zu erleichtern. Das digitale Design der Form ermöglicht die Erstellung komplexer Formen und enger Toleranzen.

Die CNC-Bearbeitung wird häufig zur Herstellung von Druckgusswerkzeugen eingesetzt. Typischerweise beginnt der Druckgussformenbau mit der Grobbearbeitung der Formform, gefolgt von einer Wärmebehandlung der Metallform und schließlich einer Runde der Endbearbeitung. Matrizen in Prototypenqualität können auch mit Rapid Tooling hergestellt werden, entweder mit CNC-Bearbeitung oder anderen Verfahren wie selektivem Lasersintern (SLS).

Wie man Metallteile gießt

Ähnlich wie beim Spritzgießen können nach dem Formenbau die Druckgussteile in der Druckgussmaschine hergestellt werden. Der Druckgussprozess umfasst vier Hauptphasen:Vorbereitung, Füllung, Auswurf und Ausschütteln.

Der Gießprozess variiert jedoch geringfügig, je nachdem, ob eine Heißkammer oder eine Kaltkammer verwendet wird. Diese beiden Varianten des Druckgussverfahrens bieten unterschiedliche Vorteile:Die eine eignet sich für den Hochgeschwindigkeitsguss, die andere für eine größere Vielfalt an Gussmaterialien.

Warmkammer-Druckguss

Während Warmkammer-Druckguss , das Metall Druckgussmaschine enthält die notwendige Ausrüstung zum Erhitzen des Metalls in einen geschmolzenen Zustand. Da es sich um ein eigenständiges System handelt, ist es viel schneller als die Alternative und bietet kurze Zykluszeiten , obwohl es nur für eine Auswahl von geeignet ist Gießmaterialien , einschließlich Zink, Zinn und Blei Legierungen .

Kaltkammer-Druckguss

Die Kaltkammer-Druckgussverfahren erfordert die Verwendung eines separaten Ofens, um das Metall zu erhitzen. Dies verlangsamt natürlich Produktionsraten , als geschmolzenes Metall muss zum gebracht werden Druckgussmaschine mit einer Kelle. Allerdings, weil ein separater Ofen leistungsstärker ist als ein Warmkammer-Druckgießmaschine , Metalle mit hohen Schmelzpunkten können gegossen werden. Dieses Verfahren ist für den Aluminiumguss geeignet.

Unabhängig davon, ob Warmkammer- oder Kaltkammermaschine zum Einsatz kommt, läuft der Metalldruckgussprozess typischerweise wie folgt ab:

1. Formvorbereitung
2. Füllung
3. Auswurf
4. Bereinigung

Während der Formvorbereitung werden die Innenflächen der beiden Formhälften mit einem Schmiermittel beschichtet, um das Auswerfen zu erleichtern, sobald die Gussteile fertig sind. Anschließend können die Werkzeughälften geschlossen und mit Sicherungsstiften gesichert werden.

Das Füllen der Form erfolgt über ein Drucksystem. Dieses System unterscheidet zwischen Warmkammer- und Kaltkammersystemen. Bei beiden ist das Endergebnis geschmolzenes Metall, das von einem Kolben über den Anguss in den Formhohlraum gedrückt wird. Hohe Drücke – bis zu 35 Megapascal in einer Heißkammer und 140 Megapascal in einer Kaltkammer – sorgen für eine schnelle und umfassende Füllung, was wiederum zu einer gleichmäßigen Kühlung führt, die ein ungleichmäßiges Schrumpfen und eine daraus resultierende Verformung des Teils verhindert. Der Druck wird während des Abkühlens gehalten.

Die beiden Werkzeughälften werden geöffnet und mit den Auswerferstiften die Gussteile entnommen. Typischerweise werden die Matrizen dann sofort wieder geschlossen, bereit für den nächsten Schuss. In der Zwischenzeit sind die fertigen Gussteile bereit für das Ausschütteln, bei dem Schrotteile wie Angüsse, Angusskanäle und Grate (Aussickern von Material an der Trennlinie) entfernt werden. Diese Materialentfernung kann mit manuellen Werkzeugen, Trommeln oder mit einem hydraulischen Trimmwerkzeug erreicht werden.

