Formfüllung und Vakuum im Druckguss: Warum Geschwindigkeit, Druck und Entlüftung entscheidend sind
Die Formfüllung ist eine der entscheidenden Phasen des Druckgießprozesses. Die Schmelze muss alle Bereiche der Druckgießform erreichen, bevor eine zu starke Erstarrung einsetzt. Gleichzeitig müssen Luft und Prozessgase kontrolliert aus dem Formhohlraum entweichen können. Gießgeschwindigkeit, Gießsystemgestaltung, Druckaufbau, Entlüftung und Vakuum haben deshalb direkten Einfluss auf Bauteilqualität und Prozesssicherheit.
Warum sind Formfüllung und Vakuum im Druckguss wichtig?
Während der Formfüllung wird die flüssige Schmelze durch das Gießsystem beschleunigt und in den Formhohlraum eingebracht. Ziel ist eine vollständige Füllung, bevor das Metall zu stark erstarrt. Gleichzeitig sollten unnötige Turbulenzen, Lufteinschlüsse und starke Belastungen der Druckgießform möglichst vermieden werden.
Beim Vakuum-Druckguss werden Luft und Gase vor und während der Formfüllung aktiv aus dem Gießsystem und dem Formhohlraum abgesaugt. Dadurch kann gasbedingte Porosität reduziert werden. Das ist besonders bei hohen Anforderungen an Dichte, mechanische Eigenschaften, Dichtheit, Schweißbarkeit oder nachfolgende Bearbeitung relevant.
Was passiert während der Formfüllung?
Der eigentliche Gießvorgang beginnt bereits bevor die Schmelze den Formhohlraum erreicht. Bei einer Kaltkammer-Druckgussmaschine wird das flüssige Metall zunächst in die Gießkammer dosiert. Der Gießkolben bewegt sich anschließend zunächst kontrolliert vorwärts, damit die Schmelze in Richtung Anschnitt transportiert wird, ohne unnötige Wellenbewegungen und zusätzliche Lufteinschlüsse zu erzeugen.
Anschließend wechselt die Maschine in die schnelle Füllphase. Der Gießkolben beschleunigt und presst die Schmelze über Lauf- und Anschnittsystem in den Formhohlraum. Ist die Form gefüllt, wird die Kolbenbewegung stark abgebremst und während der beginnenden Erstarrung Druck auf das Metall übertragen.
Die Formfüllung besteht aus mehr als einer schnellen Kolbenbewegung
Ein stabiler Druckgießprozess entsteht nur, wenn die einzelnen Phasen des Gießprofils aufeinander abgestimmt sind. Die konkreten Parameter hängen von Legierung, Maschine, Werkzeug und Bauteil ab. Funktional lässt sich der Ablauf jedoch in mehrere wichtige Phasen unterteilen.
Metall dosieren
Beim Kaltkammer-Druckguss wird die benötigte Menge flüssigen Metalls in die Gießkammer eingebracht. Eine gleichmäßige Dosierung ist eine wichtige Grundlage für einen reproduzierbaren Gießprozess.
Kontrollierter Kolbenvorlauf
Der Gießkolben bewegt die Schmelze in Richtung Anschnitt. Die Bewegung sollte übermäßige Wellenbildung, Turbulenzen und unnötige Lufteinschlüsse in der Gießkammer vermeiden.
Schnelle Formfüllung
Der Gießkolben beschleunigt und die Schmelze gelangt über den Anschnitt in den Formhohlraum. Die Füllgeschwindigkeit muss so gewählt werden, dass der Formhohlraum gefüllt wird, bevor eine zu starke Erstarrung einsetzt.
Druckaufbau und Nachdruck
Nach abgeschlossener Formfüllung wird die Kolbenbewegung gestoppt und Druck auf die Schmelze übertragen. Solange eine flüssige Metallverbindung vorhanden ist, kann dieser Druck zur Verdichtung während der Erstarrung beitragen.
Erstarren und Entnahme
Sobald das Gussteil ausreichend erstarrt ist, öffnet die Druckgießform. Das Bauteil kann anschließend ausgeworfen und aus der Maschine entnommen werden.
