In diesem Artikel wird das Aluminiumdruckgussverfahren im Detail besprochen. Erfahren Sie mehr über die wichtigsten Anwendungen dieser Technik, einen Überblick über das Verfahren, Legierungsarten, Konstruktionsüberlegungen, Herausforderungen usw.

Was ist Aluminium-Druckguss?

Beim Aluminiumdruckguss wird das geschmolzene Aluminium unter hohem Druck (100-1000 bar) in die Formen geleitet. Diese Formen werden in der Regel aus Stahl hergestellt und können wiederverwendet werden.

Die Formfüllung hängt von der Fließfähigkeit des geschmolzenen Metalls ab. Die optimale flüssige Form füllt die Form sofort (innerhalb von Sekunden). Dieses Material nimmt die tatsächliche Form des Teils an, während es abkühlt. Zum Beispiel Motorblöcke von Autos, Smartphone-Rahmen oder Drohnenkomponenten.

Dieses Herstellungsverfahren ist optimal, um schnell und kostengünstig mehr als 10.000 identische Produkte herzustellen.

Die Physik des Prozesses

Hoher Druck (100-1000 bar):

Je höher der Druck ist, desto gleichmäßiger verteilt sich das Aluminium in der Form und füllt auch die kleinsten Lücken. Dieser Druck verhindert das Auftreten von Blasen und sorgt für glatte Übergänge in den Oberflächen. So können beispielsweise 500 bar die Matrize in nur 0,02 Sekunden füllen.

Schnelle Abkühlung (500-1000°C pro Sekunde):

Das Aluminium kühlt bei HPDC 100-mal schneller ab als beim Sandguss und nimmt dabei die tatsächliche Form des Produkts an. Genau das bewirkt die Abkühlgeschwindigkeit: Es entsteht ein dichtes Gefüge mit feinem Kristallkorn (0,01 mm). Dadurch erhalten sie 20-30% mehr Festigkeit als bei langsameren Verfahren.

Arten von Druckgießmaschinen

Heißkammer-Maschinen:

In Warmkammermaschinen werden meist Metalle mit niedrigerem Schmelzpunkt wie Zink (420 °C) verwendet. Das liegt daran, dass sie keine Legierungen mit hohen Schmelzpunkten wie Aluminium (660 °C) verarbeiten können. Selbst wenn Sie Aluminium in einer Warmkammermaschine gießen, kann dies die Ausrüstung beschädigen.

Kaltkammer-Maschinen:

Kaltkammermaschinen eignen sich gut für Metalle mit mittlerer Temperatur wie Aluminium. Bei diesem Verfahren bereiten die Druckgießer die Legierung in geschmolzener Form vor. Sie füllen sie in den Kolben, um das Material unter einem Druck von bis zu 1000 bar in die Form zu spritzen. Diese Technik dauert zwar länger (Zykluszeit: 30-60 Sekunden), ist aber bei zähen Werkstoffen wesentlich sicherer.

Eignung für Aluminiumlegierungen

Zu den geeigneten Aluminiumlegierungen gehören A380 (85% Aluminium, 8% Silizium) und A383 (84% Aluminium, 10,5% Silizium). Diese Legierungen halten hohen Drücken stand und vermeiden Rissbildung beim Abkühlen. Das A380-Metall beispielsweise füllt die Form gleichmäßig aus und erzeugt eine dünne Wandstärke von nur 1 mm.

Vergleich der Druckgusstechniken

Wichtige Details über Druckguss

• Die Produktionsgeschwindigkeit einer einzigen HPDC-Maschine kann 100-200 Stück pro Stunde produzieren.
• Die Kosten für die Ersteinrichtung liegen zwischen 50.000 und 1 Million. Bei Großaufträgen über 50.000 Einheiten sinken die Kosten pro Einheit jedoch um bis zu $0,50.
• Sie können Löcher bis zu einer Größe von 1,5 mm bohren.
• Mit diesem Verfahren werden Teile mit einer Wandstärke von bis zu 0,8 mm hergestellt.
• Durch die Verwendung von Stahl kann die Haltbarkeit auf etwa 50.000-500.000 Zyklen erhöht werden.