Nachbearbeitung

Viele Metalldruckgussteile erfordern nur minimale Nachbearbeitungen. Dies ist auf die hohen Drücke zurückzuführen, die eine hohe Detailtreue und eine gute Oberflächengüte ermöglichen. Allerdings erfordern viele Endform- und nahezu Endform-Gussteile auch eine Präzisionsbearbeitung für Löcher, Gewinde und andere Merkmale. Einige Gussmetalle lassen sich leichter bearbeiten als andere:Magnesium-Druckguss und Aluminium-Druckguss beispielsweise eignen sich hervorragend für die Nachbearbeitung.

Ein weiterer Vorteil der Nachbearbeitung von Druckgussteilen ist die Möglichkeit, die Inspektionsfunktionen der CNC-Maschine auf der Maschine zu nutzen, sodass der Maschinist die Teile validieren kann.

Druckgussanwendungen

Druckguss ist ein leistungsstarkes, vielseitiges Verfahren, das für eine Reihe von Teilen geeignet ist, von Motorkomponenten bis hin zu Elektronikgehäusen. Gründe für die Vielseitigkeit des Druckgusses sind seine große Baufläche, eine Reihe von Materialoptionen und die Fähigkeit, detaillierte, wiederholbare, dünnwandige Teile herzustellen.

• Automobil :Aluminium-Druckguss ist in der Automobilindustrie beliebt, da damit leichte Komponenten wie Hydraulikzylinder, Motorhalterungen und Getriebegehäuse hergestellt werden können. Zinkdruckguss eignet sich für Kraftstoff-, Brems- und Servolenkungskomponenten, während Magnesiumdruckguss für Verkleidungen und Sitzrahmen geeignet ist.
• Luft- und Raumfahrt :Wie in der Automobilindustrie verwenden Luft- und Raumfahrtzulieferer Aluminiumdruckguss, um leichte Teile herzustellen, die eine hohe Hitze- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Leichte Teile reduzieren den Kraftstoffverbrauch.
• Energie :Druckgussteile im Öl- und Gassektor umfassen Ventile, Filterkomponenten und Laufräder. Teile für erneuerbare Energien wie Windturbinenblätter können ebenfalls druckgegossen werden.
• Elektronik :Druckguss ist in der Elektronik weit verbreitet, da er für Artikel wie Gehäuse, Gehäuse und Steckverbinder verwendet wird. Druckgussteile können auch mit eingebauten Kühlkörpern ausgeführt werden, die für viele Geräte notwendig sind. Magnesiumdruckguss ist beliebt für dünnwandige RFI-EMI-Abschirmkomponenten, während Aluminiumdruckguss für LED-Lichtkomponenten weit verbreitet ist. (Druckguss für LED-Gehäuse verwendet typischerweise eine Legierung wie A383.)
• Konstruktion :Die Bauindustrie verwendet Aluminiumdruckguss für große Strukturen wie Gebäuderahmen und Fensterrahmen.
• Ingenieurwesen :Hebezeuge, Werkzeugmaschinen und andere Geräte enthalten oft Druckgusskomponenten.
• Medizinisch :Im Gesundheitswesen kann Druckguss zur Überwachung von Gerätekomponenten, Ultraschallsystemen und anderen Gegenständen verwendet werden.

Druckgussmaterialien

Hersteller müssen bei der Auswahl von Druckgussmaterialien bestimmte Faktoren und Variablen berücksichtigen. Dazu gehören:

• Ob das Material für Warmkammer-Druckguss geeignet ist 
• Materialkosten 
• Indirekte Materialkosten (z. B. zusätzliche erforderliche Nachbearbeitung) 
• Strukturelle Materialeigenschaften 
• Stärke 
• Gewicht 
• Oberflächenbeschaffenheit 
• Bearbeitbarkeit 

All diese Faktoren sollten bei der Auswahl eines Druckgussmaterials für Teile oder Prototypen berücksichtigt werden.

Aluminium-Druckgusslegierungen

Aluminium ist eines der wichtigsten Druckgussmetalle, und Aluminiumlegierungen werden im Kaltkammer-Druckguss verwendet. Diese Legierungen enthalten typischerweise Silizium, Kupfer und Magnesium.