Schneller ist nicht automatisch besser
Eine der zentralen Aufgaben bei der Prozessauslegung ist die Festlegung einer geeigneten Formfüllzeit. Die Schmelze muss ausreichend fließfähig bleiben, um auch dünne Wandbereiche und weiter entfernte Zonen des Formhohlraums zu erreichen. Eine möglichst hohe Geschwindigkeit führt jedoch nicht automatisch zu einer besseren Gussteilqualität.
| Füllzustand | Mögliche Auswirkung | Typisches Risiko |
|---|---|---|
| Zu langsam | Die Schmelze verliert Temperatur und beginnt zu erstarren, bevor der Formhohlraum vollständig gefüllt ist. | Unvollständige Füllung, Kaltlaufstellen, Fließmarken und schlechtere Oberflächenqualität. |
| Prozessgerecht | Der Formhohlraum wird innerhalb der erforderlichen Zeit mit einem kontrollierten Strömungsverlauf gefüllt. | Ein stabiler Prozess setzt voraus, dass Gießprofil, Gießsystem und Werkzeugtemperatur auf das Bauteil abgestimmt sind. |
| Zu schnell | Das Metall tritt mit unnötig hoher kinetischer Energie und stärkeren Turbulenzen in den Formhohlraum ein. | Mehr Lufteinschlüsse, Werkzeugerosion, Anhaftungen, Gratbildung oder hohe dynamische Druckspitzen. |
Warum der Druck nach der Formfüllung wichtig ist
Der Druck im Formhohlraum bleibt während eines Gießvorgangs nicht konstant. Sobald die Schmelze den Anschnitt erreicht und in den Formhohlraum eintritt, entstehen dynamische Druckverhältnisse. Während der Füllung verändert sich der Druck abhängig davon, wie das Metall durch die unterschiedlichen Bereiche des Bauteils strömt.
Ist die Formfüllung abgeschlossen und der Gießkolben kommt zum Stillstand, kann ein höherer statischer Druck auf die Schmelze übertragen werden. Dieser Druck kann Bereiche verdichten, die noch flüssig oder teilweise flüssig sind.
Die Druckübertragung funktioniert jedoch nur so lange, wie zwischen Gießkolben und dem betreffenden Bereich des Gussteils eine durchgehend flüssige Metallverbindung besteht. Erstarrt beispielsweise ein dünner Anschnitt, kann zusätzlicher Druck nicht mehr wirksam in den Formhohlraum übertragen werden.
Woher kommt die Luft in einer Druckgießform?
Bevor die Schmelze eintritt, befinden sich im Lauf- und Anschnittsystem sowie im Formhohlraum Luft. Beim Kaltkammer-Druckguss kann zusätzlich Luft in der Gießkammer vorhanden sein. Während des Prozesses können außerdem Gase aus Trennmitteln und Schmierstoffen entstehen.
Da der Formhohlraum beim Druckguss innerhalb sehr kurzer Zeit gefüllt wird, muss diese Luft schnell entweichen können. Kann das Gas nicht rechtzeitig aus dem Formhohlraum austreten, bevor es von der Schmelze umschlossen wird, kann es im Gussteil eingeschlossen werden und zu gasbedingter Porosität beitragen.
Überläufe können in Bereichen angeordnet werden, die zuletzt gefüllt werden. Luft, Gase und die erste Metallfront können dadurch aus dem funktionalen Bauteilbereich herausgeführt werden.
Schmale Kanäle in der Trennebene ermöglichen der Luft einen kontrollierten Austritt aus dem Formhohlraum.
Spezielle Entlüftungselemente können einen vergleichsweise großen Entlüftungsquerschnitt ermöglichen und gleichzeitig die eintretende Schmelze schnell abkühlen.
Ein Vakuumsystem entfernt Luft aktiv aus dem Formhohlraum und abhängig vom Anlagenkonzept auch aus der Gießkammer.
Was bewirkt Vakuum im Druckgießprozess?