Das Aluminium-Druckgussverfahren

1. Konstruktion und Herstellung von Werkzeugen

Würfel-Design:

Die Formen geben die ungefähre Form des herzustellenden Produkts vor. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, geschmolzenes Aluminium in diese Formen zu bringen. Das bedeutet, dass die Perfektion des Entwurfs (Abmessungen, Dicke usw.) die Herstellung von Teilen mit hoher Qualität ermöglicht.

Anguss-Systeme

Anschnittkanäle sind die Wege, über die geschmolzenes Aluminium zur Form fließt. Sie sind in der Regel 3-8 mm breit. Um die Fließgeschwindigkeit des Metalls zu regulieren (1-5 m/s), werden Turbulenzen und Lufteinschlüsse vermieden.

Design des Läufers:

Angusssysteme verteilen das Metall gleichmäßig in der Matrize. Ihre Dicke reicht von 5 bis 15 mm. Dadurch werden auch Unstimmigkeiten bei der Vermeidung einer falschen Form reduziert.

Entlüftung:

An der Maschine sind kleine, 0,1-0,3 mm breite Entlüftungsöffnungen angebracht. Sie helfen dabei, eingeschlossene Luft zu entfernen, um Defekte wie Porosität und Lufteinschlüsse zu reduzieren.

Kühlungskanäle:

Die Kühlkanäle sind wie Rohre. Sie lassen 10-20 Liter Druckgusswasser pro Minute fließen. Ihre Systeme halten Temperaturen zwischen 200-300 °C aufrecht, um die Teile für den Ausstoß vorzubereiten. Diese Aufrechterhaltung der Temperatur ist wichtig, um eine Überhitzung zu vermeiden und gleichmäßige Strukturen zu erhalten.

Die Materialien:

Der üblicherweise verwendete Stahl H13 bietet eine Härte von 45-50 HRC. Auch gibt es bereits natürliche hochfeste und verschleißfeste Eigenschaften dieses Metalls. Diese bestehen, um 50.000-500.000 Gießzyklen zu widerstehen.

Simulationssoftware:

Tools wie AutoCAST sind im HPDC-Prozess hilfreich, da sie Werkzeugausfälle frühzeitig vorhersagen können. Sie können den Metallfluss optimieren und den Anschnittkanal besser platzieren. Auf diese Weise ist es möglich, Fehler um bis zu 30% zu reduzieren, bevor die Produktion beginnt.

Wartung der Matrize:

Um die Matrize zu pflegen, ist es sinnvoll, alle 5 bis 10 Zyklen Schmierspray aufzutragen. Es verhindert das Anhaften von Metall und sorgt für einen reibungslosen Auswurf.

2. Materialauswahl und -vorbereitung

Aluminium-Legierungen:

Das Wichtigste ist nicht nur die Wahl der Aluminiumlegierungen. Es kommt auf die Anforderungen an das Gussteil an, die sich auf die Festigkeit, die Fließfähigkeit und die Eignung für die Anwendung auswirken.

• A380: Dieses Material fließt leicht und hat eine hohe Festigkeit. Die Hersteller verwenden es häufig für Automobilteile.
• ADC12: Dieses Metall eignet sich gut für Elektronikgehäuse und dünnwandige Teile (1-2 mm dick). Es fließt reibungslos und reduziert Defekte. Außerdem können sie sehr genaue Teile herstellen.

Qualität der Schmelze:

Logischerweise führt die Aufrechterhaltung der Aluminiumreinheit zu fehlerfreien und starken Teilen. Dafür sind Warmhalteöfen da. Sie halten geschmolzenes Aluminium bei 660-700 °C und verhindern so die Erstarrung. Außerdem wird der eingeschlossene Wasserstoff, der Entgasung Die Entfernung von Stickstoffgas reduziert die Porosität um 90% und verhindert innere Hohlräume.

3. Schmelzen & Gießen

• Der Schmelzer ist ein gasbefeuerter Ofen. Der Hersteller verwendet ihn zum Schmelzen fester Aluminiumgranulate bei Temperaturen von 700-750 °C. Er gewährleistet einen gleichmäßigen Schmelzzustand.
• Im Warmhalteofen wird das geschmolzene Aluminium gelagert. Dort wird es bei kontrollierten Temperaturen flüssig gehalten, bis der Produktionszyklus abgeschlossen ist.
• Ram und Shot Sleeves sind Teile des Prozesses, die das Metall mit 4-10 m/s unter hohem Druck in den Formhohlraum drücken. Ihre Aufgabe ist es, die Form vollständig zu füllen und richtig zu verdichten.
• Druckgießmaschinen automatisieren die mechanischen Systeme der Einspritzung. Sie sorgen für detailgenaue Ergebnisse und Wiederholbarkeit der Gussteile.
• Kaltkammermaschinen verwenden einen Kolben. Er spritzt das Metall ein und führt die Zyklen in 30-60 Sekunden durch, was eine hohe Effizienz gewährleistet.

