Konstruktion eines 1-fach-Druckgießwerkzeuges im System Pro/E für das Bauteil Ventilkörper

Inhaltsverzeichnis

1 Vorwort

2 Aufgabe
2.1 Allgemeines Ziel des Diplomsemesters
2.2 Konkrete Aufgabenstellung

3 Einleitung
3.1 Firmenchronik
3.2 Tätigkeitsfeld

4 Die Fertigung
4.1 Wareneingang / Materialzuschnitt
4.2 Vorfräsen / Vordrehen
4.3 Tieflochbohren
4.4 CNC-Fräsen
4.5 Wärmebehandlung
4.6 Drehen / Plan- bzw. Rundschleifen
4.7 HSC-Fräsen
4.8 Erosion (Draht- und Senkerosion)
4.9 Endmontage
4.10 Gießerei
4.11 Messtechnik & Qualitätssicherung

5 Druckgießen
5.1 Geschichte des Druckgießens
5.2 Das Verfahren
5.2.1 Grundsätzlicher Verfahrensablauf beim Urformen:
5.2.2 Kennzeichen des Druckgießens:
5.2.3 Die Gießbedingungen
5.3 Hauptunterscheidung
5.3.1 Das Warmkammer-Verfahren
5.3.2 Das Kaltkammer-Verfahren
5.4 Ablauf des Gießprozesses
5.5 Die 3 Phasen der Formfüllung im Kaltkammer-Verfahren
5.5.1 Phase 1: Die Vorfüllphase
5.5.2 Phase 2: Die Formfüllphase
5.5.3 Phase 3: Die Nachdruckphase
5.6 Einflüsse und Auswirkungen beim Gießprozess
5.7 Kraft in Tonnen?
5.8 Warum Druckgießen?
5.9 Anwendungsbeispiele für Aluminium-Druckgussteile
5.10 Aufbau einer Druckgießmaschine nach DIN 24480
5.10.1 Die Gießeinheit
5.10.2 Die Formschließeinheit
5.10.3 Die Auswerfereinheit
5.10.4 Die Kernzugeinheit
5.10.5 Maschinenantrieb und –Steuerung
5.11 Dosierung und Einfüllen der Schmelze
5.12 Gussteilentnahme

6 Der Stahl
6.1 Legierungselemente in Stählen und deren Auswirkungen
6.1.1 Stahlschädlinge
6.2 Stähle für den Formenbau im Bereich Druckguss

7 Druckgusslegierungen
7.1 Einfluss der Legierungselemente auf die Bauteileigenschaften

8 Das Gestalten von Gussstücken
8.1 Bedeutung
8.2 Grundsätze
8.3 Gussstück-Gestaltungsrichtlinien im Detail
8.3.1 Hinterschnitte
8.3.2 Ausformschrägen
8.4 Maßtoleranz der Formkontur

9 Das Druckgießwerkzeug
9.1 Die feste Werkzeughälfte (Düsenseite)
9.2 Die bewegliche Werkzeughälfte (Auswerferseite)
9.3 Verwendung von Kernen
9.4 Auswerferpaket
9.5 Formheizung und -kühlung
9.6 Der feine Unterschied
9.6.1 Fachzahl
9.6.2 Schieber
9.6.3 Führungen
9.6.4 Endzentrierung zur Aufnahme von Querkräften
9.6.5 Entlüftung
9.7 Allgemeine Vorgaben
9.7.1 Die Formteilung
9.7.2 Das Gießsystem
9.7.3 Oberfläche und Kontur
9.7.4 Formbefestigung auf der Maschine
9.7.5 Transportgewinde
9.7.6 Demontagegewinde
9.7.7 Prüfzeugnisse
9.7.8 Werkzeugfreigabe
9.8 Werkzeugschäden und ihre Ursachen

10 Grundsätze zur Auslegung einer Druckgießform
10.1 Sprengkraft, Schließkraft und maximaler Nachdruck
10.2 Berechnung des benötigten Anschnittquerschnittes
10.3 Gießtechnische Berechnungen
10.4 Auslegung von Entlüftung und Überläufen
10.5 Ermittlung der notwendigen Plattenstärke
10.5.1 Berechnungsmodell nach Dr.-Ing. G. Georgi
10.5.2 Überlagerungsverfahren nach Prof. G. Menges
10.6 Auslegung der Temperierung
10.7 Kenngrößen und Berechnungsgrundlagen
10.7.1 Zugeführte Wärme durch die Schmelze
10.7.2 Abgeführte Wärme
10.7.3 Temperaturbilanz
10.8 Die Gießkanalgestaltung
10.8.1 Der Anschnitt an den Artikel

11 Das Projekt „Ventilkörper – 0158A“
11.1 Der Artikel 0158A
11.1.1 Artikelaufbereitung
11.1.2 Einformung des Teils, Positionierung und Position des Anschnitts
11.1.3 Positionierung der festen und beweglichen Kerne
11.1.4 Ableitung der Formeinsätze
11.1.5 Schiebergestaltung
11.1.6 Hauptanguss und Gießlauf
11.1.7 Die Angusskonstruktion
11.1.8 Die Formentlüftung
11.1.9 Das Auswerferpaket
11.1.10 Formheizung und –kühlung
11.1.11 Werkzeugführung
11.2 Berechnungen
11.2.1 Berechnung der benötigten Schließkraft
11.2.2 Berechnung des Anschnittquerschnittes
11.2.3 Gießkammerberechnung
11.2.4 Ermittlung des Füllgrades
11.2.5 Auslegung der Formentlüftung
11.3 Überprüfung der Durchbiegung des Formrahmens AS
11.4 Werkstoffe nach Kundenwunsch
11.5 Zielsetzung, Schwierigkeiten und Lösungen zum Formeinsatz AS
11.6 Alternativer Warmarbeitsstahl
11.6.1 Sonderstähle
11.6.2 Werkstoffauswahl unter Berücksichtigung der Herstellungsverfahren
11.6.3 Hilfestellung aus der freien Wirtschaft
11.6.4 Fazit der Werkstoffanalyse
11.6.5 Überzeugungsarbeit am Kunden
11.7 Maschinenauswahl

12 Fazit

13 Fachbegriffe

14 Literatur:

14.1 Onlinequellen

Abbildung 1: Fa. Modell Technik, Westansicht

Abbildung 2: Tieflochbohrwerk, Vorsatz mit Kühlmittelförderung im Einsatz

Abbildung 3: 5-Achs-Fräsmaschine / CNC-Fräsmaschine

Abbildung 4: hauseigener Anlassofen

Abbildung 5: Nachfräsen (Hartfräsen) d. wärmebehandelten Formeinsätze

Abbildung 6: Senkerosion, Erodieranlage mit Revolverwechsler

Abbildung 7: Einbau eines Formeinsatzes, Strichpolieren der Form

Abbildung 8: DCM 2300 mit geöffn. Werkzeug, Schmelzebefüllung durch Handling

Abbildung 9: 3D-Koordinatenmessmaschine

Abbildung 10: Schema Warmkammer-Verfahren

Abbildung 11: Schema Kaltkammer-Verfahren

Abbildung 12: grundsätzlicher Gießprozessverlauf

Abbildung 13: Gießprozesse, optimierte Gießkolbenvorschub

Abbildung 14: Phase 1 - Vorfüllphase

Abbildung 15: Temperaturerhöhung am Ende der Formfüllung

Abbildung 16: Phase 2 - Formfüllphase

Abbildung 17: Phase 3 - Nachdruckphase

Abbildung 18: Haupteinflussgrößen auf die Gussteilqualität

Abbildung 19: Gießfehler und ihre möglichen Ursachen

Abbildung 20: Schließkraftermittlung in Abh. v. Gießdruck u. projizierter Fläche

Abbildung 21: versch. Gussstücke mit gleicher Sprengfläche

Abbildung 22: Einlegeteile (Rohre) und ihre Verwendung in einem Getriebegehäuse

Abbildung 23: Halter, Zylinderkopf

Abbildung 24: Einspritzeinheit (Motorrad)

