KONSTRUCKTION
Allgemeine Anmerkungen
Den größten Einfluss bei der Herstellung eines Druckgussteiles hat der Produktionskonstrukteur. Dieser hat einen kritischen Einfluss auf die Kosten der gesamten Baugruppe, das Design, die Leistungsfähigkeit sowie den Produktionsprozess des Druckgießens. Ein erfahrener Produktionskonstrukteur zeichnet sich dadurch aus, dass er jeden Aspekt der Produktion und der Funktion der fertigen Baugruppe berücksichtigt. Allerdings kann nicht erwartet werden, dass er auf allen Gebieten ein Experte ist. Idealerweise sollte er als Coach in einem Team von Spezialisten moderieren, die wichtige fachliche Beiträge zum Projekt liefern. Repräsentanten aller Unternehmen die in die Zulieferkette involviert sind, sollten ebenfalls daran teilnehmen. Im Verlauf des Konstruktionsprozesses sind somit alle Beteiligten eingebunden und tragen zum Gelingen bei.
Zur Herstellung eines Zink-Druckgussteiles sollten – vor allem bei komplexeren teilen – auch der Druckgießer, der Werkzeugmacher, gegebenenfalls auch die Experten für die Nachbearbeitung und der Oberflächenbeschichtung im Entscheidungsprozess mit eingebunden sein.
Normalerweise rechtfertigen sich diese Entwicklungsteams nur für Großprojekte. In der Entwurfsphase wird der Produktionskonstrukteur üblicherweise seiner eigenen Erfahrung vertrauen sowie der seiner Berufskollegen im eigenen Haus. Daher ist ein gutes Verständnis für den Werkstoff und das Fertigungsverfahren Grundvoraussetzung für die praktische Umsetzung der Anforderungen an den Entwurf.
Gewichte von Zink-Druckgussteilen liegen überlicherweise zwischen 1 Gramm und ca. 1 Kilogramm, die Außenmaße entsprechend zwischen 3 mm und 300 mm. Die Herstellung größerer und schwerer Gussteile ist auf größeren Druckgießmaschinen möglich. Der Kostenvorteil der Zink-Druckgussproduktion liegt darin begründet, dass ein höheres Produktionsvolumen pro Zeiteinheit als bei anderen Werkstoffen erzielt werden kann. Dieses liegt am Wärmegehalt, der Schmelztemperatur, sowie der äußerst geringen Kristallisationsgeschwindigkeit der Zinkdruckgusslegierungen begründet. Daher sind auch größere Zink-Druckgussteile sehr effizient herzustellen.
Die Grundkonturen, die mit dem Druckgießen erreicht werden können, sind weitgehend unbegrenzt. In der Praxis können sehr komplexe Druckgießformen hergestellt werden. Jedoch ist es sinnvoll, im Rahmen einer Kostenanalyse festzustellen, ob eine nachträgliche mechanische Bearbeitung im Einzelfall günstiger ist als eine kostenaufwendige, komplexe Druckgießform.
Die Geometrie eines Zink-Gussteiles wird allerdings vorwiegend durch seine Funktion bestimmt und weniger durch den Produktionsaufwand. Es lassen sich Material einsparende Konstruktionen herstellen, wie sie bei anderen Gusswerkstoffen z.B. Aluminium, Stahlguss, Messing, nicht möglich sind.
Eines der Hauptmerkmale eines Bauteiles sind seine mechanischen Eigenschaften mit entsprechendem Sicherheitsfaktor. Zur Wirtschaftlichkeit des Zinkdruckgusses trägt die Möglichkeit einer Gewichtsreduzierung durch extrem dünne Wanddicken bei.
Die betrieblich bedingten Belastungen und die dadurch resultierenden Spannungen sollten beim Entwurf berücksichtigt werden. Dieses erreicht man durch optimal mit einer optischen Bauteilsimulation. Damit lassen sich der Füllvorgang, der Wärmehaushalt der Druckgießform und die Spannungsverteilung unter Last darstellen.
