Druckguss eignet sich hervorragend für große Mengen komplexer Formen, hat aber eine geringere Präzision. Die CNC-Bearbeitung ist präzise und vielseitig für Prototypen und kleinere Serien. Beim Druckguss wird geschmolzenes Metall in Formen gegossen, während bei der CNC-Technik Material von festen Blöcken abgetragen wird.  Wählen Sie Druckguss für die Massenproduktion, CNC für Genauigkeit und Flexibilität.

Wenn Sie beide Verfahren mit ihren grundlegenden Parametern vergleichen, können Sie die bessere Option finden. Daher enthält dieser Artikel ausführliche Informationen über Druckguss und CNC-Bearbeitung.

Druckgießen: Überblick und Vorteile

Die Hersteller schmelzen ausgewählte Metalle entsprechend ihrer Schmelztemperatur. Zum Beispiel schmelzen sie Zink bei 385°C und Aluminium bei 660°C. Dann erfolgt der nächste Schritt, das Druckgießen.

Bei diesem Verfahren wird geschmolzenes Metall unter einem Druck von 10-175 MPa in eine Kokille geleitet. Die Gießkanäle lassen das Metall fließen, und die Steigleitungen sammeln die Rückstände.

Die Erstarrung des geschmolzenen Metalls dauert 5-30 Sekunden und ermöglicht den Ausstoß bei 200-300°C. Sie müssen wissen, dass jeder Zyklus in 15 bis 60 Sekunden abgeschlossen ist.

Mit Blick auf die schnelle Produktionsfähigkeit können Sie mit Druckguss große Lose bis zu 10-100 Mal schneller fertigstellen als mit CNC-Bearbeitung.

Anwendungen des Druckgießens

Das Druckgießen hilft bei der Herstellung komplexer Teile. So können beispielsweise Motorblöcke aus Aluminium mit 1,5 mm Wandstärke hergestellt werden. Außerdem bietet dieses Verfahren Haltbarkeit und Hitzebeständigkeit.

Bei elektronischen Bauteilen wird Zink gegossen, um ihre dünnwandigen Gehäuse viel leichter zu machen. Darüber hinaus wird in der Luft- und Raumfahrt Magnesium verwendet, um das Gewicht von 30% zu verringern und die Treibstoffeffizienz zu erhöhen.

Druckguss-Verfahren

1. Hochdruck-Druckguss (HPDC):

Im Allgemeinen arbeitet die HPDC mit einem Druck von 10-175 MPa. Es spritzt Metall mit einer Geschwindigkeit von 10-50 m/s. Dieses Verfahren eignet sich hervorragend zur Herstellung von Aluminiumteilen für die Elektronik- und Automobilindustrie. Es können dünne Wände (1,5-5 mm) hinzugefügt werden.

2. Niederdruck-Druckguss (LPDC):

Die Hersteller verwenden einen Druck von 0,3 bis 1,5 MPa beim Betrieb von LPDC. Bei diesem Verfahren ist der Formfüllungsprozess sehr langsam, um Defekte zu vermeiden. Es funktioniert besser bei Teilen mit einer großen Tiefe von 5-15 mm (Radnaben). Sie bieten auch eine gewisse Festigkeit und Haltbarkeit.

3. Schwerkraft-Druckguss:

Das Verfahren nutzt die Schwerkraft zum Füllen der Form, die auf 150-300 °C vorgeheizt wird. Mit diesem Verfahren können sehr einfache Aluminiumteile mit feinen Oberflächen zu erschwinglichen Preisen hergestellt werden.

Legierungstypen und Eigenschaften

Druckguss-Werkzeugprozess

Die Hersteller stellen Werkzeuge her, die 10-mal stärker sind und aus Stahl der Güteklasse H13 bestehen, um den Auswirkungen von 50.000 bis 1.000.000 Zyklen standzuhalten. Sie können je nach Konstruktion, Legierung und anderen Faktoren 10.000-200.000 kosten. Zu ihren wichtigsten Aspekten gehören:

• Sie arbeiten mit einer Schließkraft von etwa 100-5.000 Tonnen (je nach Teilegröße).
• Ein Zyklus dauert 15-60 Sekunden (je nach Abkühlung der Teile).
• Ihre Auswurfkraft kann etwa 5-20% der Klemmkraft betragen.