Abbildung 25: Getriebegehäuse; Lenkgetriebe, Schaltgetriebe

Abbildung 26: Druckgießmaschine nach DIN 24480

Abbildung 27: Druckgießmaschine der Firma Müller-Weingarten

Abbildung 28: kraftschlüssige u. formschlüssige Zuhaltung

Abbildung 29: kraftschlüssige Zuhaltung der DCM2300 (Schließkraft: 2300t)

Abbildung 30: Steuerpult und Steuerungsschema eines Gießantriebs

Abbildung 31: Einfüllen v. Hand in horizontale u. vertikale Gießkammer

Abbildung 32: Schöpfroboter

Abbildung 33: Gießzelle m. Entnahmeroboter, Kühlstation u. Entgratpresse

Abbildung 34: möglicher Gießzellenaufbau für automatisierte Serienproduktion

Abbildung 35: 5-Jahres-Chart d. Preisentwicklung v. Rohstahlzertifikaten

Abbildung 36: häufig verwendete Legierungen / Auszug DIN 1725

Abbildung 37: Veranschaulichung wichtiger Gestaltungsrichtlinien

Abbildung 38: prinzipieller Aufbau einer Druckgussform

Abbildung 39: Aufbauschema am Bsp. der Konstruktion aus meinem Praxissemesters

Abbildung 40: Kühlungsbeispiel im Amboss und in einem mech. bewegten Schieber

Abbildung 41: düsenseitige Verschlauchung

Abbildung 42: auswerferseitige Verschlauchung

Abbildung 43: CAD-Modell des selben Werkzeugs

Abbildung 44: Formnester in 4-fach-Anordnung und dazu gehörender Schuss

Abbildung 45: 2-fach-Werkzeug mit Schuss (inkl. Überlaufbohnen u. Pressrest)

Abbildung 46: Schieberbewegung mittels Schrägsäule

Abbildung 47: komplexe Anwendung von 6 hydr. Kernzügen für einen Zylinderkopf

Abbildung 48: Rundsäule mit Führungsbuchse und Flachführung

Abbildung 49: Querkraftkompensation durch Passrollen o. abgesetzte Teilungsfläche

Abbildung 50: Entlüftung mittels Luftbänder und Wellenentlüfter

Abbildung 51: Luftbohne mit Luftband u. Entlüftungsmöglichkeiten

Abbildung 52: Verschraubung mittels Nut – T-Stück – Prinzip

Abbildung 53: hydraulisches Schnellspannsystem

Abbildung 54: Werkzeugausführung passend für 2 Druckgussmaschinentypen

Abbildung 55: Ringschraube und kugelgelagerter Anschlagwirbel

Abbildung 57: druckgusstypische Verschleißmechanismen

Abbildung 58: Übertragung von Rissen vom Werkzeug auf das Gussteil (REM)

Abbildung 59: Einfluss des Schiebers auf die Sprengfläche

Abbildung 60: schematische Darst. d. Durchbiegungsentstehung

Abbildung 61: typischer Wärmehaushalt einer Druckgussform

Abbildung 62: Beruhigungsstrecken nach Kanalkrümmungen

Abbildung 63: Anschnittgeschw. bei dickwandigen u. dünnen Teilen

Abbildung 64: Gussteil "Ventilkörper" (gerendertes CAD-Modell)

Abbildung 65: Formschrägenanalyse mit CAD-Software (SW 2007)

Abbildung 66: Optimierung in den Bereichen Radien und Trennung

Abbildung 67: Festlegung der Schiebermaße u. Harmonisieren der Trennungssprünge

Abbildung 68: Bestimmung v. Trennungsverlauf an v. Schieber gebildeter Kontur

Abbildung 69: vorgesehene Anschnitt- u. Schieberpositionen

Abbildung 70: Verlauf der Trennebene

Abbildung 71: Positionierung im Werkzeug

Abbildung 72: Position der festen und der beweglichen Kerne

Abbildung 73: hydraulische Schiebergausführung

Abbildung 74: abgesetzte Teilungsfläche am Schieberkörper

Abbildung 75: Amboss und Angusseinsatz auf der Auswerferseite

Abbildung 76: Baugruppe „Kühlring“ mit Angusseinsatz (DS)

Abbildung 77: Artikelquerschnitt u. Einspritzrichtung

Abbildung 78: Anschnittpositionen

Abbildung 79: Hauptänderungen am Anguss

Abbildung 80: Erkenntnisse der Strömungssimulation

Abbildung 81: Standardform einer Luftbohne m. Luftband

Abbildung 82: Wellenentlüfter AS mit Gussstück u. DS

Abbildung 83: Komplettschuss (gerendertes CAD-Modell)

Abbildung 84: Positionen der 41 Auswerfer

Abbildung 85: Aufbau m. Auswerferpaket

Abbildung 86: Kühlungsverlauf im Bereich der Gießkammer

Abbildung 87: Kanalverläufe im Formeinsatz AS und DS

Abbildung 88: Temperierung v. Rahmen u. Gießkammerbereich

Abbildung 89: Schnittdarstellung einer Führungssäule

Abbildung 90: Vernetzung des Versuchsmodells

Abbildung 91: ermittelte Gesamtverformung der Auswerferseite

Abbildung 92: Formhälften DS u. AS (gerendertes CAD-Modell)

Abbildung 93: kritische Bereiche am Formeinsatz (AS)

Abbildung 94: 10 Stk. Teileinsätze u. einzelner Teileinsatz

Abbildung 95: ESU- u. DESU-Schmelzofen

Abbildung 96: Vergleich VMR (VLBO) und ISOBLOCK (ESU)

Abbildung 97: Zähigkeit im Vergleich (Standard/ESU/VLBO)

Abbildung 98: Abmaße der Aufspannplatte

Abbildung 99: Abmaße der Druckgießmaschine

Abbildung 100: Datenblatt Druckgießmaschine Bühler 84D

1 Vorwort

Im Zuge meines Diplomsemesters der Fakultät Maschinenbau der Fachhochschule Schmalkalden, hatte ich die Möglichkeit in der Firma Modell Technik GmbH & Formenbau KG als Diplomand in der Konstruktionsabteilung tätig zu sein. Dies erfolgte in einem Zeitraum von 4 Monaten vom Mai bis August 2009.

