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Druckgießen Wie die Gussform optimiert werden kann

Redakteur: Dorothee Quitter

Die Form hat für den Druckgießprozess eine zentrale Bedeutung. Sie gibt die Konturen vor, die ein Gussteil annehmen soll und beeinflusst dessen Eigenschaften. Lesen Sie hier, wie 3D-Technologie Gussformen weiter verbessern kann.

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Die mit dem SLM-Verfahren hergestellten Einsätze dieser Druckgießform enthalten interne Kanäle, die eine konturnahe Temperierung ermöglichen.
Die mit dem SLM-Verfahren hergestellten Einsätze dieser Druckgießform enthalten interne Kanäle, die eine konturnahe Temperierung ermöglichen.
(Bild: Oskar Frech GmbH & Co. KG)

Druckgießen ist ein Formgebungsverfahren für die Serienproduktion von Werkstücken aus Aluminium, Zink, Magnesium, Kupfer, Blei, Zinn und deren Legierungen. Der Gießvorgang erfolgt in Druckgießmaschinen, die in Warmkammer- und Kaltkammer-Gießmaschinen unterteilt werden. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Behälter mit der Metallschmelze bei Warmkammer-Gießmaschinen in der Maschine, im anderen Fall außerhalb von ihr angeordnet ist. In beiden Arten von Maschinen wird das schmelzflüssige Metall aus einer Gießkammer über einen oder mehrere Gießkanäle in den Hohlraum einer stählernen Dauerform gedrückt, wo es die von der Form vorgegebenen Konturen annimmt und erstarrt. Damit das Gussteil aus der Form entnommen werden kann, bestehen die Druckgießformen aus zwei Hälften. Die eingussseitige Formhälfte ist an der starren Seite der Druckgießmaschine auf einer festen Aufspannplatte montiert, die auswerferseitige Formhälfte auf der anderen Seite auf einer beweglichen Platte. Die Hälften werden vor dem Schließen mit einem Trennmittel besprüht, damit sich später das Gussteil leicht von der Form lösen lässt und die Platten sich nicht überhitzen. Je nach Größe der Gussteile können bis zu 300 Gießzyklen je Stunde durchgeführt werden.

Extreme Belastungen im Prozess

Bei geschlossener Form wird die Schmelze unter einem Druck von bis zu 1200 bar in die Form gedrückt, wobei sie Formfüllgeschwindigkeiten von maximal 150 m/s (540 km/h) erreicht. Große Schließ- und Zuhaltekräfte sind nötig, um die Formhälften aneinander zu pressen und die Formen geschlossen zu halten: In Warmkammer-Gießmaschinen wirken bis zu 8000 kN, in Kaltkammer-Gießmaschinen bis zu 45.000 kN. Mit derart großen Kräfte lassen sich großformatige Gussteile fertigen. Die hierzu verwendeten Formen müssen werkstoff- und konstruktionstechnisch so ausgelegt sein, dass sie die mit großen Schmelzemengen verbundenen Belastungen dauerhaft ertragen. Ist das Metall erstarrt, öffnen sich die Formhälften, und das Gussteil wird von Bolzen ausgestoßen oder von einem Roboter entnommen und zur Weiterbearbeitung befördert.

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Hochleistungsstähle für Werkzeuge

Eine zentrale Bedeutung für den Druckgießprozess hat die Form. Sie gibt die Konturen vor, die auf das Gussteil übertragen werden, und soll außerdem dazu beitragen, dass das Gussteil möglichst rasch erstarrt. Dadurch wird die Bildung eines feinkörnigen Gefüges gefördert, was der Gussteilqualität zugute kommt. Um eine optimale Kühlung zu erreichen, werden die Formen an bestimmten Stellen gekühlt.

Der Aufbau von Druckgießwerkzeugen ist in der Norm DIN 16760-1 beschrieben. Zu ihnen gehören neben den erwähnten Formen auch Formeinsätze, Kerne, Schieber und Auswerfer. Um den hohen thermischen und mechanischen Belastungen standzuhalten, werden sie aus hochfesten Warmarbeitsstählen wie X40CrMoV5-1 (1.2344) oder Sonderwerkstoffen, zum Beispiel Hartmetallen, hergestellt. Eigenschaften, die bei diesen Werkzeugen eine sehr wichtige Rolle spielen, sind hohe Verschleißfestigkeit, hohe Duktilität, hohe Warmfestigkeit, hohe Warmriss- und Warmverschleißbeständigkeit sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit. Bei der Auswahl der Werkstoffe müssen außer deren technologischen Eigenschaften auch die Gestaltung der Werkzeuge, deren Wärmebehandlung und nicht zuletzt die komplexe Wechselwirkung zwischen den Werkzeugen und dem jeweils zu vergießenden Metall bedacht werden. Formen für den Zinkdruckguss erreichen so beispielsweise Standzeiten von 500.000 bis zwei Millionen Zyklen.

Simulationen optimieren die Form

Früher wurden Werkzeuge für die Druckgießtechnik nach Zeichnung gefertigt, heute arbeiten Konstrukteure mit 3D-CAD-Daten und nutzen zeitgemäße IT-Technologien. Bei der Konstruktion von Gießformen sind sowohl der Gießvorgang – und damit der Schmelzefluss und die Kühlung – als auch die Geometrie und die Abmessungen der zu fertigenden Druckgussteile zu beachten. Die Gussteile sollen sich durch ein gleichmäßiges, feinkörniges Gefüge, hohe Maßgenauigkeit und Maßhaltigkeit und eine hohe Oberflächenqualität auszeichnen. Computergestützte Simulationsberechnungen helfen, die Werkzeuge optimal auf das jeweilige Gussteil abgestimmt zu gestalten. Zur Fertigung nutzen Werkzeug- und Formenbauer CAM-Systeme. Die formgebenden Konturen werden in den Formwerkstoff durch CNC-gesteuerte Fräsmaschinen sowie Senk- und Schneiderodiermaschinen mit hoher Präzision eingearbeitet. Die Fertigung der Formen ist sehr aufwendig und damit kostspielig. Bis zu 20 % der Kosten eines Werkstücks aus Aluminiumdruckguss entfallen auf das Werkzeug. Für die Herstellung von Bauteilen in großen Serien ist dies ab einer gewissen Losgröße jedoch kostengünstiger, als die Teile auf andere Weise, zum Beispiel durch spanabhebende Verfahren, herzustellen. Außerdem ist die Fertigungszeit für jedes Teil kürzer.

3D-Druck integrieren

Die gestalterische Vielfalt von Druckgussteilen und die an sie gestellten Anforderungen wachsen ständig. Dadurch steigen auch die Anforderungen an die Eigenschaften der zum Druckgießen verwendeten Werkzeugstähle und die konstruktive Gestaltung der daraus hergestellten Werkzeuge und Formen. Eine Lösung können 3D-Druckverfahren sein. Druckgießformen oder Teile davon, wie Kerne und Schieber, müssen gekühlt werden, damit die abgegossenen Druckgussteile möglichst rasch erstarren. Mit additiven Verfahren lassen sich komplex geformte Einsätze für Druckgussformen fertigen, in die konturnahe, gekrümmt verlaufende Kühlkanäle integriert sind. Das kommt der Qualität und Wirtschaftlichkeit zugute und belastet die Formen thermisch nicht übermäßig. (qui)

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal Konstruktionspraxis veröffentlicht.

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