Druckguss – wir bieten die Möglichkeiten zur perfekten Werkzeugtemperierung

Die im Gerät eingebaute Pumpe fördert den Wärmeträger aus dem Tank zur Druckgiessform und wieder zurück. Ein Temperaturfühler misst dabei die Temperatur im Medium und übergibt den Wert an die Steuerung. Diese regelt die Temperatur des Wärmeträgers und damit indirekt die Temperatur der Druckgiessform. Steigt in der Form die Temperatur, so öffnet ein vom Regler angesteuertes Magnetventil den Kühlwasserkreislauf und lässt so lange kaltes Wasser durch den Wärmetauscher fliessen, bis die Temperatur des Wärmeträgers und damit die Formtemperatur wieder den Sollwert erreicht hat. Ist die Formtemperatur zu niedrig, werden in Analogie zum Kühlen die elektrischen Heizungen eingeschalten.

Um die Qualitätsanforderungen, wie Oberflächenbeschaffenheit, Formfüllung, Mass- und Formgenauigkeit der gegossenen Teile zu garantieren, sowie die Zykluszeiten und Standzeiten zu optimieren, ist das Temperieren mittels Temperiergeräten unumgänglich.

Wir empfehlen für die Temperierung der Werkzeugform im Druckguss abhängig von der Wahl des Wärmeträgermediums zwei verschiedene Systeme:

• Druckwasser Temperiergeräte bis 160°C
• Öl Temperiergeräte bis 360°C

Druckwasser Temperiergeräte bis 160°C – 6kW bis 48kW Heizleistung
Druckwasser Temperiergeräte sind geschlossene Systeme, bei welchen der Siedepunkt durch den statischen Druck im Kreislauf bei 140°C resp. 160°C angehoben wird. Tool-Temp Druckwassergeräte verfügen über ein Expansionsgefäss. Dieses ermöglicht es, bei tiefen Druckverhältnissen zu arbeiten und garantiert eine stabile Temperaturregelung. Vom Druckwassergeräteeinsatz bei der Verarbeitung von Magnesium wird aufgrund der Verbrennungsgefahr dringend abgeraten. Für reibungslose Formwechsel bieten Tool-Temp Druckwassergeräte eine Formentleerung. Mittels Druckluft können bei gewissen Modellen sogar die Formkanäle trocken gespült werden. Die Druckentlastung, welche ebenfalls das Prozesswasser in den Kühlwasserausgang befördert, garantiert ein gefahrenloses Trennen der hydraulischen Verbindungen.

Öl Temperiergeräte bis 360°C – 8kW bis 48kW Heizleistung
Der grundlegende Aufbau ist ein geschlossener Heissölkreislauf mit überlagerter Kaltölvorlage. Der Inhalt des Expansionsgefässes von Tool-Temp Öl Temperiergeräten bleibt auch im Arbeitsprozess kalt. Ein Ausdampfen und Überschäumen des Wärmeträgeröls im Gerät ist daher nicht möglich. Die Heizungen sind zudem so konzipiert, dass keine Vercrackung des Öls stattfindet. Der Wärmetauscher im Kühlwasserkreislauf gilt nachweislich als verkalkungsfrei und garantiert Zuverlässigkeit sowie Langlebigkeit.

Tool-Temp Ölgeräte bieten eine Formentleerung. Durch Umschaltung in den Vakuumbetrieb kann der Wärmeträger in das Expansionsgefäss gesaugt werden. Die Expansionsgefässe sind entsprechend grosszügig konzipiert, um das Rücklaufvolumen aufzunehmen.

Die Vorteile von Tool-Temp Temperiergeräten im Druckguss
Tool-Temp Temperiergeräte überzeugen durch ihre Robustheit. Die Geräte halten insbesondere den rauen Alltagsbedingungen im Druckguss stand.

Langlebige magnetgekoppelte Pumpe: Die von Tool-Temp entwickelte Pumpe mit Magnetkupplung stellt sich den aggressiven, korrosiven und feststoffbeladenen Flüssigkeiten und gilt als robustes und leistungsfähiges Schlüsselbauteil. Die Pumpen werden ausschliesslich am Tool-Temp Hauptsitz in der Schweiz gebaut.