Auf diesem Weg möchte ich mich bei der Firma Modell Technik GmbH & Co. Formenbau KG bedanken. Besonderer Dank gilt meinen Betreuern Dipl. Ing. Torsten Sommer (Konstrukteur), Dipl. Ing. Marco Kämmerer (Leiter Konstruktion & Entwicklung) und den Mitarbeitern aus dem Bereich der Arbeitsvorbereitung und der Fertigung, die mir im Bezug auf fertigungstechnische Möglichkeiten und konstruktive Verbesserungen bezüglich der Montage stets beratend zur Seite standen. Ebenfalls bedanken möchte ich mich bei der Fa. Georg Fischer, mit deren Zusammenarbeit es gelang, grundlegende werkstofftechnische Probleme zu erörtern und zu lösen. Außerdem, Dipl. Ing. Udo Killenberg (FH Schmalkalden, Konstruktion & Produktentwicklung), der mir besonders durch sein fundiertes Fachwissen aus dem Bereich des Formenbaus eine solide Basis für mein Praktikum und das darauf folgende Diplomsemester geschaffen hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Fa. Modell Technik, Westansicht

2 Aufgabe

2.1 Allgemeines Ziel des Diplomsemesters

- Anwendung der im Studium vermittelten Kenntnisse des Ingenieurwesens
- Erfassen von Problemen und Einbringen persönlicher Lösungsansätze
- Kennenlernen der Arbeitsweise in der freien Wirtschaft und Sammeln von Erfahrungen

2.2 Konkrete Aufgabenstellung

Für das Bauteil „Ventilkörper“ ist ein 1-fach-Druckgießwerkzeug im CAD-System Pro/Engineer-Wildfire 2 zu konstruieren. Dabei ist besonders auf die Auswahl eines verschleißfesten Werkstoffes für die Lamelleneinsätze einzugehen. Weiter muss die Konstruktion so ausgeführt werden, dass nach dem eventuellen Abbruch von Lamelleneinsätzen eine kostenoptimale Wartung möglich wird.

Außerdem soll mit dem entstehenden Schussverband aus der Konstruktion die geplante Investition zur Anschaffung einer Software zur gießtechnischen Simulation vorbereitet werden.

Das Diplomsemester dient in erster Linie dazu, den prinzipiellen Ablauf einer Werkzeugkonstruktion im Bereich des Formenbaus zu erfahren und anzuwenden. Ein effektives Arbeiten des Konstrukteurs ist natürlich nur möglich, wenn er mit den fertigungstechnischen Möglichkeiten des Unternehmens vertraut ist und diese in seiner Planung und Ausführung mit berücksichtigt. Demnach sollte das entstehende Werkzeug die eigenen Kapazitäten nicht überschreiten bzw. Abläufe die nicht im eigenen Hause erledigt werden können, minimiert werden. So lassen sich Probleme in der Fertigung und entstehende Zusatzkosten weitestgehend unterbinden. Eine Ausnahme hierbei bildet das Härten der Stähle. Diese Arbeit wurde anfangs zwar noch selbst durchgeführt, wurde aber aus rein wirtschaftlichen Gründen ausgelagert.

Wichtig ist natürlich, dass der Konstrukteur bei seiner Arbeit am Rechner nicht die Relationen zur wahren Größe des Produktes verliert. Schließlich werden bei der Fa. Modell Technik GmbH & Co. Formenbau KG größtenteils Werkzeuge mit Massen von über 10 Tonnen gefertigt. Entsprechend sind bereits in der Konstruktion Maßnahmen zu treffen, die nicht nur in der späteren Produktion, sondern auch in der hauseigenen Fertigung das Handling des Werkzeugs bzw. dessen Einzelteile gewährleisten. Selbiges gilt auch für Vorrichtungen und Möglichkeiten welche eine spätere Instandsetzung erleichtern. Da ich schon im Zuge meines 20-wöchigen Praktikums bei der Fa. Modell Technik allein 6 Wochen in der Fertigung tätig war, bekam ich einen guten Einblick in die Fertigungsprozesse des Formenbaus. In dieser Zeit habe ich den kompletten Fertigungsbereich durchlaufen und konnte so den gesamten Ablauf und die einzelnen Stationen besser kennen lernen. Im Prinzip verfolgte ich den Weg vom Rohmaterial bis zur Endmontage. Auf die einzelnen Fertigungsstationen werde ich im folgenden Kapitel noch kurz eingehen. Auf diesem Weg konnte ich Kontakte zu den Werkern der Fertigung knüpfen, Details bezüglich ihrer Tätigkeit und Hinweise welche die Ausführung der Konstruktion betreffen erfahren. Die letzten 3 Wochen meiner Zeit im Fertigungsbereich verbrachte ich damals in der Endmontage und habe dort sowohl bei der Montage neuer Werkzeuge, als auch beim Zerlegen bzw. Zusammenbau alter bzw. instandgesetzter Werkzeuge mitgewirkt. Die Rücksprache mit der Fertigung wird auch zukünftig von großer Bedeutung sein.

3 Einleitung

3.1 Firmenchronik

Das Unternehmen hat seinen Ursprung im Formenbausektor der Rheinmetall AG Sömmerda und produzierte bis 1991 die Werkzeuge für das Büromaschinenwerk Sömmerda. Die Firma wurde noch 1991 von der Leibfried-Mahle-Gruppe übernommen, bis sie sich schließlich 1994 als eigenständiges Unternehmen unter dem Namen Modell Technik ausgliederte. Seit dem wuchs das Unternehmen stetig an und verfügt heute über 2700m² Fertigungsfläche und ca. 1000m² Büro- und Geschäftsräume. Für das Jahr 2010 sind weitere 1300m² für die Fertigung geplant. Mit seinen derzeit ~110 Angestellten und einem Jahresumsatz von über 9 Mio. Euro (Tendenz steigend) stellt die Firma Modell Technik Sömmerda durchaus eine regionale Größe dar und produziert sowohl für Firmen im Inland, als auch für namhafte Hersteller im gesamten europäischen Ausland. Natürlich hat auch die Fa. Modell Technik herbe Einbrüche durch die weltweite Finanzkrise zu verzeichnen. Dennoch hält man an geplanten Zielen, wie dem Hallenneubau oder der Anschaffung einer Simulationssoftware fest. Seit Anfang 2009 ist das Unternehmen nach VDA 6.4 zertifiziert. Zu den Hauptauftraggebern zählt die Automobilindustrie. Die Firma Modell Technik Sömmerda ist ein mittelständiges Untenehmen mit langjährigen Traditionen auf dem Sektor des Formenbaus.

3.2 Tätigkeitsfeld

Die Modell Technik GmbH & Co. Formenbau KG ist spezialisiert auf die Fertigung von:

- Aluminium-Druckguss-Werkzeuge
- Prototypenwerkzeuge für Aluminium-Druckguss
- Gießen von Kleinserien
- Zink-Druckguss-Werkzeuge
- Entgratwerkzeuge

Das Unternehmen kann die Entwicklung, Konstruktion und Herstellung von komplexen und hochpräzisen Formwerkzeugen bis zu einem Gesamtgewicht von 43 Tonnen gewährleisten.

4 Die Fertigung

Wie bereits zuvor erwähnt, möchte ich dieses Kapitel nutzen, um näher auf die einzelnen Stationen der Fertigung einzugehen und einen Einblick in die Fertigungsmöglichkeiten der Modell Technik GmbH & Co. Formenbau KG zu gewähren. Das Unternehmen investiert viel Geld in die ständige Modernisierung seines Maschinenparks um am Markt stets konkurrenzfähig zu bleiben. Der folgende Abschnitt soll einen kurzen Überblick über die Fertigungsschritte geben, die zur Herstellung eines Druckgießwerkzeuges notwendig sind.

4.1 Wareneingang / Materialzuschnitt

Im Wareneingang lagert das Rohmaterial im Anlieferungszustand. In der Regel in Blöcken, Rundmaterial oder als Rohre. Außerdem befinden sich hier auch die Normteile. Dazu zählen Kerne, Auswerferstifte, Anschlussstücke, Temperierrohre, sowie Schrauben und Buchsen aller Art. Hier gehen aus der Arbeitsvorbereitung die Stücklisten ein. Nach diesen Listen werden so gleich von Anfang an jedem Auftrag die entsprechenden Normteile zugeteilt und das Rohmaterial grob zugeschnitten.