Beim vakuumunterstützten Druckguss wird die im Gießsystem vorhandene Luft vor und während der Formfüllung aktiv abgesaugt. Je nach Anlagenkonzept wirkt das Vakuum direkt auf den Formhohlraum oder kann zusätzlich die Gießkammer einbeziehen.
Das Ziel ist einfach: Die Menge an Gas soll reduziert werden, die von der schnell vorlaufenden Schmelze eingeschlossen werden kann. Ein geringerer Gasgehalt kann die innere Qualität des Gussteils verbessern und ist insbesondere bei hohen Anforderungen an mechanische Eigenschaften, Dichtheit oder nachfolgende Bearbeitungsschritte relevant.
Damit das Vakuumsystem wirksam arbeiten kann, müssen Druckgießform, Gießsystem, Anschlüsse und Dichtungen ausreichend dicht sein. Eine leistungsfähige Vakuumpumpe allein kann größere Leckagen im System nicht kompensieren.
Wann wird Vakuum besonders relevant?
Für viele Druckgussanwendungen kann eine konventionelle Entlüftung ausreichend sein. Mit steigenden Anforderungen an das Gussteil gewinnt die Vakuumunterstützung jedoch zunehmend an Bedeutung.
| Anforderung | Warum Entlüftung wichtig ist | Möglicher Beitrag von Vakuum |
|---|---|---|
| Geringe Gasporosität | Eingeschlossene Luft kann als Gasporen im Gussteil verbleiben. | Aktive Evakuierung reduziert die Menge an Luft, die eingeschlossen werden kann. |
| Dichte Bauteile | Innere Poren können abhängig von Lage und Verbindung untereinander zu Leckagewegen führen. | Eine Reduzierung gasbedingter Porosität kann die Herstellung anspruchsvoller dichter Bauteile unterstützen. |
| Hohe mechanische Anforderungen | Gasporen reduzieren den wirksamen tragenden Querschnitt und können mechanische Eigenschaften negativ beeinflussen. | Eine kontrollierte Evakuierung kann zu einer gleichmäßigeren inneren Bauteilqualität beitragen. |
| Schweißen oder Wärmebehandlung | Eingeschlossene Gase können sich bei erhöhten Temperaturen stark ausdehnen. | Gasarme Gießprozesse können bessere Voraussetzungen für nachfolgende thermische Bearbeitungen schaffen, wenn der Gesamtprozess entsprechend ausgelegt ist. |
Welche Parameter müssen gemeinsam betrachtet werden?
Die Formfüllung ist das Ergebnis mehrerer miteinander verknüpfter Prozessparameter. Nur einen einzelnen Wert zu optimieren, führt deshalb selten zu einem stabilen Gesamtprozess.
- Legierung und Schmelzetemperatur
- Werkzeugtemperatur und Temperaturverteilung
- Metallmenge und Wiederholgenauigkeit der Dosierung
- Kolbengeschwindigkeit in der langsamen Phase
- Umschaltpunkt zwischen langsamer und schneller Phase
- Kolbengeschwindigkeit in der schnellen Phase
- Position und Querschnitt des Anschnitts
- Gestaltung von Lauf- und Überlaufsystem
- Entlüftungskanäle und Entlüftungselemente
- Vakuumzeitpunkt und verfügbare Evakuierungsleistung
- Druckaufbau und Nachdruck
- Zustand und Dichtheit von Gießsystem und Druckgießform
- Trennmittelauftrag und mögliche Restfeuchtigkeit
- Wiederholgenauigkeit von Maschinensteuerung und Prozessüberwachung
Typische Hinweise auf Probleme bei Formfüllung und Entlüftung
Gussfehler lassen sich nicht allein anhand ihres Erscheinungsbildes eindeutig einem einzelnen Prozessparameter zuordnen. Wiederkehrende Fehler können jedoch darauf hinweisen, dass Formfüllung und Entlüftung systematisch überprüft werden sollten.
Unvollständige Füllung oder Kaltlaufstellen
Formfüllzeit, Metalltemperatur, Werkzeugtemperatur, Anschnittgestaltung und die Frage prüfen, ob die Schmelze kritische Bereiche erreicht, bevor eine zu starke Erstarrung einsetzt.
