Das Druckgussverfahren ist eine Standardfertigungstechnologie, die in jeder Branche üblich ist. Dieses Druckgussverfahren kann je nach komplexer Form und Struktur in verschiedenen Methoden und Technologien variieren.
Dieser Leitfaden vermittelt einen kurzen Überblick über die Druckgussverfahren, ihre Arten, Anwendungsbereiche sowie Vor- und Nachteile.
Was ist Druckguss?
Der Druckguss ist ein Metallgussverfahren, bei dem geschmolzenes Metall unter hohem Druck in eine Formkammer gepresst wird. Präzisionswerkzeugbauer fertigen zwei Formen aus gehärtetem Stahl – die Deckelhälfte (feststehend) und die Auswerferhälfte (beweglich) –, die ähnlich wie eine Spritzgussform funktionieren, um den Formhohlraum entlang einer Trennlinie zu bilden. Nichteisenmetalle wie Zink, Kupfer, Aluminium, Magnesium, Blei, Zinn und zinnbasierte Legierungen bilden den Großteil der Druckgussteile. Je nach Schmelzpunkt und chemischen Eigenschaften der jeweiligen Legierung setzen die Hersteller Heißkammer- oder Kaltkammermaschinen ein.
Druckgussverfahren
Das Standardverfahren des Druckgusses umfasst vier grundlegende Schritte, um eine hohe Maßgenauigkeit und eine hervorragende Oberflächenqualität zu gewährleisten:
1. Vorbereitung und Schmierung der Matrize: Vor jedem Zyklus wird der Formhohlraum gereinigt und mit einem Trennmittel besprüht. Durch den Einsatz von Hochleistungsschmierstoffen wie AMINO Trennmittel für den Druckguss trägt zur Regulierung der Formtemperaturen bei, verhindert, dass geschmolzenes Metall an der Stahlform festschmilzt, und ermöglicht ein nahtloses Entformen ohne Oberflächenfehler.
2. Einspritzung und Schnellbefüllung: Das Rohmetall wird in einem Warmhalteofen oder einem Tiegel geschmolzen. Ein hydraulischer oder pneumatischer Kolben drückt eine dosierte Menge geschmolzenen Metalls unter hohem Druck – typischerweise zwischen 10 und 175 MPa (1.500 bis 25.400 psi) – durch ein Angusssystem in den verschlossenen Formhohlraum. Dieser Hochgeschwindigkeits-Einspritzvorgang füllt dünnwandige und komplexe Bereiche schnell aus, bevor die Erstarrung einsetzt, wodurch Oberflächenfehler oder Läuferfehler verhindert werden.
3. Aushärtung und Entnahme (Entformen): Während das Flüssigmetall in der wassergekühlten Form schnell abkühlt und erstarrt, wird ein hoher Druck aufrechterhalten. Nach der Erstarrung werden die Formhälften voneinander getrennt. Angetrieben durch eine Auswerferplatte drücken gleichmäßig verteilte Auswerferstifte in der beweglichen Auswerferform das ausgehärtete Formteil aus dem Formhohlraum, womit der Entformungsvorgang abgeschlossen ist.
4. Zuschneiden und Endbearbeitung: Nach dem Entformen werden im Rahmen der Nachbearbeitung Metallabfälle – wie Angüsse, Verteilkanäle, Einlaufstellen und Grate – vom fertigen Bauteil getrennt. Die Maschine führt diesen Schritt in der Regel mithilfe spezieller Entgrät- oder Bearbeitungswerkzeuge durch. Zur Erreichung der endgültigen Maßvorgaben können zusätzliche Nachbearbeitungsvorgänge wie Sägen, Schleifen, Bohren und Polieren zum Einsatz kommen.
Abschließend werden die fertigen Teile einer Qualitätsprüfung unterzogen, um die strukturelle Integrität zu überprüfen und häufige Gussfehler wie Schrumpfporosität, Kaltstellen oder Gaseinschlüsse zu erkennen.
Arten von Druckgussverfahren
Die Arten der Druckgusstechniken variieren je nach Investitions- und Produktionskosten. Jeder Druckgussbetrieb setzt eine Vielzahl von Druckgusstechniken ein. Die gängigsten Druckgussarten werden in den folgenden Abschnitten erörtert.