4.2 Vorfräsen / Vordrehen

Beim Vorfräsen bzw. Drehen werden die Rohteile auf ihre notwendigen Grundabmaße gebracht. Hier ist zu beachten, dass ein bestimmtes Aufmass erhalten bleiben muss. Dies ist zwingend notwendig, da das Material auf Grund seiner weiteren Bearbeitung und unter Umständen anfallender Wärmebehandlung durchaus Verzug erleiden kann. Auf diese Weise kann auch nach der abschließenden Hartbearbeitung die Maßhaltigkeit garantiert werden.

4.3 Tieflochbohren

Im Formenbau sind eine Vielzahl von Bohrungen notwendig. Sie dienen entweder für Verschraubungen bzw. je nach Position zum Kühlen oder Temperieren. Die Kühlung dient wie der Wortlaut schon erahnen lässt zum Abführen von Wärme. Dadurch kann sich das in die Form eingespritzte Aluminium schneller Verfestigen und der Artikel somit schneller entnommen werden, was in Zeiten hoher Fertigungsstückzahlen von großer Bedeutung ist. Im Gegensatz dazu dienen die Temperierbohrungen dazu bestimmte Bereiche wie zum Beispiel angussferne Bereiche oder schwer zugängliche Engstellen in der Form auf Temperatur zu halten, um den Materialfluss zu begünstigen. Dieser Gegensatz macht deutlich wie durchdacht Kühl- und Temperierkonzept sein müssen, um optimal zu funktionieren. Betrachtet man die Größe mancher Rahmen und Formeinsätze wird klar, dass teilweise sehr tiefe Bohrungen vorgenommen werden müssen, was sehr große Anforderungen an die Technik stellt. Mit den derzeitigen Gegebenheiten ist es möglich, Bohrungen bis zu einer Tiefe von ca.1100mm einzubringen. Bei solchen Bohrungen kommen in der Regel sogenannte Einlippenbohrer zum Einsatz. Sie werden in Verbindung mit einem Vorsatz, welcher zur Führung dient und gleichzeitig den Bohrer mit Kühlmittel versorgt, eingesetzt. Eine auffallende Besonderheit ist, dass solche Tieflochbohrungen in der Waagerechten erledigt werden können, da sich die Bohrer praktisch selbst zentrieren. Kleinere Bohrungen werden mittels Spiralbohrern (bei Bedarf mit Innenkühlung) erledigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Tieflochbohrwerk, Vorsatz mit Kühlmittelförderung im Einsatz

4.4 CNC-Fräsen

Hier werden die Teile ein weiteres Mal vorgefräst. Allerdings bekommen sie jetzt erstmalig ihre Kontur, Durchbrüche, Bohrungen etc., wobei aber ein gewisses Aufmass zurück bleibt. Dieser Arbeitsgang ist notwendig, da Formeinsätze, Verriegelungen usw. anschließend gehärtet werden. Zum einen erspart man durch das Vorfräsen eine Menge Zeit und Aufwand, weil eine Bearbeitung im bereits gehärteten Zustand ungleich schwieriger wäre. Zum anderen tritt im Material in der Regel ein Verzug durch die Wärmebehandlung auf der im Anschluss wieder nachgearbeitet werden muss.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: 5-Achs-Fräsmaschine bei Rahmenfertigung und CNC-Fräsmaschine beim Konturfräsen

4.5 Wärmebehandlung

Im Formenbau spielt die Wärmebehandlung einzelner Komponenten eine große Rolle, da diese in ihrer späteren Verwendung enorme Belastungen erfahren. Es werden also hohe Anforderungen an den Werkstoff gestellt. Zähigkeit und Härte sind hier von großer Bedeutung, jedoch bilden diese Eigenschaften gemeinsam einen Widerspruch in sich. Es gilt also einen optimalen Mix der Eigenschaften zu finden. Neben Zähigkeit und Härte sind Warmfestigkeit, Warmverschleißwiderstand und Temperaturwechselfestigkeit zu vereinende Materialeigenschaften. Wie bereits zuvor erwähnt, wird die Materialhärtung extern durch eine Härterei erledigt. Für das Anlassen oder Entspannen der Stähle steht ein eigener Anlassofen zur Verfügung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: hauseigener Anlassofen

4.6 Drehen / Plan- bzw. Rundschleifen

Um den Verzug durch die Wärmebehandlung wieder zu beseitigen werden die Teile anschließend gedreht bzw. geschliffen. Damit auch nach diesem Arbeitsgang die Maßhaltigkeit gewährleistet werden kann, wurde am Werkstück anfangs ein Aufmaß belassen. Mittels Plan- bzw. Rundschleifen werden auch noch während der Montage eventuelle Anpassungsarbeiten wie z.B. für Schieberverriegelungen vorgenommen. Die Bearbeitung erfolgt mit einer Genauigkeit von ca. 5/1000mm.

4.7 HSC-Fräsen

HSC steht für „High Speed Cutting“ und stellt im Prinzip die moderne Variante des CNC-Fräsens dar. Die Arbeitsgeschwindigkeit ist 5–10mal höher als beim konventionellen Fräsen. Hier werden die anfangs vorgefrästen Formkonturen in ihre endgültige Form gebracht. Die Bearbeitung bereits gehärteter Materialien stellt kein Problem dar, daher wird HSC-Fräsen im Allgemeinen auch als Hartfräsen bezeichnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Nachfräsen (Hartfräsen) d. wärmebehandelten Formeinsätze

4.8 Erosion (Draht- und Senkerosion)

Konturen die aus fertigungstechnischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht mit spanender Formgebung erzeugt werden können bzw. erzeugt werden sollen, werden funkenerosiv gefertigt. Es kann sowohl draht- als auch senkerodiert werden. Die für die Senkerosion verwendeten Elektroden werden in der Regel aus Graphit gefertigt. In Ausnahmefällen wird auch Kupfer als Elektrodenwerkstoff verwendet. Die Konstruktion und Fertigung der Elektroden wird ebenfalls im eigenen Haus erledigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Senkerosion, Erodieranlage mit Revolverwechsler

4.9 Endmontage

In der Endmontage kommen alle gefertigten Einzelteile und Normteile zusammen und werden entsprechend montiert. Bewegliche Teile werden auf Freigängigkeit geprüft und ggf. korrigiert. Ebenso wird auch das Verschlauchen bzw. Verrohren für die Temperierkreisläufe erledigt und selbige mit einem Prüfdruck von bis zu 30bar auf Dichtheit geprüft. Gefräste oder erodierte Formteile werden abschließend strichpoliert. Ist das Werkzeug vollständig montiert werden die Formeinsätze mit einer speziellen Paste (Tuschierpaste) versehen und das Werkzeug danach mehrfach zusammengefahren, das sogenannte Tuschieren. Anhand der dabei entstehenden Verfärbung u. Verteilung am Formteil können eventuelle Unregelmäßigkeiten erkannt und ausgebessert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Einbau eines Formeinsatzes, Strichpolieren der Form (maschinell nicht mögl.)

