Warmkammer- und Kaltkammerdruckguss sind beides Metallgussverfahren. Sie funktionieren jedoch auf unterschiedliche Weise. Beim Warmkammerdruckguss wird ein eingebauter Ofen verwendet. Er arbeitet schneller und stellt Teile aus niedrig schmelzenden Metallen wie Zink her. Beim Kaltkammerdruckguss hingegen wird das Metall in einem separaten Ofen geschmolzen. Hier können Teile aus Metallen mit mittlerem bis höherem Schmelzpunkt wie Aluminium hergestellt werden, aber es geht nicht so schnell.

Die Auswahlentscheidung hängt von den Metallarten und der Komplexität des Teils ab. Lesen Sie diesen Artikel, um die verschiedenen Aspekte, Legierungen, Anwendungen und Verfahren zu entdecken.

Warmkammer-Druckgießen

Das Verfahren wird als Warmkammern bezeichnet, weil das Einspritzsystem (Schwanenhalssystem und Kolben) in das geschmolzene Metall in einem Ofen eingetaucht wird. Es arbeitet schneller und verwendet eine automatisierte Technik zur Herstellung von Metallteilen.

Der Hersteller presst geschmolzenes Metall unter hohem Druck in eine wiederverwendbare Stahlform. Als Metalle werden in erster Linie Zink-, Zinn- und Bleilegierungen verwendet. Dieses Verfahren arbeitet mit Metallen mit niedrigerem Schmelzpunkt (unter 450 °C), um Schäden am Einspritzsystem zu vermeiden. Bleilegierungen sind jedoch in vielen Branchen aufgrund ihrer Toxizität verboten.

Metall-Injektion: Das Schwanenhals-System

Die Schwanenhalssysteme im Warmkammer-Druckguss dienen dazu, geschmolzene Legierungen in den Formhohlraum zu pumpen. Er wird in einen Ofen eingetaucht, um den Metallfluss zu verbessern. Ein hydraulischer oder pneumatischer Kolben, der von Öl/Gas mit 7-15 MPa / 1.000-2.200 psi angetrieben wird, drückt das Metall in die Form und den Schwanenhals hinauf. Diese Konstruktion ist ideal für die Massenproduktion und ermöglicht 2-5 Einspritzungen pro Minute.

Zentrale Herausforderungen:

Einige Verunreinigungen wie oxidiertes Metall können sich im Schwanenhals ansammeln und Krätze bilden. Sie blockieren den Durchfluss und beeinträchtigen so die Qualität der Teile. Daher müssen geeignete Reinigungssysteme dies verhindern.

Außerdem werden Kolben und Schwanenhals durch die ständige Einwirkung der geschmolzenen Legierung mit der Zeit beschädigt. Dies erfordert einen Austausch alle 50.000-100.000 Zyklen.

Werkstoffe und Langlebigkeit

Matrizen werden aus festeren und härteren Materialien wie Stahl (z. B. der Güteklasse H13) hergestellt. Diese Matrizen halten in der Regel hohem Druck und großer Hitze stand. Allerdings bilden sich im Inneren der Matrize winzige Risse, wenn die Hitze über 400 °C liegt und sie abkühlt. Jede Matrize kann 100.000-500.000 Zyklen überstehen, bevor sie repariert werden muss.

Die Kosten sind nach wie vor hoch und liegen zwischen $20.000 und $50.000 pro Chip. Dies wird jedoch erschwinglich, wenn es für die Massenproduktion verwendet wird. Regelmäßige Wartung, Beschichtungen und Temperaturmanagement erhöhen unweigerlich seine Lebensdauer.

Aufschlüsselung der Zykluszeit

• Füllen: Es dauert 0,1-0,5 Sekunden, bis das geschmolzene Metall in die Form eingefüllt ist. Die Geschwindigkeit hängt in der Regel von der Kolbenkraft und der Metallviskosität ab.
• Erstarrung: Das geschmolzene Metall kühlt ab und härtet in 2-10 Sekunden aus. Dickere Teile brauchen länger, während dünnwandige Teile (z. B. 1-3 mm) früh genug abkühlen.
• Auswerfen: Auswerferstifte erleichtern diesen Vorgang, indem sie das Teil in 1-3 Sekunden entfernen. Außerdem wird durch die Verwendung von Schmiermittelspray auf der Matrize (z. B. Graphit) ein Verkleben vermieden.