Aluminium-Druckgusslegierungen sind leicht und bieten eine gute Dimensionsstabilität, was sie zu einer guten Wahl für komplexe Teile mit feinen Merkmalen macht. Weitere Vorteile des Aluminiumgusses sind gute Korrosionsbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit sowie thermische und elektrische Leitfähigkeit.

Zu den gängigen Druckguss-Aluminiumlegierungen gehören:

• 380 :Eine Allzweck-Aluminiumlegierung, die Gießbarkeit mit guten mechanischen Eigenschaften in Einklang bringt. Es wird in einer Vielzahl von Produkten verwendet, darunter Motorhalterungen, Möbel, Elektronikgehäuse, Rahmen, Griffe, Getriebegehäuse und Elektrowerkzeuge.
• 390 :Eine Legierung mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit und Vibrationsfestigkeit. Es wurde speziell für den Druckguss von Automobil-Motorblöcken entwickelt und eignet sich auch für Ventilkörper, Laufräder und Pumpengehäuse.
• 413 :Eine Aluminiumlegierung mit hervorragenden Gießeigenschaften. It has good pressure tightness and is therefore used for products like hydraulic cylinders, as well as architectural parts and food and dairy industry equipment.
• 443 :The most ductile of die casting aluminum alloys, this alloy is suitable for consumer goods, especially those that require plastic deformation after casting.
• 518 :A ductile aluminum alloy with good corrosion resistance. It is used in a variety of products, including aircraft hardware fittings, ornamental hardware, and escalator components.

Magnesium die casting alloys

Magnesium is another very popular die casting material. It is even lighter than aluminum, with the added advantage of being highly machinable — making it suitable for cast parts that require additional machined details or machined surface finishing.

A major advantage of magnesium die casting alloys is their suitability for hot-chamber die casting, making them easier to use than die casting metals like aluminum. Other elements in magnesium alloys include aluminum, zinc, manganese, and silicon.

Common magnesium die casting alloys include:

• AZ91D :A general-purpose alloy with good castability, corrosion resistance, and strength-to-weight ratio. Applications include mechanical and power-train components.
• AM60 :An alloy with good castability, strength, vibration dampening, and ductility. It is used in automotive components such as seat frames and panels.
• Rare earth alloys AS41B and AE42 :Alloys with superior temperature resistance, as well as good creep resistance, corrosion resistance, and ductility. Both alloys are found in engine parts.

Zinc die casting alloys

Another major category of die casting metals is zinc alloys. Castable in a hot-chamber die casting machine, zinc casting is the most manufacturer-friendly die casting option and offers other benefits like impact strength, ductility, and suitability for plating. Due to its castability, it also results in minimal die wear.

Zinc is heavier than aluminum and magnesium and is usually alloyed with aluminum, copper, and magnesium.

Common zinc die casting alloys include:

• Zamak  3 :A general-purpose zinc alloy that is easy to cast and offers excellent dimensional stability. In North America, more than two thirds of zinc die castings use Zamak 3. Example uses include ceiling fans and plumbing components.
• Zamak 2 :A slightly stronger and more expensive alloy with added copper content. This zinc casting alloy is often used to produce tooling for plastic injection molding.
• Zamak 5 :A zinc alloy close in composition to Zamak 3 but with greater tensile strength and lower ductility. Popular for products like automotive parts and wheel balancing weights.

Other die casting alloys

Other die casting materials include copper, silicon tombac, lead, and tin alloys, in addition to zinc-aluminum alloys.

Copper alloys exhibit high strength, hardness, and corrosion resistance, in addition to excellent dimensional stability. Meanwhile lead and tin alloys are very dense and can be resistant to corrosion. Zinc-aluminum alloys are recognizable by the ZA prefix; those with a lower aluminum content can be hot-chamber die cast, but those with 11% or more typically cannot.

Die casting finishing options

High-pressure die casting produces parts to a high standard, and finishing options can often be kept to a minimum. However, there are many functional and cosmetic finishing options available for die casting parts.

Deburring

A standard finishing procedure is deburring, which can be thought of as a continuation of the shakeout stage. Deburring involves the removal of imperfections caused by the manufacturing process and is deployed to normalize the appearance and function of the part without adding any specific texture or color.