4. Injektion und Erstarrung

Erste Stufe: Das geschmolzene Material füllt 80-90% des Formhohlraums. Das Einspritzen dauert 0,01-0,1 Sekunden. Stellen Sie sicher, dass das Material gleichmäßig die Lücken füllt und jede Ecke der Form erreicht.

Zweite Stufe: Der Hersteller wendet hohen Druck (200-400 bar) an. Er beseitigt Luftspalten und sorgt für dichte Qualität und strukturelle Integrität.

Kühlung: Druckgusswasser oder Kühlluft kühlen das eingespritzte Metall schnell mit 500-1000°C pro Sekunde ab. Dabei nehmen sie effizient eine starke Mikrostruktur mit feinen Korngrößen (0,01-0,05 mm) an.

5. Auswurf und Nachbearbeitung

Sobald das Teil erstarrt ist, helfen Auswerferstifte, das Gussteil sicher aus der Form zu entfernen. Sie üben eine Kraft von 5-20 Tonnen aus.

In der Zwischenzeit werden die Gussteile im Abschreckbecken 10-30 Sekunden lang mit Wasser schnell abgekühlt. Dieser zusätzliche Prozess vermeidet Verzug und verbessert die Materialeigenschaften.

Außerdem verwenden Beschneidemaschinen eine Kraft von 20-50 Tonnen, um Metallreste (Anschnitte, Grate) zu schneiden. Dies hilft Ihnen bei der Herstellung von Teilen mit höherer Qualität.

Abteilung Endfertigung:

Die Hersteller verwenden die Entgrattechnik, um scharfe Kanten zu entfernen. Diese Verfahren bieten glatte Oberflächen und erreichen einen Rauheitswert von Ra 1,6-3,2 µm.

Die präzisen Löcher und Merkmale, die durch die Bearbeitung entstehen, führen zu engen Toleranzen (±0,05 mm). Das Produkt erfüllt schließlich spezielle Spezifikationen als Ergebnis.

7. Abfallwirtschaft

Druckgießer haben 5-10% Aluminiumabfälle umgeschmolzen oder wiederverwendet. Denn Schrottrecycling senkt die Rohmetallkosten.

Die Abfälle, die von Schmierstoffen und Metallrückständen stammen, können im Abwasserbehandlungssystem behandelt werden. Durch diese Schlamm- und Ölbehandlung werden 95% der Schadstoffe vor der Entsorgung entfernt.

Darüber hinaus setzen die Hersteller Abgaswäscher ein. Deren Aufgabe ist es, die Emissionen durch die Filterung schädlicher Gase zu kontrollieren. Diese Instrumente tragen zu einer 99% Erfolgsquote bei der Reduzierung der Luftverschmutzung bei.

Nachhaltige Ressourcen wie Kühltürme führen 80% des verbrauchten Wassers wieder in den Kreislauf zurück. Diese Techniken minimieren auch die Umweltauswirkungen.

Anwendungen und Branchen

Automobilindustrie

Es wurde festgestellt, dass in den in Europa produzierten Autos in der Regel über 200 kg Aluminium pro Fahrzeug verwendet werden. Außerdem werden in der Automobilbranche verschiedene leichte und stabile Teile mit dem HPDC-Verfahren hergestellt. Zum Beispiel Motorblöcke, Wischermotorgehäuse, AC/DC-Steuergeräte, Batteriegehäuse usw.

Luft- und Raumfahrt

Die mit Aluminiumdruckguss hergestellten Teile für die Luft- und Raumfahrt wären stabiler und leichter. Zum Beispiel haben Flugzeughalterungen und Satelliten eine Zugfestigkeit von bis zu 300 MPa. Infolgedessen sind die Teile leistungsfähiger und verbrauchen weniger Kraftstoff.