4.10 Gießerei

Die Firma Modell Technik ist mit drei Druckgussmaschinen ausgestattet, die über 400-, 1000- und 2300 Tonnen Schließkraft verfügen. So können direkt nach der Werkzeugherstellung erste Probeabgüsse gemacht und ggf. Optimierungen an der Druckgießform vorgenommen werden. Es werden auch Kleinserien, die bis zu einige Tausend Teile umfassen können, im eigenen Hause gefertigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: DCM 2300 mit geöffnetem Werkzeug, Schmelzebefüllung durch autom. Handling

4.11 Messtechnik & Qualitätssicherung

Das Unternehmen verfügt über die nötige Messtechnik, um eigene Erstmusterprüfberichte zu erstellen. Auf diese Weise können nach den ersten Abgüssen die Artikel vollständig vermessen werden und ggf. Nachbesserungen an den formgebenden Teilen vorgenommen werden. So lässt sich garantieren, dass der Kunde ein zu 100 Prozent einsatzfähiges Werkzeug ausgeliefert bekommt. Des Weiteren werden hier die Elektroden für die Senkerosion vermessen, um eine absolut fehlerfreie Kontur zu gewährleisten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: 3D-Koordinatenmessmaschine

5 Druckgießen

5.1 Geschichte des Druckgießens

Der Prozess selbst geht in seinen Anfängen zurück bis ins 18. Jahrhundert. Ausgehend von der Einführung des Verfahrens zum Buchdruck nach Gutenberg (1454) gab es durch die ständig wachsende Verbreitung von gedruckten Schriften einen steigenden Bedarf an Drucklettern. Diese fertigte man aus niedrigschmelzenden Bleilegierungen, welche aber schon damals mit Druck, basierend auf dem Kolbenpumpprinzip, in die Form eingespritzt wurden. Diese Entwicklung setzte sich entsprechend fort, bis im Jahre 1822 die erste Warmkammer-Druckgießmaschine (Dr. W. Church), welche Lettern aus Blei-Zink-Legierungen goss, gefertigt wurde. Sie erreichte bereits eine Fertigungsausbringung von 12.000 – 20.000 Buchstaben pro Tag. Als nächste entscheidende Stufe gilt die Zinkdruckgießmaschine nach H. Bossert aus dem Jahr 1936. Mit ihr wurde beispielsweise der Kühlergrill des damaligen Opel Kadett I gefertigt. Schon damals war man in der Lage derartige Geometrien zu gießen. Mit einem Einspritzdruck von ~500 bar erreichte man seinerzeit beachtliche Formfüllgeschwindigkeiten.

5.2 Das Verfahren

Das Druckgießen ist ein Urformverfahren.

Definition Urformen:

„Nach DIN 8580 ist Urformen das Fertigen eines festen Körpers aus formlosen Stoff durch Schaffen des Zusammenhaltes. Als formlose Stoffe gelten Gase, Flüssigkeiten, Pulver, Fasern, Späne, Granulate, Lösungen und Schmelzen.“^[1]

Bedeutung vom Urformen für die Industrie:

Es ergeben sich große wirtschaftliche Vorteile gegenüber vielen anderen Verfahren.

- Kürzester Weg vom Rohstoff zum Fertigteil (günstige Material- und Energiebilanz)
- Kein Umformen oder ähnliche Arbeitsgänge notwendig
- Nahezu endgültige Gestalt des Fertigproduktes
- Freizügigkeit der Gestaltung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

5.2.1 Grundsätzlicher Verfahrensablauf beim Urformen:

1.) Bereitstellung bzw. Herstellung des Ausgangsmaterials als formlosen Stoff
2.) Herstellung eines urformfähigen Werkstoffzustands
3.) Füllung des Urformwerkzeugs
4.) Übergang des Werkstoffs in den festen Zustand innerhalb des Werkzeugs
5.) Entnahme bzw. Auswurf des urgeformten Erzeugnisses

5.2.2 Kennzeichen des Druckgießens:

- Verwendung von Dauerformen
- Kein Modell (abgesehen vom CAD-Modell) zur Herstellung notwendig
- Verarbeitung verschiedener metallischer Schmelzen möglich
- Artikelgewichte bis ~50 kg herstellbar (je nach Legierungstyp u. Maschinengröße)
- Ausgelegt für Serienfertigung – Aluminiumlegierungen bis ~200000 Schuss (àWirtschaftlichkeit trotz relativ hoher Werkzeugkosten)
- 0,4%-1% Artikelschwindung (abhängig von Legierung u. Artikelgeometrie)

5.2.3 Die Gießbedingungen

Beim Druckgießen wird die Schmelze unter hohen Druck und mit hoher Geschwindigkeit in die Form gedrückt. Anforderungsbedingt bestehen diese in der Regel aus hochfesten Warmarbeitsstählen. Die Formfüllzeit ist dabei relativ kurz und beträgt gerade einmal zwischen 5ms – 100ms. Eine vollständige Formentlüftung ist in dieser kurzen Zeit praktisch nicht möglich. Daher ist die Formfüllzeit so einzustellen, dass die Erstarrung der Schmelze erst im Anschluss an die Füllung geschieht. Der Füllvorgang selbst unterliegt nicht dem Einfluss der Schwer- oder Fliehkraft, wie es beim Kokillen-, Sand- oder Schleuderguss üblich ist, sondern basiert auf der Umwandlung von Druckenergie in kinetische Energie (kin. E. à Bewegungsenergie) der Schmelze. Da die Schmelze praktisch inkompressibel ist kommt es nach beendeter Formfüllung zu einem starken Druckimpuls, bei dem die kinetische Energie wieder in Druckenergie umgesetzt wird. Dieser Druckimpuls beträgt oft ein Vielfaches des sogenannten statischen Nachdrucks, welcher aufgebracht wird, um Lufteinschlüsse oder andere Verunreinigungen zu minimieren. Da die Anschnitte vom Anguss an die Artikelgeometrie erhebliche Strömungsengstellen bilden, ist die Strömungsgeschwindigkeit an diesen Punkten sehr groß. Sie lässt sich über den Füllvorgang beeinflussen und sollte sich zwischen 20m/s - 100m/s befinden. Die örtliche Geschwindigkeit wirkt sich auf den Wärmeübergang aus und hat damit auch einen erheblichen Einfluss auf die Gefügeausbildung und die damit verbunden physikalischen Eigenschaften.

5.3 Hauptunterscheidung

Im Druckguss wird hauptsächlich in 2 Verfahrensgruppen unterschieden, das Warmkammer- und das Kaltkammer-Verfahren. Beide Verfahren werden im folgenden Kapitel kurz erläutert und ihre Unterschiede aufgezeigt.

5.3.1 Das Warmkammer-Verfahren

Die ausschlaggebende Besonderheit beim Warmkammer-Druckguss-Verfahren ist, dass das Druckgießaggregat selbst mit dem Warmhalteofen eine Einheit bildet. Das heißt, die Druckgießgarnitur befindet sich direkt in der Schmelze. Das ist zum einen ein Vorteil wegen der kompakten Bauweise, aber ebenso auch ein Nachteil, da sich durch diese Bedingungen Einschränkungen ergeben. So lassen sich nur relativ niedrigschmelzende Legierungen (Blei-, Magnesium-, Zink- und Zinnlegierungen) verarbeiten, da diese bei dauerhaftem Kontakt das Gießsystem kaum schädigen. Während des Gießvorgangs wird durch einen Kolben eine genau definierte Menge der Schmelze aus der Gießkammer in die Form gedrückt.

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Abbildung 10: Schema Warmkammer-Verfahren

5.3.2 Das Kaltkammer-Verfahren

Bei diesem Verfahren bilden die Druckgießmaschine und der Warmhalteofen für die Schmelze zwei separate Einheiten. Das ist notwendig um die hauptsächliche Einschränkung des Warmkammer-Verfahrens zu umgehen. Auf diese Weise lassen sich auch Aluminium- und Kupferlegierungen vergießen, da diese das Gießaggregat nicht mehr durch dauerhaften Kontakt mit der Schmelze schädigen können. Eine genau definierte Menge des Schmelzgutes, exakt ausreichend für einen Schuss, wird mittels Schöpfkelle oder Gießbecher aus dem Schmelzofen entnommen und in die externe Gießkammer gegossen. Von dort aus wird die Schmelze mittels Gießkolben in die Form gedrückt. Die Druckkammer befindet sich direkt an der düsenseitigen Formhälfte.