Temperaturmessung am Werkzeug: Bei Tool-Temp Temperiergeräten besteht die Möglichkeit, wahlweise über die Tanktemperatur oder die Temperatur am Werkzeug zu regeln. Die digitale Durchflussmessung sowie die Druckanzeige sind übersichtlich am Gerät visualisiert und dienen als wesentliche Parameter für eine reproduzierbare Produktionsqualität.

Druckwassergeräte bieten den Vorteil, dass diese auch bei kleinen Formkanälen mit geringer Wärmetauschfläche eingesetzt werden können. Die Temperaturdifferenzen am Werkzeug werden dadurch verbessert, können jedoch immer noch zu Spannungen in den Werkzeugen und somit zu Spannungsrissen führen. Der Ausschuss beim Starten der Druckgussmaschine in Folge der Werkzeugtemperatur wird gegenüber Kaltwasser deutlich reduziert. Wasser hat aufgrund der höheren Wärmekapazität und des besseren Wärmeübergangs wesentliche Vorteile beim Kühlen und wirkt so dem Problem bei zu kleinen Formkanälen positiv entgegen.

Bei Druckwasser sollte unbedingt darauf geachtet werden, dass dieses System nicht beim Verarbeiten von Magnesium eingesetzt wird. Eine undichte Form kann zur Entzündung von flüssigem Magnesium und in der Folge zu massiven Schäden führen. Magnesium und Wasser lösen heftige chemische Reaktionen, bis hin zu Explosionen aus und beschädigen sowohl das Werkzeug wie auch die Maschine.

Vorteile von Tool-Temp Druckwassersystemen – Sichere und robuste Bauweise
Tool-Temp Temperiergeräte sind konservativ ausgelegt und aufgebaut. Unsere Heizungen sind niederbelastet, damit die Oberflächentemperatur an den Heizungen möglichst tief ist. Zudem werden die Heizungen mit einer hohen Geschwindigkeit des Mediums angeströmt und der minimale Füllstand überwacht. Bei zu tiefem Füllstand leuchtet die Anzeigelampe und signalisiert dem Betreiber, dass der Mindestfüllstand erreicht ist. Die Pumpe läuft nicht mehr, um zu verhindern, dass sie trocken läuft. Das Gerät füllt automatisch über den Kühlwassereingang nach, bis das ausreichende Niveau erreicht ist. Die Anzeige erlischt und die Pumpe läuft automatisch wieder an. Tool-Temp stellt in Bezug auf eine robuste Bauweise höchste Ansprüche an sich. Gerade bei den Druckwassersystemen werden ausschliesslich feste Rohrverbindungen verarbeitet. Diese werden auf hochautomatisierten Biegeautomaten im Werk in Sulgen hergestellt. Das Gehäuse ist komplett geschlossen, damit kein Schmutz ins Gerät eindringen kann. Bereits in der Konstruktionsphase findet eine Fokussierung auf die Materialisierung statt. Kompromisslos wird an allen Stellen, welche mit Wasser in Berührung kommen rostfreier Stahl eingesetzt.

Zusätzliche Prozesssicherheit bieten Tool-Temp Geräte durch Sicherheitsventile, die bei einem unsachgemässen Funktionszustand auslösen. Bei zu hohem Systemdruck öffnet ein Sicherheitsventil. Der Druck wird in den Kühlwasserausgang geleitet. Sollte der Druck dennoch weiter ansteigen, öffnet ein zweites Sicherheitsventil, wodurch der Druck ins Freie abgelassen wird.

Weiter sind folgende sicherheitsrelevante Elemente in alle Druckwassergeräte von Tool-Temp eingebaut:

• Das Rückschlagventil verhindert ein Zurückfliessen des Wassers, wenn der Druck im Kreislauf höher ist als der Wassernetzdruck.
• Zwei Sicherheitsventile überwachen den Druckanstieg. Das erste Ventil schaltet die Heizungen ab, das zweite Ventil öffnet bei zu hohem Druck den Kreislauf und erzwingt einen Druckabfall.
• Die Manometer zeigen sowohl den System- wie auch den Pumpendruck an.
• Der Durchflussmesser überwacht die Zirkulation des Umlaufmediums zum Verbraucher.
• Über die Druckentlastung wird sichergestellt, dass der Temperierkreislauf drucklos gemacht wurde, bevor das Gerät vom Verbraucher entkoppelt wird. Bei drucklosem Gerät (Magnetventil offen) ist unterhalb von 80 °C das Entleeren des Verbrauchers durch Absaugen möglich.