Temperaturkontrolle

Um eine gleichbleibende Gussqualität zu erzielen, ist die Wahl einer präzisen Temperatur wichtig. Deshalb hält der Ofen das geschmolzene Zink bei 410-430°C (770-806°F). Das bedeutet, dass Temperaturschwankungen von nur 10 °C zu Defekten führen können.

Während des Gießens heizen elektrische Widerstandsheizungen oder Gasbrenner den Ofen auf. Währenddessen überwachen Thermoelemente die Temperatur während der gesamten Zeit. Der Grund dafür ist, dass eine schlechte Steuerung (zu heiß) das Metall zersetzt und zu kalt Krätze verursacht. Ebenso füllt eine vorzeitige Erstarrung keine Lücken oder verursacht Risse.

Auswurfsystem

Das Teil kann entnommen werden, wenn das Metall vollständig fest ist. Die Hersteller öffnen die Matrize mit Auswerferstiften, die das Teil herausdrücken.

Zusätzlich, hydraulische Antriebe kontrollieren die Kraft und vermeiden Schäden. Die abgewinkelten Stifte lösen komplexe Formen sanft aus. Sie können auch einen Schmiermittelnebel verwenden, um die Matrize zu kühlen und ein Verkleben zu verhindern. All dies bedeutet, dass gut funktionierende Auswerfersysteme hocheffizient arbeiten.

Vorteile

• Dieses Verfahren ist 3-4 mal schneller als der Kaltkammerdruckguss.
• Eingebaute Öfen verbrauchen 20-30% weniger Energie als solche, die Metall separat schmelzen.
• Sie fertigt Teile mit engen Toleranzen (±0,1 mm) und glatten Oberflächen.
• Das Warmkammergießen ist ideal für die Massenproduktion (über 10.000 Teile).
• Es wird häufig in Automobilscharnieren oder Elektronikgehäusen verwendet.

Benachteiligungen

• Diese Technik ist nicht geeignet für Aluminium oder Magnesium-Druckguss. Denn sie haben einen höheren Schmelzpunkt, der den Schwanenhals beschädigen würde.
• Die Temperaturabweichung durch häufiges Wechseln belastet den Schwanenhals, was zu Rissen führt.
• Erfordert das Abschöpfen von Verunreinigungen, um Krätze zu vermeiden.

Kaltkammer-Druckgießen

Der Kaltkammerguss ist nicht wie der Warmkammerguss mit einem separaten Ofen zum Schmelzen des Metalls ausgestattet. Stattdessen schieben die Hersteller das geschmolzene Metall durch eine Pfanne in die Gießhülse. Dort wird es durch einen hydraulischen Kolben in den Formhohlraum gepresst. Der übrige Prozess ist nahezu identisch. Dieses Verfahren funktioniert gut bei mittleren bis hohen Schmelztemperaturen von Metallen wie Aluminium, Magnesium und Kupferlegierungen.

Metallbeschickung und -einspritzung

Sie können das erhitzte Metall entweder mit einer manuellen oder automatischen Schöpfkelle in die Maschine befördern.

• Das manuelle Schöpfen ist langsamer und nicht sehr gleichmäßig. Es wird verwendet, um geschmolzenes Metall in die Gießhülse zu gießen. Dies führt zu Schwankungen in der Teilequalität.
• Automatisches Schöpfen bezieht sich auf einen Roboterarm. Dieser misst das erhitzte Metall genau ab und fügt es ein. Er füllt die Lücken ordnungsgemäß und reduziert menschliche Fehler. Dieser Prozess trägt zur Verbesserung der Produktionsraten um 10-20% bei. Außerdem werden Fehler wie Lufteinschlüsse und unvollständige Füllungen beseitigt.