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Abbildung 11: Schema Kaltkammer-Verfahren

5.4 Ablauf des Gießprozesses

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Abbildung 12: grundsätzlicher Gießprozessverlauf^[2]

Grundsätzlich sind beide Verfahrensvarianten nötig um die Grundzüge des Druckgießens zu erläutern. Da es in dieser Arbeit aber vordergründig um Aluminiumdruckguss geht, werde ich mich auf das Kaltkammer-Verfahren beschränken und auf das Warmkammer-Verfahren an dieser Stelle nicht weiter eingehen.

5.5 Die 3 Phasen der Formfüllung im Kaltkammer-Verfahren

Der Gießprozess beider Verfahrensvarianten gliedert sich in 3 Phasen. Die Vorfüllphase, die Formfüllphase und die Nachdruckphase. Diese tragen durch eine Vielzahl an Gießparametern maßgeblich zur Qualität des Endproduktes bei.

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Abbildung 13: Gießprozesse (li.), optimierte Gießkolbenvorschub (re.)^[3]

5.5.1 Phase 1: Die Vorfüllphase

Bei diesem Prozess wird die Schmelze gewissermaßen „vorangeschoben“ bis sie den Anschnitt (à Übergang vom Anguss zur Artikelkontur) erreicht. Dabei dürfen nach Möglichkeit keine Verwirbelungen im Inneren der Gießkammer verursacht werden, da diese zwangsläufig zu Lufteinschlüssen in der Schmelze führen würden und die Gefahr besteht, dass diese in den Artikel gelangen. Das Ziel ist also eine möglichst laminare (verwirbelungsfreie) Strömung der Schmelze. In diesem Zusammenhang wird auch gern der Begriff „Parashot“ verwendet. Beim Parashot wird die Kolbenbeschleunigung so weit optimiert, dass der Kolbenboden und die in der Schmelze entstehende Wellenfront praktisch die gleiche Bewegung ausführen. Auf diese Weise wird ein Wellenüberschlag verhindert. Die Geschwindigkeit des anfahrenden Gießkolbens liegt je nach Einstellung zwischen ~0,05m/s – ~0,7m/s. Abhängig von der Druckgießmaschine bzw. der Größe der Gießkammer dauert die Vorfüllphase ca. 0,5s – 1s. Zur Vermeidung von Turbolenzen ist nicht nur die Kolbengeschwindigkeit bzw. –beschleunigung von Bedeutung, sondern auch der Füllgrad der Gießkammer. Dieser sollte erfahrungsgemäß 40% – 50% betragen um einen Wellenüberschlag in der Schmelze (bei Füllgrad >60%) zu verhindern. Liegt der Füllgrad deutlich unter 40% ist mit einem rapiden Temperaturabfall in der Gießkammer zu rechnen, da die sogenannte „heiße Seele“ der Schmelze dadurch zu klein wäre und nicht ausreichend Wärme speichern kann. Innerhalb der 1. Phase ergeben sich zahlreiche Optimierungsmöglichkeiten. Es lässt sich nicht nur die Kolbengeschwindigkeit und der -Durchmesser regeln. Auch ein zusätzliches Beheizen der Gießkammer, oder die Abstimmung der Schöpfkellenbewegung beim Befüllen können sich positiv auf den Gießprozess auswirken.

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Abbildung 14: Phase 1 - Vorfüllphase

5.5.2 Phase 2: Die Formfüllphase

Erst jetzt beginnt das eigentliche Füllen der Gusskavität. Der Gießkolben wird innerhalb kürzester Zeit massiv auf ca. 2 – 4 m/s beschleunigt. Ziel ist es, die Schmelze so schnell wie möglich in die Form zu befördern um ein übermäßiges Erkalten zu verhindern. Gleichzeitig darf aber die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Anschnitts nicht zu hoch werden, da sonst Beschädigungen an den Formeinsätzen, Kernen usw. drohen. In Folge der Inkompressibilität der Schmelze fällt die Kolbengeschwindigkeit rasch auf 0 m/s sobald die Form vollständig gefüllt ist und es entsteht ein sehr starker Druckimpuls. In diesem Augenblick wandelt sich die kinetische Energie in Druckenergie in entsprechender Höhe. Durch das plötzliche Abbremsen des Kolbens steigt die Temperatur der Schmelze kurzzeitig wieder an. Dieser Effekt beruht auf dem Energieerhaltungssatz. Hier wird die kinetische Energie in potentielle Energie und Restwärme umgewandelt. Die zugeführte Wärmemenge entspricht also in etwa der kinetischen Energie der einströmenden Schmelze.

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Der resultierende Temperaturanstieg ist also vom Gießdruck und dem Volumen der Schmelze abhängig. Je nach Legierungstyp kann der zu erwartende Temperaturanstieg unterschiedlich ausfallen. Die Bauteilqualität lässt sich in der Formfüllphase selbst kaum beeinflussen.

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Abbildung 15: Temperaturerhöhung am Ende der Formfüllung^[4]

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Abbildung 16: Phase 2 - Formfüllphase

5.5.3 Phase 3: Die Nachdruckphase

Die Nachdruckphase dient der Nachverdichtung der Schmelze bevor sie abkühlt und damit erstarrt. Damit wird eine Komprimierung der eventuell eingeschlossenen Luft erreicht (Gase gelten im Gegensatz zu Fluiden als kompressibel). Je höher der Druck ist, umso stärker komprimiert sich die Luft und umso kleiner fallen entsprechende Fehlstellen bzw. Lunker im Bauteil aus. Der in Phase 2 beschriebene Temperaturanstieg, welcher auf der Nachverdichtung beruht, kommt auch in der 3. Phase zum tragen. Er führt anteilig zum Zusammenbruch des bereits entstandenen Dendritennetzwerks, welches sich in der erstarrenden Schmelze herausbildet. Das führt zu einer erhöhten Homogenisierung des Gefüges, was durchaus als wünschenswert zu betrachten ist. Außerdem wird so eine Nachspeisung des Schwindungsvolumens erreicht, was die Nachschwindung reduziert. Es kann von Vorteil sein, die durchschnittliche Schwindung möglichst gering zu halten, da die Schwindung sich nicht unbedingt immer in alle Richtungen gleich verhält, was stark von Artikelgeometrie und Wandstärke abhängt. Natürlich lässt sich die Höhe des Drucks nicht grenzenlos erhöhen um solche Effekte zu begünstigen. Grenzen werden hier zum Einen durch das Werkzeug selbst (Rahmendurchbiegung) und zum Anderen durch die maximale Schließkraft der Schließeinheit der Druckgießmaschine gesetzt. Zusatzelemente wie z. Bsp. Rohre oder Buchsen (Einlegeteile), die eventuell in den Artikel mit eingegossen werden sollen (siehe Kap. 5.8 „Warum Druckgießen?“), können durch zu hohen hydrostatischen Druck durchaus auch zerdrückt werden. Beim Druckgießen beträgt der statische Enddruck in der Regel zwischen 500bar - 1000bar bei Kaltkammer-Gießmaschinen.