Grenzen des Druckgießens

• Zur Überprüfung der Porosität ist eine Röntgenuntersuchung erforderlich, da sich bis zu 1-2 mm tiefe Lufteinschlüsse bilden können.
• Verwenden Sie für die Entnahme von Teilen Entformungswinkel von 1-3°.
• Die maximale Teilegröße kann aufgrund der Werkzeugkosten bis zu 600 mm betragen.

CNC-Bearbeitung: Überblick und Vorteile

Die CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) verwendet computergestützte Verfahren. Diese Technologie wird von Computern gesteuert, um Formen zu schneiden und Rohmetall in scharf definierte Teile zu verwandeln.

Wie Sie wissen, wird beim Druckguss heißes Metall hineingegossen, und heraus kommt eine feste Form. Bei der CNC-Bearbeitung hingegen wird das Material (Metalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe) mit Schneidwerkzeugen Schicht für Schicht abgetragen.

Dieses Verfahren eignet sich jedoch für weniger kundenspezifische Teile, Prototypen und Aufträge mit geringer bis mittlerer Stückzahl (1-1.000 Stück).

Prozess der CNC-Programmierung

Bei der CNC-Bearbeitung wird ein Werkzeug verwendet, das von einer Spindel gehalten wird. Dieses Werkzeug schneidet das Rohmaterial auf dem Arbeitstisch. Der Antriebsmotor erhält MCU-Signale und bewegt die Spindel entsprechend. In der Zwischenzeit bestätigt die Rückmeldeeinrichtung die Korrektheit.

CNC-Bearbeitungsvorgänge

CNC-Maschinen erfüllen drei allgemeine Aufgaben:

• Fräsen
• Wenden
• Bohren

Fräsen

Beim Fräsen verwenden die Hersteller drehende Werkzeuge (500-15.000 U/min). Sie zerspanen flache und gekrümmte Formen. Sie verwenden zum Beispiel einen 10-mm-Hartmetallfräser. Damit lassen sich Aluminiumlegierungen mit 2.000 U/min schneiden, um Motorhalterungen herzustellen.

Wenden

Eine rotierende Spindel fixiert das Werkstück und dreht es mit bis zu 3.000 Umdrehungen pro Minute.) In der Zwischenzeit rotieren Schneidwerkzeuge oder stationäre Werkzeuge entlang der Spindelachse und geben dem Material eine zylindrische Form (Schraube oder Rohr).

Bohren

Beim Bohren müssen Löcher in Teile gebohrt werden. Normalerweise verwenden die Hersteller Bohrer (1-25 mm Durchmesser) bei Geschwindigkeiten von 500-1.500 U/min. Zum Beispiel machen sie Löcher in Kunststoffgehäuse mit Bits von 5 mm.

Beispiele für CNC-bearbeitete Teile

Die CNC-Bearbeitung dauert 3 Stunden, um einen Prototyp für ein 100-mm-Aluminium-Robotergelenk herzustellen. Dieses Teil kann eine Genauigkeit von bis zu 0,02 mm bieten.

Bei medizinischen Implantaten polieren die Hersteller Kobalt-Chrom-Knieprothesen auf Ra 0,4 µm. Das ermöglicht eine reibungslose Bewegung.

Turbinenschaufeln aus Titan für die Luft- und Raumfahrt halten bis zu 800 °C stand. Diese Teile werden mit 5-Achsen-CNC-Fräsen mit einer Präzision von 0,01 mm hergestellt.

Arten von CNC-Maschinen und Fähigkeiten

3-Achsen-CNC-Fräsen

Es enthält drei primäre Achsen (X, Y, Z). Sie bewegt sich von links nach rechts, von vorne nach hinten und von oben nach unten. Trotz seiner begrenzten Bewegungsmöglichkeiten kann er Teile von etwa 600 mm Länge bearbeiten. Mit 3 Achsen lassen sich 3D-Formen für Teile wie Getriebe mit einer Genauigkeit von ±0,05 mm herstellen.

5-Achsen-CNC-Fräsen

Diese Maschine kippt und rotiert Werkzeuge. Diese Werkzeuge können sehr schwierige Formen (z. B. Turbinenschaufeln) in einer Aufspannung schneiden. Sie können Teile mit einer Genauigkeit von ±0,02 mm herstellen.

CNC-Drehmaschinen

Diese Art von CNC-Maschine ist auf runde Teile spezialisiert. Sie kann Materialien mit einer Breite von bis zu 300 mm greifen. Mit ihr können Sie Gewinde mit einer Feinheit von 0,5 mm schneiden.