Bei der Frage, ob nun Wasser oder Öl Heiz- und Kühlgeräte die bessere Lösung sind, gehen die Expertenmeinungen auseinander. Als Hersteller von beiden Gerätetypen sehen wir tendenziell mehr Vorteile beim Einsetzen von Öl Temperiersystemen. Dies einerseits aufgrund der längeren Standzeit der Werkzeugform sowie andererseits aufgrund der einfacheren Wartung von Heiz- und Kühlgeräten mit Öl. Dem Nachteil von ölbedingt grösseren Formkanälen kann während der Werkzeugkonzeption und durch geeignete Werkzeugkonzepte entgegengewirkt werden.

Der Einsatz von Ölgeräten bietet bei hohen Werkzeugtemperaturen viele Vorteile:

• Höhere Betriebstemperaturen
• Weniger Spannung durch Temperaturdifferenzen
• Längere Standzeiten der Form
• Tiefere Unterhaltskosten

Damit allerdings ein Öl Temperiergerät diese Vorteile tatsächlich ausspielen kann, muss genügend Mediumzirkulation im Werkzeug vorhanden sein. Aus diesem Grund sind alle Tool-Temp Geräte mit einer Durchflussmessung ausgerüstet.

Ob beim Druckguss mehrheitlich geheizt oder gekühlt wird, hängt von der Masse des Druckgussteiles ab. Bei kleinen Teilen wird überwiegend geheizt und bei grossen Teilen eher gekühlt. Tool-Temp Geräte sind so ausgelegt, dass die Oberflächenbelastung der Heizung (W/cm²) sehr tief ist, um eine Überhitzung des Öls zu verhindern und somit einer schnellen Alterung entgegenzuwirken.

Die Wärmetauscher sind so konstruiert und ausgelegt, dass sich diese nach beendigtem Kühlvorgang selbst entleeren und somit nicht verkalken oder verschmutzen. Bei den Pumpen kann zwischen herkömmlichen Pumpen mit Gleitringdichtung und dichtungslosen magnetgekoppelten Pumpen ausgewählt werden.

Bei den Ölen wird zwischen Wärmeträgerölen auf Mineralölbasis und synthetischen Wärmeträgerflüssigkeiten unterschieden. Öle auf Mineralölbasis können bis ca. 270°C eingesetzt werden. Die meisten synthetischen Öle erreichen eine Einsatztemperatur von bis max. 320°C. Bei einem Temperaturbereich von 320°C bis 360°C stehen erfahrungsgemäss nur noch wenige Wärmeträger zur Verfügung. Neben der synthetischen Wärmeträgerflüssigkeit Marlotherm SH empfiehlt Tool-Temp den hauseigenen Wärmeträger TOOL-THERM SH3. TOOL-THERM SH3 ist ein auf mineralölbasierter Wärmeträger, welcher eine hohe Beständigkeit auch bei Temperaturen bis 360°C aufweist.

Beim Einsatz von Thermalölen gilt zu beachten, dass bei Temperaturen von > 250°C koksartige Ablagerungen in den Rohrleitungen und besonders im Tankbereich entstehen können. Sind einmal solche Rückstände vorhanden, altern die Öle schneller und werden dabei sauer. Gleichzeitig sind sie leichter entzündbar, weil durch die daraus entstehenden Crackprodukte¹ die Viskosität und der Flammpunkt abnehmen. Hier empfiehlt Tool-Temp die Qualität des verwendeten Öls regelmässig zu überprüfen und gegebenenfalls zu ersetzen.