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Abbildung 17: Phase 3 - Nachdruckphase

5.6 Einflüsse und Auswirkungen beim Gießprozess

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Abbildung 18: Haupteinflussgrößen auf die Gussteilqualität^[5]

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Abbildung 19: Gießfehler und ihre möglichen Ursachen^[6]

Bei Gasporösitäten im Gussteil lässt sich durch eine genauere Untersuchung der Fehlstellen die Fehlerquelle etwas eingrenzen. Sind die Poren weitestgehend rund und glänzen sauber, dann ist in der Regel Luft die Ursache. Das lässt sich meistens auf eine mangelhafte Formentlüftung oder ungünstige Parameter in der 1. Gießphase zurückführen. Weisen die Poren allerdings Verfärbungen auf, könnten dafür Trennmitteleinschlüsse, Schmiermittellösungen vom Kolben oder verdampftes Wasser aus dem Sprühnebel die Ursache sein.

5.7 Kraft in Tonnen?

Je nach Artikel und Artikelwerkstoff arbeitet man hier mit Einspritzdrücken zwischen 500…1000 bar. Je nach Artikelgröße und der sich daraus ergebenden projizierten Fläche, der Sprengfläche, wird schnell klar welche Kräfte notwendig sind um die Formhälften beim Gießvorgang zusammen zu halten. Daher werden Druckgießmaschinen mit entsprechenden Schließeinheiten versehen. Das sind in der Regel Zuhaltepressen welche nicht selten mehrere Tausend Tonnen Zuhaltekraft aufbringen müssen. Die Bewegung der Formhälfte wird über Hydraulikzylinder erzeugt. Die eigentliche Zuhaltung kann sowohl hydraulisch, als auch mechanisch umgesetzt werden. Eine mechanische Zuhaltetechnik gilt prinzipiell als die sicherere Lösung, da eine Hydraulik ab einer bestimmten Gegenkraft immer ein Stück nachgeben wird. Dieser Effekt ist in der Regel auf das Abdichtungsproblem zwischen den Bauelementen zurückzuführen, was bei Hydrauliksystemen nichts Ungewöhnliches ist. Dennoch wird gerade bei sehr großen Druckgießanlagen gern auf diese Bauweise zurück-gegriffen, da sie im Verhältnis zur Mechanik (Kniehebelprinzip) relativ kompakt gebaut ist. Zur Abschätzung der nötigen Schließkraft dient eine einfache Berechnungsgrundlage:

Sprengfläche AIM x Einspritzdruck pI3M = mindestens erford. Schließkraft FLN

Solche Abschätzungen können auch mit Hilfe entsprechender Diagramme erledigt werden.

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Abbildung 20: Schließkraftermittlung in Abhängigkeit von Gießdruck u. projizierter Fläche^[7]

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Abbildung 21: versch. Gussstücke mit gleicher Sprengfläche

Wie vielleicht schon aufgefallen ist, wird im Zusammenhang mit Druckgießmaschinen immer wieder von „ Zuhaltekraft “ gesprochen und selbige mit der Einheit „ Tonnen “ angegeben. Diese Aussage ist natürlich physikalisch nicht korrekt, da hier Kraft mit Masse gleichgesetzt wird. Dieser vermeintliche Fehler ist meiner Ansicht nach ein Überbleibsel aus den 70er-Jahren, als die Umstellung auf das Internationale Einheitensystem (SI) erfolgte. Seinerzeit rechnete man noch in Kilopond (kp) als Einheit für Kraft, welches noch heute fälschlicherweise gern mit Kilogramm (kg) gleichgesetzt wird. Dieses entsprach der Gewichtskraft von einem kg, nämlich 1 kp = 9,81 N. Das heutige Newton (N) entspricht also dem damaligen kp mit einem Umrechnungsfaktor von 9,81. Die Vermutung liegt nah, dass sich der vermeintliche Bezeichnungsfehler damit begründen lässt. Dennoch wird die Zuhaltekraft von Herstellern, Gießereien und in der Fachliteratur sehr oft noch in Tonnen angegeben und gilt in der Gießereitechnik als anerkanntes Maß für die Maschinengröße. Beispielsweise wird eine Druckgießmaschiene mit ~10000 kN (~ 10 MN) Zuhaltekraft als 1000t-Maschine bezeichnet. Ich werde in dieser Arbeit ebenfalls diesem Beispiel folgen.

5.8 Warum Druckgießen?

- Nahezu alle Formen möglich, Hinterschnitte und Querbohrungen sind mittels Schieber realisierbar
- Teile weisen hohe Maßhaltigkeit und Genauigkeit auf, unter Berücksichtigung der zu erwartenden Schwindung ca. ± 0,01mm
- Hohe Oberflächengüte am Bauteil
- Nach Entfernen von Anguss und Überläufen (durch Stanzen) müssen bestenfalls Paß- und Lagerflächen nachgearbeitet werden
- Fremdmetallteile wie z. Bsp. Gewindebuchsen aus Stahl lassen sich dauerhaft mit der Schmelze verbinden, sie werden vor dem Gießen in die geöffnete Form eingesetzt, eingehangen oder –gesteckt, an den Kontaktstellen entsteht durch Diffusion ein fester Materialverbund (Verbundguss) z. Bsp. integrierte Ölleitungen in einem Getriebegehäuse

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Abbildung 22: Einlegeteile (Rohre) und ihre Verwendung in einem Getriebegehäuse

Es gibt praktisch kein anderes Fertigungsverfahren was eine vergleichbare Gestaltungsvielfalt zulässt. Von einfachsten Geometrien bis hin zum hoch beanspruchten Motorenteil ist alles möglich.

5.9 Anwendungsbeispiele für Aluminium-Druckgussteile

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Abbildung 23: Halter (li.), Zylinderkopf (re.)

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Abbildung 24: Einspritzeinheit (Motorrad)

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Abbildung 25: Getriebegehäuse; Lenkgetriebe (li.), Schaltgetriebe (re.)

5.10 Aufbau einer Druckgießmaschine nach DIN 24480

Der Aufbau einer Druckgießmaschine ist nach DIN eindeutig definiert. Die Festlegung erfolgt nach DIN 24480 (Druckgussmaschinen) oder, was im Falle des Aluminium-Druckgießens noch treffender ist, nach DIN 24482 à Kaltkammer-Druckgießmaschinen mit waagerechter Gießkammer. Diese Bauart wird am häufigsten verwendet. Gemäß dieser Einteilung besteht eine solche Maschine aus 4 wesentlichen Baugruppen. Zählt man den Schmelz- bzw. Warmhalteofen mit dazu, sind es sogar 5. Da dieser aber ein separates System darstellt, welches nicht direkt zur Druckgießmaschine gehört, wird er an dieser Stelle außen vor gelassen. Die 4 grundlegenden Baugruppen sind also:

1. die Gießeinheit
2. die Schließeinheit
3. die Auswerfereinheit
4. die Kernzugeinheit

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Abbildung 26: Druckgießmaschine nach DIN 24480 (Quelle: Müller-Weingarten)^[8]

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Abbildung 27: Druckgießmaschine der Firma Müller-Weingarten^[9]