Konsumgüter

Das Druckgussverfahren ist hilfreich bei der Herstellung von Teilen mit dünnen Wänden. Dies gilt insbesondere für Konsumgüterkategorien. So können beispielsweise Elektronikgehäuse für Laptops und Telefone mit einer Wandstärke von nur 1 mm hergestellt werden. Hersteller produzieren mit dieser Technik mehr als 50 Tausend Waschmaschineneinheiten pro Jahr.

Industrielle Ausrüstung

Bei Bauteilen, die höheren Drücken (bis zu 100 bar) standhalten können, ist die Auswahl von Druckgussteilen wie Pumpengehäusen und Ventilen sinnvoll. Diese Teile haben dichte Substanzen und eine Oberflächenrauheit, die zwischen Ra 1,6 und 3,2 µm schwankt.

Vorteile des Aluminium-Druckgusses

• Mit diesem Verfahren können Teile mit einer engen Toleranz von ±0,1 mm gegossen werden (5x besser als beim Sandguss).
• Er bietet eine perfekte Passform.
• Die Teile haben glatte Oberflächen (bis zu Ra 1,6 µm)
• Reduzieren Sie die Nachbearbeitung.
• Die Aluminiumlegierungen sind 100% recycelbar.
• Dieses Verfahren verbraucht 40-50% weniger Energie als Sandguss.
• Es senkt den CO2-Fußabdruck.
• Die Gussteile sind stabil und wiegen nur halb so viel wie Stahl.
• Die Massenproduktion senkt die Kosten pro Teil.

Herausforderungen und Beschränkungen

Größe und Komplexität der Teile:

Die maximale Größe ist begrenzt, da das Gerät nur etwa 600 x 600 mm (etwa die Maße einer Autotür) produzieren kann.

Dünne Wände unter 0,8-1,5 mm führen zu einer unvollständigen Füllung. Diese Notwendigkeit übersteigt die Einspritzgeschwindigkeiten von bis zu 4 m/s. Außerdem kann es schwierig sein, komplizierte Merkmale unter 0,5 mm zu reproduzieren.

Materielle Grenzwerte:

Dieses Verfahren eignet sich nur für Speziallegierungen wie A380. Das liegt an der guten Fließfähigkeit und den Gießeigenschaften.

Verbreitete Defekte

Lufteinschlüsse verursachen Gasporosität, und wenn sich diese Gase ausdehnen, kommt es zu Defekten wie Blasenbildung. Dies geschieht in der Regel bei dickeren Teilen (unter 10 mm) und kann durch Entgasung kontrolliert werden.

In ähnlicher Weise treten Schrumpfungsporosität und Risse auf, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit ungleichmäßig ist und unter 500°C/s fällt. Um dies zu vermeiden, können 200-400 bar Druck die Dichte und Integrität während der Erstarrung aufrechterhalten.

Prüfung und Kontrolle:

Sie müssen nur Ihre Projektleistung vorhersehen und ein paar Schritte voraus sein über zerstörungsfreie Prüfung. Ein Röntgenprüfsystem verwendet einen Röhrenkopf. Dies ist der Punkt, an dem der Brennfleck Strahlen durch das Gussteil sendet. Das Vorhandensein eines Hohlraums verändert das Eindringen der Röntgenstrahlen. Es wird ein einzigartiges Bild erzeugt, das die Analyse vereinfacht.

Ebenso hilft die Ultraschallprüfung, innere Risse innerhalb von 2-5 Sekunden pro Teil zu lokalisieren. Ihre Sensoren überwachen die Einspritzgeschwindigkeit (±0,1 m/s) und den Druck (±10 bar). Dies gewährleistet eine gleichbleibende Qualität.

Schlussfolgerung:

Aluminium-Druckguss ist ein zuverlässiges Verfahren. Die meisten Branchen, darunter die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt und die Elektronik, verwenden es aufgrund seiner Erschwinglichkeit und hohen Leitfähigkeit für große Aufträge.

Dies ist die beste Option, um genaue Formen und glatte Oberflächen zu erhalten und dabei weniger Energie zu verbrauchen. Auch wenn das nicht der Fall ist, gibt es Herausforderungen wie Größenbeschränkungen und gelegentliche Fehler. Durch den Einsatz moderner Prüf- und Kontrollverfahren kann die Produktion jedoch stabil gehalten werden.