Schusshülse und Stößel

Kurze Hülsen sind Teil von Einspritzsystemen. Dies ist der Punkt, von dem aus geschmolzenes Metall gegossen wird, bevor es in die Form gespritzt wird. Die Hersteller verwenden härtere Materialien wie Stahl, damit sie hohen Temperaturen und Drücken standhalten können.

Der Presskolben ist wie eine Stange, die von einem Hydraulikzylinder angetrieben wird. Er drückt die geschmolzene Legierung in die Form. Normalerweise gibt es zwei Arten von Kolben: flache und konische.

Ein flacher Stößel eignet sich für einfachere Teile mit konstanter Wandstärke. In der Zwischenzeit sind konische Kolben für schwierige Konstruktionen nützlich, um Turbulenzen und Lufteinschlüsse zu verhindern.

Werkstoffe

Grundsätzlich enthalten Kaltkammerformen gehärteten Werkzeugstahl wie H13 oder H11. Dieses Material weist bereits ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Verschleißfestigkeit auf. Daher kann es hohe Hitze (bis zu 700 °C) und hohe Einspritzdrücke aushalten, ohne sich zu verformen.

Es gibt jedoch einige Herausforderungen, denen sich das Werkzeug stellen muss. Zum Beispiel verursachen Wärmekontrollen durch ständige Hitze und Abkühlung Risse in der Oberfläche. Gleichzeitig führt die Erosion von Hochtemperaturlegierungen zu allmählichem Verschleiß.

Versuchen Sie daher, sich auf regelmäßige Wartung, Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen (Nitrieren oder PVD) zu konzentrieren. Diese können die Lebensdauer der Matrize verlängern und auch die Leistung verbessern.

Kühlungskanäle

Die Ingenieure integrieren Kühlkanäle strategisch in die Form. Denn diese Kanäle regulieren den Erstarrungsprozess und verringern die Zykluszeiten. Wenn sie in der Nähe von Bereichen mit hoher Hitze platziert werden, kann eine konstante Kühlung erreicht werden. Dadurch kommt es nicht zu Verzug, Schrumpfung oder inneren Rissen.

Anguss- und Angusskanalsystem

Diese Komponenten der Kaltkammermaschine tragen dazu bei, die erhitzte Legierung aus der Gießhülse in den Formhohlraum zu leiten.

Das Angussteil ist in der Regel ein Eintrittspunkt, von dem aus die Angusskanäle das Metall ableiten. Gestalten Sie sie entsprechend, um größere Defekte wie Lufteinschlüsse und Strömungshindernisse zu vermeiden.

Auswurfsystem

In der Phase, in der die erstarrten Gussteile ohne Beschädigung aus der Form entfernt werden, sorgen Auswerfersysteme für einen reibungslosen Ablauf. Diese Systeme umfassen die Verwendung von Auswerferstiften, Schmiermittelspray, hydraulischen Aktuatoren und Auswerferkästen, die heißen Kammern ähneln.

Dabei kühlt das Teil ab, die Matrize öffnet sich, aktiviert den Auswerferkasten und die Auswerferstifte drücken das Gussteil heraus.

Vorteile

• Es kann eine breitere Palette von Legierungen wie Aluminium, Magnesium und Kupfer gießen.
• Es gibt weniger thermische Schocks, da die Spritzhülse und der Kolben nicht ständig mit geschmolzenem Metall konfrontiert sind, was den Verschleiß reduziert.
• Es kann sehr scharfe, detaillierte Teile mit dünnen Wänden herstellen.

Benachteiligungen

• Es ist langsamer als das Warmkammerverfahren und dauert 20-60 Sekunden pro Teil.
• Aufgrund der höheren Temperaturen und des höheren Drucks benötigt sie mehr Energie und Wartung. Das macht sie kostspielig.
• Der Einsatz von manuellem Schöpfen und die Wartung der Matrize erhöhen häufig den Arbeitsbedarf.