Werkzeugbau in der CNC-Bearbeitung

Die Hersteller stellen CNC-Schneidwerkzeuge her, in der Regel aus Hartmetall (200-400 Minuten Standzeit). Das Material des anderen Werkzeugs kann Schnellarbeitsstahl (HSS, 100-200 Minuten) oder Keramik (für hohe Hitze) sein.

Außerdem können Sie die Lebensdauer dieser Werkzeuge verlängern, indem Sie verschiedene Beschichtungen verwenden wie Titannitrid (TiN). Beschichtungsschichten machen das Werkzeug 50% schneller, und lassen Sie es nicht verschleißen. Zum Beispiel sind beschichtete Bohrer in der Lage, 500 Löcher in rostfreiem Stahl bei 0,2 mm pro Umdrehung zu machen.

Die Werkzeughalter arbeiten mit hydraulischer Kraft (bis zu 200 bar). Diese Kraft spannt die Werkzeuge fest ein und minimiert so die Vibrationen beim Schneiden.

Materialien für die CNC-Bearbeitung

Beschränkungen der CNC-Bearbeitung:

• Bei der CNC-Bearbeitung wird das Material langsam abgetragen.
• Die Vorschubgeschwindigkeiten liegen typischerweise zwischen 0,1 und 0,5 mm/Zahn, was bei großen Aufträgen unwirtschaftlich ist.
• Das Schneiden von Materialien mit hoher Geschwindigkeit verursacht Werkzeugverschleiß.
• Die Herstellung komplexer Geometrien mit tiefen Merkmalen (z. B. Tiefe/Breite-Verhältnis >5:1) kann für CNC eine Herausforderung darstellen.

Vergleich von Druckgießen und CNC-Bearbeitung

1. Vergleich der Materialeigenschaften

Wie wir festgestellt haben, werden sowohl bei der Druckgusstechnik als auch bei der CNC-Technik unterschiedliche Materialien verwendet. Das bedeutet, dass sie einzigartige Eigenschaften haben. Eine gängige Druckgusslegierung ist zum Beispiel Aluminium A380. Diese Legierung hat eine Zugfestigkeit von etwa 310 MPa und eine Streckgrenze von bis zu 159 MPa.

Auch für CNC-Maschinen wird Aluminium 6061 verwendet. Dieses bietet eine Zugfestigkeit von 310 MPa und eine Streckgrenze von 276 MPa.

2. Vergleich der Toleranzen

Bei kleinen Teilen, die im Druckgussverfahren hergestellt werden, sind Toleranzen von 0,004 Zoll (0,1 mm) möglich. Durch Materialschrumpfung und Kühleffekte erhöhen sich die Toleranzen jedoch mit der Teilegröße.

Im Gegensatz dazu bietet die CNC-Bearbeitung sehr enge Toleranzen, die oft unter 0,025 mm (0,001 Zoll) liegen. Das bedeutet, dass sie gut funktionieren kann, wenn man sich streng an ein Muster hält.

Um genaue Ergebnisse zu erzielen, sind jedoch höhere Kosten erforderlich. Wenn Sie eine Toleranz von 0,075 mm (0,003 Zoll) erreichen wollen, kann dies 100 Stück kosten. Bei einer Toleranz von 0,012 mm (0,0005 Zoll) können sich die Kosten dagegen verdreifachen. Dies liegt an der längeren Bearbeitungszeit, dem Werkzeugverschleiß und den Qualitätskontrollmaßnahmen.

3. Kostenanalyse

Das Druckgießen umfasst die Erstausstattung und die Werkzeugherstellung. Aus diesem Grund kostet es etwa $5.000-$50.000. Bei einem Großauftrag werden jedoch die Kosten pro Stück ($1-$5 pro Teil) reduziert.

Bei der CNC-Bearbeitung fallen keine Werkzeugkosten an. Die Produktionskosten hängen von der Materialauswahl und dem Komplexitätsgrad des Designs ab.

4. Vergleich der Vorlaufzeiten

Das Einrichten der Werkzeuge für den Druckguss dauert 4-8 Wochen, bevor der Prozess eingeleitet wird. Sobald diese Werkzeuge jedoch fertig sind, können sie schnell große Serien produzieren.