Elemente eines Bauteiles z. B. Hebelarme, Verbindungen und Absätze werden oft nach „Augenmaß“ konzipiert oder ihr visuelles Verhältnis zur gesamten Baugruppe, dadurch werden diese unnötigerweise maßstäblich vergrößert. Deshalb ist eine Kontaktaufnahme mit dem Druckgießer immer ratsam um eine gussgerechte Konstruktion zu erhalten. Wie bei allen Guss- und anderen Formgebungsverfahren sollte der Produktkonstrukteur möglichst alle Wandabschnitte sehr gleichmäßig zu gestalten und stark variierende Wanddickensprünge vermeiden. Ist dieses nicht möglich, so lässt sich das Gussteil dennoch herstellen. Beim Gießen müssen jedoch die besonderen Eigenheiten des Gussteils berücksichtigt werden. Durch die physikalisch bedingte Volumenkontraktion bilden sich u. U. Lunker die als Gussfehler zu erhöhtem Ausschuss führen, was wiederum zu erhöhten Stückpreiskosten führt. Eine Computersimulation hilft, derartige Fehler zu vermeiden.
Die minimale Wanddicke eines Gussteiles hängt vom Abstand vom Anguss und der Kristallisationszeit der Gusslegierungen ab. In etwa bedeutet dies für kurze Distanzen d.h. weniger als 50 mm eine ungefähre Mindestwanddicke von ca. 0,5 mm und kontinuierlich steigend bis 2,0 mm und mehr bei 200,0 mm. Auch hier bietet die computerunterstützte Gestaltung der Anschnitts- und Überlaufgeometrie einen Einblick, welche erzielbaren Mindestwanddicken möglich sind.
Die Trennebene des Druckgießwerkzeuges wird größtenteils durch die Konstruktion des Bauteils vorgegeben. Die Herstellung von vollständig gratfreien Komponenten wird nicht nur durch die Qualität des Werkzeugbaues bestimmt, sondern auch von der Handhabung während des Gießprozesses und der Instandhaltung des Werkzeuges. Oft ist es besser einen „gewollten“ Grat zu produzieren um eine bessere Entlüftung oder ein besseres Fliessverhalten während der Formfüllung zu erhalten. Diese Grate werden durch die spätere Pressentgratung ohne Mehraufwand entfernt. Auch lassen sich durch diese Maßnahmen sogenannte nichtgewollte schwer entfernbare Grate prozesssicher vermeiden.
Schon bei der Festlegung der Formtrennebene sollte die Position des Angusses und die Länge des Anschnittes berücksichtigt werden. Eine ungünstigere Position des Zulaufes und des Anschnittes führt dazu, dass die Metallschmelze nicht unmittelbar und mit kürzestem Fließweg alle Bereiche des Formhohlraumes erreicht. Dadurch kann es zu unerwünschten Gussfehlern z. B. Kaltfließstellen, Poren und Oberflächenblasen kommen. Dies kann wiederum zu Problemen bei einer nachfolgenden Oberflächenbehandlung führen oder bei lokalen Porenfedern zu Festigkeitsverlusten. Auch die Lage der notwendigen Überlaufvolumina ist zu berücksichtigen. Sie nehmen die von der Metallschmelze verdrängte Luft auf und lenken die Fließfront zur optimalen Formfüllung. Diese Luftbohnen dienen oft zum gleichmäßigen Ausstoßen des Gussteiles und vermeiden Auswerfermarkierungen am Gussteil. Die Positionierung der Auswerfer fällt in den Aufgabenbereich des Druckgießers und des Werkzeugmachers, denn diese können die evtl. Gefahr der Klebeneigung und des möglichen Verzuges des Gussteiles beim Ausstoßen im Vorfeld erkennen.
Für eine betriebssichere automatisierte Produktion von Druckgusskomponenten ist es entscheidend, dass sowohl die Gussteile als auch das Angusssystem fest auf der beweglichen Formhälfte fixiert sind, sobald sich die Druckgießform öffnet. Bei der geringsten Klebeneigung bzw. Anhaftung während des Auswerfens muss durch geeignete Maßnahmen entgegengewirkt werden. Dies wird durch gezieltes Aufschwinden auf Formelemente der beweglichen Formseite erreicht. In vielen Fällen sind auch spezielle Auswerferstangen, die mit einer Hinterschneidung an der Stirnseite versehen sind, (sog snatch pins oder z pins) sehr hilfreich. Vorgegossene Bohrungen in den Gussteilen werden entweder komplett durch die bewegliche Formhälfte und durch Kerne erzeugt, oder aber zu 2/3 durch die bewegliche Formhälfte und 1/3 von der festen Formhälfte.