Vergleich von Warmkammer- und Kaltkammerdruckguss

Fallstudien

Die Hersteller verwenden für die Herstellung von Schnallen und Verschlüssen aus Zinklegierungen in der Regel das Warmkammer-Druckgussverfahren. Sie verwenden diese Technik, weil sie für die Herstellung kleiner Teile und die Massenproduktion geeignet ist.

Im Gegensatz zu Kaltkammerwerkzeugen werden beim Gießen Motorblöcke aus Aluminium hergestellt. Dieses Teil ist sehr groß, hat eine komplexe Geometrie und benötigt eine hohe Festigkeit. Deshalb ist das Kaltkammergießen am besten geeignet.

Anwendungen und Branchen

Automobilindustrie:

Die Automobilindustrie verwendet Warmkammern zur Herstellung von Teilen aus Zinklegierungen wie Sicherheitsgurte, Scheibenwischerteile und Gehäuse für Autoradios. Die beeindruckenden Eigenschaften von Zink verleihen ihnen glatte Oberflächen und eine hohe Haltbarkeit.

Umgekehrt hilft der Kaltkammerdruckguss bei der Herstellung von Motorhalterungen, Motorraumkomponenten und Beleuchtungsteilen aus Aluminium. Der Grund dafür ist, dass sich damit schwierige Konstruktionen mit hoher Festigkeit herstellen lassen.

Luft- und Raumfahrt:

Der Warmkammer-Druckguss wird nur selten für Teile der Luft- und Raumfahrt verwendet. Das liegt daran, dass das Gussmetall (Zink, Magnesium) einen niedrigeren Schmelzpunkt hat. Das heißt aber nicht, dass dieses Verfahren in dieser Branche nicht verwendet werden kann. Viele kleine Magnesiumteile für die Luft- und Raumfahrt, wie Halterungen, Gehäuse und Verbindungsstücke, werden damit hergestellt. Das sorgt für leichte Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit.

In Flugzeugen werden jedoch Kaltkammer-Druckgussteile aus Magnesiumlegierungen verwendet. Zum Beispiel für Sitzrahmen und Kabinenteile. Diese Teile sind leichter und fester.

Konsumgüter:

Die Hersteller stellen im Warmkammerdruckgussverfahren Produkte her, die in der Mode und bei Accessoires beliebt sind. Zum Beispiel Schnallen aus Zinklegierung, Reißverschlüsse und Zierleisten.

Elektronikgehäuse und Kühlkörper aus Aluminium sind in der Unterhaltungselektronik weit verbreitet. Sie werden in einem Kaltkammerverfahren hergestellt.

Aufkommende Anwendungen

Elektrofahrzeuge (EVs):

Druckguss wird zunehmend zur Herstellung von leichten Batteriegehäusen und Strukturkomponenten für Elektrofahrzeuge eingesetzt.

Die steigende Nachfrage nach leichten Teilen für Elektrofahrzeuge ist der Grund für die breite Anwendung der Druckgusstechnik. Mit diesem Verfahren werden Batteriegehäuse und strukturelle Komponenten hergestellt, die weniger Gewicht als der Durchschnitt aufweisen und stabiler sind.

5G-Technologie:

Aluminium- und Magnesiumdruckguss sind inzwischen zu wichtigen Komponenten für die 5G-Infrastruktur geworden. Zum Beispiel für Antennengehäuse und Wärmemanagementsysteme.

Schlussfolgerung

Der Warmkammerdruckguss arbeitet schnell und ist eine kostengünstige Option. Er eignet sich für Metalle mit niedrigerem Schmelzpunkt wie Zink. Andererseits verbraucht der Kaltkammerdruckguss mehr Energie, da die Legierung separat geschmolzen wird. Dieses Verfahren ist jedoch effizient für zähe und hochschmelzende Materialien wie Aluminium, Kupfer usw. Achten Sie bei der Auswahl auf die Eignung des Metalls, die Komplexität der Konstruktion und das Produktionsvolumen. Auf diese Weise erhalten Sie die gewünschten Ergebnisse.