Bei der CNC-Bearbeitung gibt es keine Verzögerung bei der Werkzeugherstellung. Mit diesem Verfahren können Prototypen innerhalb von 1-3 Tagen hergestellt werden. Außerdem dauert die Serienfertigung je nach Komplexität des Designs 5-10 Tage.

5. Teil Komplexität

Druckguss kann einfache bis mittelkomplexe Designs verarbeiten. Es eignet sich für dünne Wände und integrierte Merkmale wie Rippen. Bei tiefen Schnitten, scharfen Innenecken und langgestreckten Teilen hat dieses Verfahren seine Schwierigkeiten.

CNC-Maschinen können tiefere Designs und komplexe Geometrien bearbeiten. Dieses Verfahren ist langsamer, weshalb es die Kosten für große Serien erhöht.

6. Vergleich der Umweltauswirkungen

Beim Gießen fällt weniger Materialabfall an, aber das Restmaterial ist nicht immer 100% recycelbar. Das liegt an der Oxidation und an Verunreinigungen. Außerdem verbraucht die Herstellung von Formen viel Energie.

Bei der CNC-Bearbeitung fällt mehr Ausschuss an. Insbesondere können Sie Metallspäne wiederverwenden. Allerdings belastet das Kühlmittel die Umwelt. Dies kann durch moderne Filtersysteme auf bis zu 50% reduziert werden.

Entscheidungsmatrix für die Wahl des richtigen Verfahrens

Konstruktionsüberlegungen für Druckguss und CNC-Bearbeitung

Konstruktionsregeln für das Druckgießen

Druckguss braucht Entformungsschrägen. Diese Winkel machen den Ausstoßvorgang reibungsloser. Sie können den Entformungswinkel mithilfe von Formeln berechnen.

In die Formeln fließen legierungsspezifische Konstanten ein, in der Regel 1°-3° pro Seite. Ihre Berechnung wird auch durch den Werkstoff und die Komplexität des Teils beeinflusst.

Darüber hinaus kann auch die Wandstärke variieren. So kann beispielsweise Aluminium 1-1,5 mm und Zink 0,5-1 mm dick verwendet werden. Die Dicke bestätigt den ordnungsgemäßen Fluss und weist Defekte ab.

Außerdem besteht die Hauptaufgabe von Verrundungen und Radien darin, Spannungskonzentrationen zu verringern und die Lebensdauer der Form zu erhöhen.

Konstruktionsüberlegungen für die CNC-Bearbeitung

Im Allgemeinen benötigen CNC-Bearbeitungskonstruktionen keine Entformungsschrägen. Sie können scharfe Innenecken und vertikale Wände herstellen. Ihre Designoptionen können T-Nuten, Schwalbenschwänze und tiefe Taschen umfassen. Diese enthalten ein größeres Verhältnis von Tiefe zu Breite.

Berücksichtigen Sie den Zugang zu den Werkzeugen, denn tiefe Kavitäten benötigen längere Werkzeuge. Das kann auch die Vibrationen erhöhen und keine genauen Ergebnisse liefern. Darüber hinaus unterstützt die Aufspannung die Stabilität während der Bearbeitung.

Einsatz von Simulationssoftware

Sie können Simulationswerkzeuge verwenden, um die Leistung des Entwurfs weiter zu verbessern. Mit diesen Werkzeugen lassen sich Druckgussformen und CNC-Werkzeugwege so funktional wie möglich gestalten. Sie helfen auch bei der Erkennung von Fehlern wie Porosität beim Druckguss und Rattermarken bei der Bearbeitung.

Zusammenarbeit zwischen Designern und Ingenieuren

Versuchen Sie, frühzeitig mit den Konstrukteuren zu kommunizieren. Bestätigen Sie Ihre Anforderungen, um kostengünstige und herstellbare Teile zu produzieren. Dieser Schritt verhindert auch zahlreiche Änderungen und Produktionsprobleme.

Schlussfolgerung:

Das Druckgussverfahren eignet sich gut für die Großproduktion. Sie stellt Teile schneller und mit geringer Geschwindigkeit her, ist aber für präzise Ergebnisse nicht effizient. Bei der CNC-Bearbeitung hingegen werden mehrere Werkstoffe verwendet und eine hohe Genauigkeit erzielt. Allerdings ist diese Technik langsam und kostspielig.

Beide Verfahren haben unterschiedliche Vor- und Nachteile. Die Auswahl hängt ganz davon ab, welche Arten von Materialien oder Produkten Sie herstellen.