Das Warmkammer-Druckgießverfahren
Bei einem Heißkammer-Druckgussverfahren (auch als „Gooseneck-Maschine“ bezeichnet) ist der Einspritzmechanismus direkt in ein Bad aus geschmolzenem Metall in einem angeschlossenen Warmhalteofen eingetaucht. Zu Beginn des Zyklus zieht sich der Kolben zurück, sodass flüssiges Metall in die Gooseneck-Kammer fließen kann.
Ein pneumatischer oder hydraulischer Stempel drückt das Metall aus dem Schwanenhals heraus und presst es in den Formhohlraum. Dieses Verfahren ermöglicht hohe Produktionsgeschwindigkeiten (bis zu 15 Takte pro Minute) und eine einfache Automatisierung. Sie ist jedoch auf Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt – wie Zink, Zinn und Blei – beschränkt, da Metalle mit höherem Schmelzpunkt wie Aluminium den eingetauchten Stahlkolben und die Schwanenhals-Komponenten angreifen und auflösen würden.
Anmeldung
Der Heißkammer-Druckguss eignet sich ideal für die Serienfertigung kleiner bis mittelgroßer Präzisionsbauteile, darunter Zink-Reißverschlüsse, Zahnräder, elektronische Steckverbinder, Türgriffe für Kraftfahrzeuge, Schlossgehäuse und Zierbeschläge.
Das Kaltkammer-Druckgießverfahren
Beim Kaltkammer-Druckgussverfahren wird das Metall in einem separaten, eigenständigen Ofen geschmolzen. Eine automatische Gießpfanne oder ein Bediener führt eine genau dosierte Menge geschmolzenen Metalls in eine unbeheizte Einspritzhülse (Einspritzzylinder) ein. Ein hydraulischer oder mechanischer Stempel drückt das Metall anschließend unter Druck in den Formhohlraum.
Da vor jedem Schuss geschmolzenes Metall manuell oder automatisch in die Kaltkammer eingefüllt werden muss, sind die Zykluszeiten etwas länger als bei Heißkammermaschinen.
Kaltkammer-Druckgussmaschinen sind sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Bauweise erhältlich. Vertikale Maschinen sind in der Regel kompakt, während horizontale Maschinen über verschiedene Tonnagen hinweg den Industriestandard darstellen.
Anwendung:
Beim Kaltkammer-Druckguss wird der Einspritzmechanismus von der Schmelze getrennt gehalten, weshalb dieses Verfahren bei Legierungen mit höheren Schmelzpunkten – wie Aluminium, Magnesium und Kupfer/Messing – bevorzugt wird. Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen Motorblöcke für Kraftfahrzeuge, Getriebegehäuse, Elektronikgehäuse, Gehäuse für Elektrowerkzeuge sowie Strukturbauteile für tragbare Geräte.
Das Niederdruckgießverfahren
Wie beim Hochdruckguss befestigen die Bediener die Formhälften an einer feststehenden und einer beweglichen Platte, allerdings ist die Maschine vertikal ausgerichtet. Direkt unter der feststehenden Platte befindet sich ein hermetisch abgeschlossener Halteofen, der geschmolzenes Metall enthält.
Durch Anlegen eines niedrigen Luftdrucks (in der Regel bis zu 1 bar oder 20–100 kPa) an den Ofenbehälter wird das geschmolzene Metall (meist Aluminium oder Magnesium) nach oben durch ein vertikales Steigrohr in die darüber liegende Formkammer gedrückt. Am häufigsten werden dauerhafte Stahlformen verwendet, doch auch Sandformen sind in speziellen Niederdruckanlagen möglich.
Die nach oben gerichtete laminare Strömung füllt den Hohlraum entgegen der Schwerkraft von unten nach oben und minimiert so Turbulenzen. Der Druck wird aufrechterhalten, bis das Bauteil erstarrt ist, wodurch eine kontinuierliche Zufuhr aus dem Angussrohr ermöglicht wird, um die Volumenschrumpfung auszugleichen und innere Hohlräume zu vermeiden.
Anwendung:
Die Automobilindustrie setzt in hohem Maße auf den Niederdruck-Druckguss zur Herstellung hochfester Aluminium-Strukturbauteile wie Fahrzeugräder, Querlenker und kritische Motorkomponenten, die eine maximale Dichte und Wärmebehandlungsfähigkeit erfordern.