Methods of deburring include:

• Manual deburring with abrasive materials (can also be automated)
• Vibration deburring with tools like rollers and sandblasting
• Trimming with a punch die

Secondary finishing options

Once imperfections have been removed from the metal die casting parts using a deburring process like sandblasting or manual sanding, it is possible to perform secondary finishing options to transform the surface finish of the castings. These finishing techniques adjust the texture or color of the die casting parts.

Secondary die casting finishes include:

• Polishing with manual equipment to achieve a high-shine finish
• Painting to alter the color of the castings
• Powder coating to alter the color and texture of the castings
• Metal plating to add a surface coating of a different material, either for cosmetic or functional purposes (e.g. plating an electronic component with a more electrically conductive metal).

Strategy for selecting a die casting manufacturer

Die casting is a common manufacturing process used by a broad range of companies. However, finding a die casting manufacturer is much more difficult than finding, for example, a machinist or 3D printing service provider. This is because die casting is typically used by large parts suppliers for high-volume production.

For small and medium-size companies that require metal die casting parts, selecting a die casting manufacturer poses challenges. Typically, manufacturers in this domain will fall into one of the following four categories:

1. Die casting companies that make die casting molds and die casting parts but do not offer post-machining
2. Die casting companies with a few CNC machines but who stipulate much longer lead times for post-machined parts due to their limited machining capacity
3. Die casting companies with a large number of CNC machines for post-machining but who work almost exclusively with large companies placing large orders
4. CNC machining companies who can carry out post-machining of die casting parts but who cannot themselves make die casting molds or die casting parts

Clearly, this makes it hard for smaller companies to find a die casting partner. If post-machining is required, such companies often accept the longer lead times offered by the second category of die casting partner.

But there is another option:by working with a small or medium-size metal die casting partner and a dedicated machining partner like 3ERP — combining options 1 and 4, in effect — companies can order smaller volumes of die casting parts with post-machining with surprisingly short lead times.

At 3ERP, we have a selection of trusted die casting partners with whom we work to provide a seamless casting and finishing service, getting quality cast parts manufactured and delivered in a short timeframe.

Die casting design guidelines

As with most manufacturing processes, high-pressure die casting comes with its own set of design rules and constraints. These include parting line considerations, draft angles, and wall thickness limitations.

Parting line

A die casting part is made using two hardened steel dies. The line where the two dies meet is called the parting line, and this line is often visible after casting in the form of flash — a thin extrusion of excess material that has escaped the cavity at the parting line due to insufficient clamping force.

During die casting design, the designer must find a suitable location for the parting line, i.e. decide where the mold will be split in half. Doing so depends on several factors, including:

• Material flow:The inlet for metal flow must be located along the parting line to ensure optimal filling of the mold cavity.
• Cosmetic features:Cosmetic features should not be located near the parting line, since they may be obstructed by gates and vents.
• Post-machining:The parting line area of the casting will likely require the most machining and finishing, so it should be located to provide easy machine tool access.

Small amounts of flash are inevitable, so designers should prepare for the necessity of trimming it after the casting is removed from the mold.

Wall thickness

As with other casting and molding processes, die casting parts are suited to consistent wall thicknesses, as this encourages consistent filling and cooling of the metal castings, reducing the likelihood of uneven shrinkage and warping.

Draft

Metal die casting parts require a small amount of draft — tapered sides of the mold cavity — so the castings can be easily ejected from the dies without damaging them. All surfaces parallel with the die opening direction require draft.

Inner surfaces like untapped holes require a greater draft angle than external walls (which naturally shrink away from the inside of the mold).

Fillets and radii

Fillets are rounded internal corners that increase the load-bearing capacity of die castings. They are also easier to manufacture than sharp internal corners, so should be incorporated into die casting designs as standard. Using an equal radius across fillets is preferable to fillets with varying radii.

Radii are rounded external corners and play a different but equally important function, helping to improve metal flow in the mold cavity.

Ribs

Ribs are small protrusions from the die casting part that serve to increase strength and stiffness without resorting to thicker walls and increased material usage. They also improve metal flow. Note that ribs require their own fillet and radius considerations for maximum strength and flow.

With our network of trusted manufacturing partners, 3ERP offers a comprehensive die casting process even in low volumes. Kontaktieren Sie uns für ein kostenloses Angebot.