Druckguss

Druckgießteile besitzen glatte, saubere Flächen und Kanten. Des Weiteren erlaubt dieses Verfahren geringere Wandstärken als andere Verfahren. Bei Zink zum Beispiel können die Teile eine Wandstärke von 1 mm und bei Aluminium von 1,4 mm, in Ausnahmefällen sogar unter 1 mm haben.

Die erreichbaren Toleranzen liegen bei ±0,05 bis ±0,15 mm, so dass auch von einem Genau- oder Fertigguss gesprochen wird. Bei großen Gussteilen benötigt man jedoch etwas größere Toleranzen.

Dabei ist es möglich, Teile aus anderen Werkstoffen, wie z. B. Buchsen, Gewindebolzen oder Stifte mit einzugießen. Innengewinde werden unmittelbar mit drehbaren Stahlkernen hergestellt, die dann später wieder entfernt werden können. Im Gegensatz zu anderen Verfahren nennt man den Abguss hier „Schuss“. Es ist möglich, bis zu 1000 Schüsse pro Stunde durchzuführen (je nach Maschinengröße). Je nach Gießwerkstoff beträgt die Standmenge der Formen bis 2.000.000 Schüsse (Zinklegierungen).

Bei Aluminium werden Standzeiten von ca. 80.000 bis 200.000 Schuss erreicht. Lange galt Aluminium-Druckguss als nicht geeignet zum Schmelzschweißen und zur Wärmebehandlung. Inzwischen ist es in aufwändigen Untersuchungen gelungen, Aluminium-Druckguss schmelzschweißgeeignet und wärmebehandelbar herzustellen. Hier sind – für optimale Festigkeitseigenschaften – die besonders verzugsarmen Strahlschweißverfahren (Elektronenstrahl- und Laserstrahlschweißen) hervorzuheben. Jedoch ist es für optimale Ergebnisse notwendig und empfehlenswert, bei der Konstruktion die Anforderungen des Verfahrens zu berücksichtigen. Darüber hinaus kann Aluminium-Druckguss jedoch auch sehr gut mittels Reibschweißverfahren wie etwa dem Rührreibschweißen verschweißt werden.

Druckgießmaschinen bestehen üblicherweise aus einer Formschließeinheit, die dem Öffnen und Schließen der Druckgießform dient. Bestandteile der Formschließeinheit (auch Schließteil genannt) sind:

• eine feste Maschinenplatte (auch feste Platte genannt) zur Aufnahme der feststehenden Eingießformhälfte und im Kaltkammerverfahren der Gießgarnitur
• eine bewegliche Maschinenplatte (auch mobile Platte) zur Aufnahme des hydraulischen Auswerfers und der beweglichen Formhälfte
• die vier Führungssäulen auf denen die bewegliche Maschinenplatte geführt wird
• das Kniehebelsystem (bestehend aus Zylinderplatte (auch Querhaupt genannt), kurzem und langem Hebel sowie Kreuzkopf)
• der Schließzylinder

Das flüssige Metall wird aus der Gießkammer mit einem Gießkolben in die Form gepresst. Nach der Art der eingesetzten Maschine unterscheidet man das Warm- und das Kaltkammerverfahren. Der Antrieb des Gießkolbens erfolgt durch den Antrieb der Gießeinheit. Die Beaufschlagung des Antriebskolben erfolgt meist durch einen hydraulischen Druckspeicher. In einzelnen Fällen wird der Gießkolben elektrisch angetrieben (Stand 2006).

Die im Druckgussverfahren benötigten Druckgusswerkzeuge werden im Werkzeugbau respektive im Formenbau hergestellt. Als Werkstoff für die Gussformen verwendet man meistens Sonderwerkstoffe oder hochfeste Warmarbeitsstähle nach DIN EN ISO 4957. Eine Auswahl ist in der folgenden Tabelle dargestellt.

Beim Druckgießen wird eine zuvor temperierte (100 bis 300 Grad Celsius) Dauerform (zwei- oder mehrteilig) unter Druck mit hoher Geschwindigkeit mit Metallschmelze befüllt. Der eigentliche Gießprozess kann in drei Phasen gegliedert werden.

Die Vorfüllphase dient dazu, die Schmelze in der Gießkammer bis zum Anschnitt zu fördern. Die bei der ersten Phase im Anguss-system komprimierte Luft kann aufgrund der relativ geringen Geschwindigkeit des Kolbens (0,05–0,7 m/s) über Entlüftungskanäle und durch die Formteilungsebene entweichen.