Das Vakuum-Druckgussverfahren
Das Vakuumdruckgießen ist eine weiterentwickelte Variante des herkömmlichen Hochdruckgusses. Eine Vakuumpumpe saugt vor und während des Einspritzvorgangs Luft und Gase aus dem abgedichteten Formhohlraum ab. Diese Technik – auch als vakuumunterstütztes Hochdruck-Druckgussverfahren (VHPDC) bezeichnet – wurde speziell entwickelt, um durch eingeschlossene Luft verursachte Gasporosität zu beseitigen.
Durch die drastische Verringerung der inneren Porosität können im Vakuumdruckgussverfahren hergestellte Bauteile einer anschließenden Wärmebehandlung und Schweißung unterzogen werden, ohne dass es zu Blasenbildung an der Oberfläche kommt.
Anwendung:
Der Vakuumdruckguss findet breite Anwendung in Branchen, in denen hohe strukturelle Festigkeit und Druckdichtheit gefordert sind, darunter Fahrgestellkonstruktionen im Automobilbau, Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Verteidigungsausrüstung, Schiffsausrüstung sowie hochbelastete industrielle Baugruppen.
Squeeze-Casting-Verfahren
Das Squeeze-Casting vereint die Vorteile traditioneller Guss- und Schmiedeverfahren. Geschmolzenes Metall wird mit geringer Geschwindigkeit in eine offene Form eingespritzt, und beim Schließen der Form und während der Erstarrung des Metalls wird extrem hoher hydraulischer Druck ausgeübt. Dadurch werden alle Gas- und Schrumpfporen beseitigt, was zu außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften und feinkörnigen Strukturen führt.
Anmeldung
Das Extrusionsgussverfahren ist ein kommerziell erfolgreiches Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer, dickwandiger Aluminium- und Magnesiumteile, darunter Querlenker für Kraftfahrzeuge, Kolben, Leichtmetallfelgen, Mörsergranaten für militärische Zwecke und hochbelastbare Halterungen.
Das Semi-Solid-Druckgießverfahren
Das Halbfestmetallgussverfahren (SSM) oder Thixoforming ist eine Near-Net-Shape-Variante des Druckgusses, bei der Metall in einem halbfesten Zustand zwischen seiner Liquidus- und Solidustemperatur verarbeitet wird. Das Verfahren basiert auf dem thixotropen Fließverhalten: Die halbfeste Aufschlämmung fließt wie eine Flüssigkeit, wenn sie während des Einspritzvorgangs einer Scherbeanspruchung ausgesetzt wird, verdickt sich jedoch und stabilisiert sich im Ruhezustand.
Diese laminare, turbulenzfreie Füllung verhindert Lufteinschlüsse, verringert den Thermoschock an der Form und führt zu dichten, hochfesten Gussteilen mit minimaler Schrumpfung.
Anmeldung
Das Halbfestgussverfahren wird für kritische High-End-Anwendungen mit Aluminium-, Magnesium- und Kupferlegierungen eingesetzt. Zu den typischen Bauteilen zählen Strukturbauteile für die Luft- und Raumfahrt, Gehäuse für medizinische Geräte, Komponenten für die Verteidigungsindustrie, Motorlager, Luftverteiler und Druckhalteventile.
Kokillenguss vs. Druckguss
Sowohl beim Schwerkraftdruckguss (GDC) als auch beim Druckguss (PDC) werden wiederverwendbare Metallformen (Gussformen) verwendet, um Nichteisenlegierungen wie Aluminium, Zink, Magnesium und Kupfer zu formen. Der wesentliche Unterschied besteht darin, wie die Metallschmelze in den Formhohlraum gelangt und diesen ausfüllt.
Beim Schwerkraftdruckguss wird die Metallschmelze von oben (mit Gießpfannen) eingegossen und füllt die Form ausschließlich unter Einwirkung der Schwerkraft von unten nach oben. Beim Druckguss drückt ein Kolben die Metallschmelze unter extrem hohem hydraulischem Druck (1.500 bis 25.400 psi) in den Formhohlraum und hält diesen Druck bis zum vollständigen Erstarren aufrecht, was kürzere Zykluszeiten und dünnere Wandstärken ermöglicht.