Bei der Herstellung von Druckgussteilen aus Aluminium, Zink und Magnesium ist die Beherrschung der thermischen Vorgänge in der Werkzeugform entscheidend für die Effizienz und Qualität ihrer Verarbeitung. Ein stabiler Wärmehaushalt und die Reduktion der Spitzentemperatur an der Formoberfläche beugen einer frühzeitigen Schädigung der Werkzeugform, etwa durch Spannungsrisse, vor und erhöhen deren Standzeit signifikant. Und: Ein hoher Ausschussanteil ist im Druckguss meist auf eine ungenügende Formtemperierung zurückzuführen.

Das Druckgussverfahren ist ein industrieller Prozess, bei welchem geschmolzenes Metall in Stahlformen gegossen oder gedrückt wird. Dieser vollautomatische Prozess, bei dem das flüssige Metall (Aluminium, Zink oder Magnesium) mit einem Druck von 1’500 bis 1’200 bar in die Werkzeugform geschossen wird, wird vorwiegend bei Grossserien eingesetzt. Vorteile des Druckgusses ist die grosse wiederholbare Genauigkeit der Formteile, die Komplexität der Teile in Bezug auf ihre Form und auch Wandstärke sowie eine hohe Wirtschaftlichkeit. Die grossen mechanischen Anforderungen an das Verfahren, wie z. B. Zuhaltekraft, Temperaturschwankungen, Verschleiss durch hohe Kräfte beim Auftreffen der Schmelze, erfordern kostenintensive Maschinen und Druckgiessformen. Die benötigten Peripherieeinheiten, wie Formsprühmaschinen in verschiedenen Ausführungen, Heiz- und Kühlgeräte zum Temperieren der Form sowie Entnahmevorrichtungen und Auswerfer, ergeben einen hohen Automatisierungsgrad des Verfahrens. Tool-Temp unterstützt ihre Kunden bei diesem sehr anspruchsvollen Prozess durch eigens den Bedingungen angepasste Heiz- Kühlgeräte. Die Kühlung dieser komplexen Werkzeugformen kann mit Wasser oder Öl erfolgen. Das breite Produktsortiment von Tool-Temp bietet für beide Kühlformen geeignete Temperiersysteme, die auf Bedarf auch in die Maschinensteuerung integriert werden können.

Das Druckgiessverfahren kann in zwei Prozessvarianten eingeteilt werden:

• Warmkammer-Druckguss
• Kaltkammer-Druckguss

Der massgebliche Unterschied liegt im Speisesystem, mit dem die flüssige Metallschmelze dem Gussprozess zur Verfügung gestellt wird. Die Wahl der Verfahrensvariante ist von der Schmelztemperatur des zu verarbeitenden Werkstoffs abhängig.

A. Warmkammerverfahren
Warmkammerdruckgussmaschinen bestehen aus einer Presse, auf der die Gussform aufgespannt ist und einem direkt angebundenen Ofen mit Dosiereinheit. Das Material lagert dabei flüssig als Schmelze in einem Tiegel. Beim Schussprozess fährt der Druckkolben in der Druckeinheit herunter und verdrängt die Schmelze aus der Druckkammer über den Steigkanal und die Düse in die Kavitäten der Gussform. Nach dem Schuss kehrt der Druckkolben in seine Ausgangsstellung zurück. Gleichzeitig öffnet sich die Kavität und das Werkstück wird mit Hilfe von Auswerfern aus der beweglichen Formhälfte gedrückt. Ein Zyklus dauert, je nach Werkstückgrösse, zwischen 3 und 9 Sekunden.

Die Giesseinheit steht in ständigem Kontakt mit der flüssigen Schmelze. Um die Formteile der Giesseinheit nicht über die technischen Grenzen zu belasten, ist die Prozesstemperatur im Warmkammerverfahren auf < 500° C beschränkt. Dies bedeutet, dass nur niederschmelzende Metalllegierungen verarbeitet werden können, wobei Zink- und Zinnbasislegierungen zu den relevantesten Vertretern zählen. Bei höheren Temperaturen ist ein Dauerkontakt von Schmelze und Giesseinheit nicht mehr möglich, da der Verschleiss stark beschleunigt würde, die Prozesssicherheit aufgrund von Schlacke Bildung und Abklebungen nicht mehr gegeben wäre und die Schmelze zudem durch Diffusionsprozesse aus den Formteilen der Giesseinheit chemisch verunreinigt würde.