Bei der Formfüllphase presst der Gießkolben mit sehr hoher Geschwindigkeit (0,4–6 m/s) die Schmelze in die Form. Die Formfüllzeit ist mit 5–60 ms außerordentlich kurz. Eine Entlüftung der Form ist deshalb praktisch nicht möglich.

In der Nachdruckphase am Ende der Formfüllung wird ein sehr hoher statischer Enddruck aufgebaut. Dabei wird die bei der Formfüllung eingeschlossene Luft komprimiert und die Nachspeisung des Gussteils gewährleistet.

Verschiedene Gusswerkstoffe erfordern jeweils einen anderen Gießdruck. Aluminium- und Magnesiumlegierungen werden mit 300–1200 bar, Zink mit 130–250 bar und Messing mit 300–1000 bar vergossen. Die Festigkeit eines Werkstückes ist bei hohem Gießdruck größer.

Der Querschnitt ${\displaystyle A_{1}}$ des Antriebskolbens und der Betriebsdruck ${\displaystyle p_{b}}$ des Druckspeichers sind nicht veränderbar. Um einen bestimmten Gießdruck ${\displaystyle p_{g}}$ zu erreichen, variiert man also den Querschnitt ${\displaystyle A_{0}}$ des Gießkolbens. Dabei gilt

${\displaystyle p_{g}\cdot A_{0}=p_{b}\cdot A_{1}}$ (Kräftegleichgewicht)

Bei kreisförmigem Kolbenquerschnitt gilt zudem für Antriebskolbendurchmesser ${\displaystyle d_{1}}$ und Gießkolbendurchmesser ${\displaystyle d_{0}}$

${\displaystyle p_{g}\cdot {\frac {\pi }{4}}\,{d_{0}}^{2}=p_{b}\cdot {\frac {\pi }{4}}\,{d_{1}}^{2}}$

Durch Umstellen dieser Gleichung erhält man für den gewünschten Gießdruck den erforderlichen Gießkolbendurchmesser

${\displaystyle d_{0}=d_{1}\cdot {\sqrt {\frac {p_{b}}{p_{g}}}}}$

Die Investitionskosten für Gießmaschinen und die hohen Fertigungskosten für die Form sind in etwa vergleichbar. Bei beiden Verfahren müssen hohe Stückzahlen diese hohen Investitionskosten rechtfertigen. Danach sind die Rohmaterialkosten vorrangig.

Druckgegossene Metallbauteile besitzen eine wesentlich höhere Biegefestigkeit (-steifigkeit) als spritzgegossene; sie kann bis zu 20-mal höher sein. Die im Druckguss hergestellten Werkstücke sind auch bei höheren Temperaturen (Aluminium bis ca. 450 °C) noch belastbar. Bei spritzgegossenen Materialien nimmt die Festigkeit und Steifigkeit bei höheren Temperaturen (ab 100 °C) stark ab; eine Ausnahme bilden nur teure Spezialkunststoffe. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei Belastung der Bauteile (mit Ausnahme von Zink) kein Kriechen auftritt, wie es bei vielen spritzgegossenen Werkstücken der Fall ist. Druckgegossene Teile besitzen eine wesentlich bessere Gestaltsfestigkeit, das heißt eine mechanisch bearbeitete Fläche bleibt eine Fläche, wobei sich die Fläche eines Kunststoffteiles wesentlich leichter verformt. Des Weiteren verändern einige spritzgegossene Kunststoffe die Form unter klimatischen Bedingungen. Druckgegossene Werkstoffe besitzen eine elektromagnetische Abschirmung und eine Beständigkeit gegen organische Lösungen. Außerdem ist ein Recycling ohne Qualitätsverlust möglich.

Spritzgegossene Bauteile sind bei der Verwendung von Standardmaterialien preiswerter. Außerdem kann beim Spritzgießen farbig gegossen werden. Ein weiterer Vorteil ist das geringere Gewicht gegenüber druckgegossenen Werkstücken. Letztere besitzen außerdem schlechtere Korrosionseigenschaften. Des Weiteren ist die Herstellung druckgegossener Metallbauteile aufwändiger und „komplizierte“ Geometrien sind teilweise nicht realisierbar.

• Spritzguss
• Squeeze Casting (Pressgießen)
• Thixoforming