5.10.1 Die Gießeinheit

Die Gießeinheit umfasst die Gießgarnitur und den gesamten Gießantrieb, also alle Elemente die direkt am Formfüllvorgang beteiligt sind. Die Gießgarnitur selbst dient der Aufnahme und Weiterführung der flüssigen Schmelze bis in die Gusskavität. Sie besteht im Einzelnen aus Gießkammer, Gießkolben, Gießkolbenstange und dem Gießbehälter. Der Gießkolben erzeugt den nötigen Druck auf die Schmelze und drückt diese aus der Gießkammer in die Form. Die Gießkolbenstange dient der Kraftübertragung zwischen dem Gießantrieb und dem Gießkolben. Der Gießbehälter dient als Aufnahme für die Gießkammer, in welche das Schmelzgut eingefüllt wird. Der Gießantrieb ist die Einrichtung die den Gießkolben bewegt, also die nötigen Kräfte erzeugt. Die Ansprüche an den Gießantrieb selbst sind sehr hoch, da er durch seine Leistungsfähigkeit und zu beeinflussenden Parameter in hohem Maße zu den Eigenschaften des Druckgussteils beiträgt. Beim Druckgießen müssen Kolbengeschwindigkeiten von ~4m/s (+/-2m/s, hier unterscheiden sich die Meinungen von Fachliteratur und Gießereien) erreicht werden. Zudem dürfen erfolgreiche Abgüsse keine Zufallstreffer darstellen, sondern müssen über die einstellbaren Parameter beliebig reproduzierbar sein um wirtschaftlich arbeiten zu können. Gefordert sind außerdem hohe Beschleunigungen für kurze Formfüllzeiten und eine kurze Aufbauzeit für den statischen Nachdruck, um entsprechend auf die Schmelze einwirken zu können, bevor diese abkühlt und damit erstarrt. Auf die maßgebenden Gießparameter werde ich im späteren Berechnungsbeispiel noch genauer eingehen.

5.10.2 Die Formschließeinheit

Die Formschließeinheit besteht grundsätzlich aus der beweglichen Aufspannplatte, der festen Aufspannplatte und der Zuhalteeinheit. Das Druckgießwerkzeug selbst wird direkt an der beweglichen Aufspannplatte (Auswerferseite) und der festen Aufspannplatte (Düsenseite) verschraubt. Die maschinenseitigen Aufspannplatten werden oft auch als Maschinenschilde bezeichnet. Die Montage erfolgt in der Regel mittels Nutensystem. Die bewegliche Aufspannplatte wird samt der auswerferseitigen Formhälfte auf Säulen geführt. Rückwärtig ist der hydraulische Schließzylinder angebracht. Mit seiner Hilfe wird die ganze bewegliche Formhälfte bewegt. Bis hier hin sind weitestgehend alle Schließeinheiten gleich aufgebaut. Dennoch unterscheidet man im Bereich der Zuhaltung in zwei grundlegende Ausführungen. Man spricht hier von einer kraftschlüssigen und einer formschlüssigen Zuhaltung.

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Abbildung 28: kraftschlüssige (links) u. formschlüssige Zuhaltung (rechts)

Beim kraftschlüssigen Aufbau wird die gesamte notwendige Zuhaltekraft allein durch die Hydraulik erzeugt. Die mögliche Zuhaltekraft ist also eindeutig durch die verbauten Elemente festgelegt und ist in diesem Fall vom Durchmesser des Hydraulikkolbens und dem Öldruck abhängig. Übersteigt die beim Gießen auftretende Sprengkraft die Kraft der Hydraulikkolben, bleibt ihnen nichts anderes übrig, als unter der Last zurückzuweichen. In diesem Fall gibt es erhebliche Überspritzungen aus der Formteilungsebene heraus. Dennoch gilt dieser Aufbau weitestgehend als betriebssicher und die Maschine als nicht überlastbar (die Maschine nimmt keinen Schaden).

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Abbildung 29: kraftschlüssige Zuhaltung der DCM2300 (Schließkraft: 2300t)

Alternativ dazu gibt es den formschlüssigen Zuhaltungsaufbau. Bei dieser Bauart wird die Bewegung auf die selbe Art erzeugt wie beim kraftschlüssigen Aufbau, jedoch muss hier die Hydraulik nicht der Sprengkraft beim Gießen entgegen wirken, sondern verriegelt die geschlossene Form mit einer Mechanik. Diese wird in der Regel als Doppelkniehebelsystem ausgeführt. Allerdings ist bei dauerhafter Belastung mit mehr Wartungsaufwand zu rechnen, da Verbindungselemente und Gelenke natürlich auch Verschleißerscheinungen erfahren.

5.10.3 Die Auswerfereinheit

Die Auswerfereinheit ist direkt mit dem im Werkzeug befindlichen Auswerferpaket verbunden und überträgt die Bewegung für den Auswerferhub. Dabei wird das abgekühlte Druckgussteil nach dem Öffnen des Werkzeugs von der auswerferseitigen Formkontur abgestreift. Die Auswerfereinheit selbst hat nur Einfluss auf den Zeitpunkt des Teilauswurfs und die Hublänge.

5.10.4 Die Kernzugeinheit

Die Kernzugeinheit ist für das Ein- u. Ausfahren der Kerne verantwortlich. Beim Schließen der Form werden die Kerne ausgefahren und beim Öffnen des Werkzeugs fahren sie wieder zurück in ihre Ausgangsposition um den Teilauswurf nicht zu behindern. Die Kernzugeinheit ist gewissermaßen ein eigenes hydraulisches System, welches die Hydraulikzylinder am Werkzeug speist. Auf diese Weise werden die Schieber bewegt. Bei einer rein mechanischen Schieberbewegung ist ein Verbund mit der Kernzugeinheit überflüssig, da die Schieberkörper mittels Schrägsäulen, welche direkt im Werkzeug verbaut sind, geführt und bewegt werden.

5.10.5 Maschinenantrieb und –Steuerung

Nahezu der komplette Antrieb sämtlicher Elemente einer Druckgießmaschine besteht aus einer komplexen hydraulischen Anlage. Hauptaufgabe dieser Anlage ist die ständige Bereitstellung der notwendigen Drücke und Volumenströme um die Aktoren (Hydraulikzylinder) zu betreiben. Die Pumpen werden mit Elektromotoren angetrieben und erzeugen Drücke bis ~ 160bar. Wie man sicher unschwer erkennen kann reicht dieser hydraulische Druck aus um sämtliche Kernzylinder, die Auswerfereinheit und den Schließ- bzw. Öffnungsmechanismus zu betreiben. Die hohen Drücke, welche für den statischen Nachdruck (bis 1000bar) oder gegebenenfalls für die hydraulische Zuhaltung benötigt werden, sind mittels Druckübersetzungseinrichtungen, sogenannte Multiplikatoren, realisierbar. Mit der heutigen Vielfalt an Digitalventilen sind praktisch sämtliche Schaltzustände umsetzbar und lassen sich selbst im laufenden Betrieb noch beeinflussen. Die digitale Steuerung über die das System bedient wird lässt nicht nur den Eingriff über eine Vielzahl an Parametern zu, sondern dient auch der Darstellung (Druck-Zeit-Diagramm) und Protokollierung des gesamten Gießprozesses. Außerdem ergeben sich in Kombination mit der entsprechenden Sensorik alle erdenklichen Überwachungsmöglichkeiten.

[...]

^[1] Quelle: Dubbel - Fertigungsverfahren

^[2] Quelle: Institut für Umformtechnik, Universität Stuttgart

^[3] Quelle: Bühler Druckguss AG

^[4] Quelle: TU Dresden – Temp.erhöhung durch Nachverdichtung

^[5] Quelle: Lexikon der Produktionstechnik / Verfahrenstechnik

^[6] Quelle: VDG – Forschung Druckguss

^[7] Quelle: Steinbeis Transferzentrum FH Aalen – Arbeitsgemeinschaft Metallguss

^[8] Quelle: TU Dresden – Grundaufbau Kaltkammerdruckgießmaschine

^[9] Quelle: Müller-Weingarten