B. Kaltkammerverfahren
Kaltkammerdruckgussmaschinen bestehen streng genommen nur aus dem Pressaggregat, in dem die Dauerform verbaut ist, und müssen extern mit dem flüssigen Metall gespeist werden. Die Dosierung vor jedem Schuss geschieht manuell oder über einen Schmelzofen mit Dosierroboter. Vor jedem Schuss wird dazu die benötigte Menge an flüssigem Material in die Giesskammer gefüllt. Anschliessend wird die Schmelze bei geschlossener Dauerform mit Geschwindigkeiten bis 200 m/s in die Kavität gepresst. Nach der raschen Abkühlung wird das Werkzeug geöffnet und das Werkstück herausgepresst. Beim Kaltkammerverfahren kann mit Zykluszeiten > 30 Sekunden gerechnet werden. Zu den verarbeiteten Legierungen zählen überwiegend Aluminium-, Kupfer- und Magnesiumbasislegierungen. Da anders als beim Warmkammerverfahren die Giesseinheit (Kammer, Kolben) vom Schmelzreservoir entkoppelt liegt, wird die thermische Belastung zyklisch unterbrochen. Die Prozesstemperaturen liegen jedoch insgesamt auf einem höheren Niveau, wodurch die Standzeiten auf etwa 50’000 bis 200’000 Schüsse (Aluminium) eingeschränkt sind.

C. Weitere Verfahren
Neben den ersten beiden Druckgiessvarianten lassen sich weitere Verfahren unterscheiden:

C1. Acurad-Verfahren
Das Acurad-Verfahren wird bei dickwandigen Werkstücken verwendet, bei denen Gaseinschlüsse kritisch sind. Anders als beim konventionellen Druckguss wird die Schmelze mit geringem Druck und durch einen Anguss mit einem relativ grossen Durchmesser geleitet. Dadurch wird das flüssige Material laminar in die Dauerform geleitet und die Kavität wird gleichmässig entgast, wodurch weniger Gaseinschlüsse im Material auftreten. Nach der Füllung der Dauerform drückt ein zweiter Zylinder auf die erstarrende Schmelze, sodass verbleibende Porosität reduziert wird. Für dünnwandige Werkstücke ist dieses Verfahren aufgrund der langsamen Formfüllung ungeeignet.

C2. Vakuum- und Hochvakuumdruckguss
Im Vakuumdruckguss wird die Dauerform vor jedem Schuss evakuiert. Das flüssige Material wird dann in die luftleere Kavität geschossen und erstarrt zeitnah. Die Evakuierung bewirkt eine deutliche Senkung des Gasgehaltes in der eingeleiteten Schmelze. Der Vakuumdruckguss ermöglicht es, Aluminium Druckgussteile schweissbar und wärmebehandelbar herzustellen, da der störende Sauerstoff auf einem Minimum gehalten wird.

C3. Thixotroper Druckguss
Unter dem Thixotropen Druckguss versteht man das Giessen des Materials im teilflüssigen Zustand. In diesem Zustand verhalten sich Werkstoffe ohne Fremdeinwirkung wie ein Feststoff. Erfährt das Material jedoch eine Scherspannung, fliesst es und wird verformbar. Dieser Zustand lässt sich in verschiedenen Massen bei Legierungen in bestimmten engen Temperaturintervallen erreichen. Während des thixotropen Zustands weist das Material ein besonders vorteilhaftes Gefüge auf. Das Korn ist besonders fein und beim Giessen wird der Werkstoff nicht verflüssigt, sodass sich sein Volumen nicht drastisch ändert, was Schwindungsporosität verhindert. Nachteilig sind bei diesem Verfahren jedoch die hohen Kosten für das Rohmaterial, da dieses eine bestimmte Legierung aufweisen muss, um es prozesssicher verarbeiten zu können. Auch ist die genaue Einstellung des Temperaturniveaus im Serienprozess sehr aufwendig.

Im Druckgussprozess haben Trenn- und Hilfsstoffe eine entscheidende Bedeutung.
Im Druckgiessprozess ist die Verwendung von Trennstoffen notwendig, um die Gussteile problemlos zu entformen, eine hohe Bauteilqualität zu erreichen und eine externe Kühlung der Formoberfläche zu gewährleisten. Einer gezielten Auswahl des richtigen Produktes ist oberste Priorität beizumessen. Eine reduzierte Produktivität durch verlängerte Sprühzeiten, erhöhte Ausschussraten durch Porosität im Gefüge, Entformungsdefekte, Beeinträchtigung der Lackierfähigkeit der Bauteile, ein erhöhter Reinigungsaufwand durch Trennstoffrückstände in der Formkavität und am Formrahmen, sogar ein Produktionsstillstand durch Metallverklebungen in der Kavität können die Folgen der Verwendung von ungeeigneten Trennstoffen sein. Die im Aluminiumdruckguss verwendeten Trennstoffe sind meist flüssig und werden im Sprühverfahren aufgetragen. Man unterscheidet zwischen wasserbasierten und wasserfreien Trennstoffen.

Wasserbasierte Trennstoffe
Wasserbasierte Trennstoffe sind meist Wasser in Ölemulsionen. Das Wasser dient dabei als Trägermatrix und verdampft aufgrund des relativ niedrigen Siedepunktes schnell und kühlt die oberflächennahe Schicht des Werkzeuges. Die Emulsion ermöglicht ein gleichmässiges Auftragen der hochviskosen trennwirksamen Bestandteile.

Mikrosprühen, so wird der neue Ansatz zur Ressourcenschonung genannt. Hier wird ein sehr geringes Volumen auf die Formoberfläche gesprüht. Dies hat zum Vorteil, dass keine Wasser zur Verdünnung der Trennstoffe benötigt wird und somit das teure Entsorgen des Abwassers entfällt. Zudem reduzieren sich die Zykluszeiten und der thermischen Wechselbelastung der Form muss keine Beachtung geschenkt werden. Die Formstandzeit kann dabei beachtlich verlängert werden.

Wasserfreie Trennstoffe
Hier werden als Träger niederviskose Öle oder Lösungsmittel eingesetzt. Die Trennwirkung der Trägersubstanz ist analog zum Wasser, sie dient hauptsächlich der gleichmässigen Verteilung. Durch das Vernebeln der brennbaren Flüssigkeiten auf die heisse Form entsteht jedoch ein Feuerrisiko und die Gefahr einer Umweltbelastung.

In Bezug auf die Teilequalität, Formstandzeit und einen effizienten Druckgiessprozess spielen neben den Trenn- und Hilfsstoffen auch die Temperierung respektive die Kühlung der Druckgiessform eine entscheidende Rolle.

Noch heute gibt es Anwendungen, bei denen Druckgussformen nur mit Wasser gekühlt werden und die Aufheizung mit Gasbrennern oder Infrarotheizungen erfolgt.

Aus technischen wie auch wirtschaftlichen Gründen haben sich allerdings mehrheitlich Heiz- und Kühlsysteme durchgesetzt, welche mit Öltemperaturen bis 360°C, respektive Druckwasser bis 180°C arbeiten.

• Aufheizen mit Gasbrennern / Infrarotheizungen, Kühlung mit Kaltwasser
• Aufheizen und Kühlen mit Wärmeträgeröl bis 360°C
• Aufheizen und Kühlen mit Druckwassergeräten bis 160°C respektive 230°C
  

Der grosse Nachteil dieser Form des Temperierens liegt in den grossen Temperaturunterschieden und den daraus resultierenden Materialspannungen im Werkzeug. Dies wirkt sich negativ auf die Standzeit des Werkzeuges aus und bei jedem Produktionsunterbruch muss das Werkzeug wieder auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. In der Folge verlängern sich die Anfahrzeiten und die Ausschussraten sind erheblich höher. In den meisten Fällen wird diese Variante gewählt, wenn die Formkanäle zu klein dimensioniert sind und deshalb der Einsatz von Temperiersystemen verunmöglicht wird.

Die Temperierung mit Temperiergeräten, sei dies mit Wasser oder Öl, bietet in vielerlei Hinsicht Vorteile gegenüber dieser Variante.