Wiederkehrende Gasporosität
Langsame Gießphase, Turbulenzen, Entlüftungswege, Vakuumleistung, Trennmittelauftrag und mögliche Leckagen im Vakuumsystem prüfen.
Gratbildung oder starke Druckspitzen
Zu hohe Füllgeschwindigkeit, ein ungünstiger Umschaltpunkt, unzureichende Schließbedingungen oder ein ungeeigneter Strömungsverlauf können hohe dynamische Belastungen begünstigen.
Schwankende Qualität von Schuss zu Schuss
Prüfen, ob Dosierung, Gießprofil, Werkzeugtemperatur, Vakuumzeitpunkt und Druckaufbau von Zyklus zu Zyklus reproduzierbar sind.
Warum die Formfüllung auch bei der Auswahl einer Gebrauchtmaschine wichtig ist
Bei der Bewertung einer gebrauchten Druckgussmaschine ist die Schließkraft nur ein Teil der technischen Betrachtung. Auch die Gießeinheit und deren Steuerung müssen in der Lage sein, das für das geplante Bauteil benötigte Gießprofil zuverlässig abzubilden.
Abhängig von der Produktionsaufgabe kann deshalb entscheidend sein, wie genau Kolbenbewegung, Umschaltpunkte, Druckaufbau und Prozessüberwachung geregelt werden können. Soll vakuumunterstützt produziert werden, müssen außerdem geeignete Schnittstellen und die Integration in die gesamte Druckgusszelle berücksichtigt werden.
- Zustand von Gießeinheit und Kolbensystem
- Steuerung und Wiederholgenauigkeit des Gießprofils
- Einstellbarkeit der langsamen und schnellen Gießphase
- Druck- und Nachdruckregelung
- vorhandene Prozessüberwachung und Sensorik
- Schnittstellen für Vakuumtechnik
- Maschinensteuerung und Automationsschnittstellen
- Kompatibilität mit Werkzeug und geplantem Gießprozess
Einen Überblick über aktuell angebotene gebrauchte Druckgussmaschinen finden Sie direkt bei FISS.
Wenn Sie zunächst zwischen den beiden grundlegenden Maschinenkonzepten unterscheiden möchten, lesen Sie auch unseren Beitrag Kaltkammer oder Warmkammer? .
Gute Gussteile benötigen eine kontrollierte Formfüllung – nicht einfach maximale Geschwindigkeit
Die Formfüllung ist ein Zusammenspiel verschiedener Anforderungen. Die Schmelze muss den Formhohlraum schnell genug füllen, damit keine vorzeitige Erstarrung entsteht. Gleichzeitig muss der Prozess ausreichend kontrolliert bleiben, um Turbulenzen, Gaseinschlüsse und unnötige dynamische Belastungen zu begrenzen.
Der Druck nach der Formfüllung unterstützt die Verdichtung, solange noch eine flüssige Metallverbindung vorhanden ist. Die Entlüftung bietet der verdrängten Luft einen Austrittsweg, während Vakuum die Menge an Luft und Gas im Gießsystem aktiv reduzieren kann.
Das beste Ergebnis entsteht deshalb, wenn Gießprofil, Gießsystem, Entlüftung, Vakuum, Werkzeugtemperatur und Druckaufbau als ein abgestimmter Gesamtprozess betrachtet werden und nicht als voneinander unabhängige Maschineneinstellungen.
Fragen zu Formfüllung und Vakuum im Druckguss
Was bedeutet Formfüllung beim Druckguss?
Als Formfüllung wird die Phase bezeichnet, in der flüssiges Metall über Lauf- und Anschnittsystem in den Formhohlraum eingebracht wird. Der Formhohlraum muss gefüllt werden, bevor das Metall zu stark erstarrt. Gleichzeitig werden Luft und Gase aus der Druckgießform verdrängt.
Warum ist die Füllgeschwindigkeit wichtig?
Ist die Formfüllung zu langsam, kann das Metall erstarren, bevor der Formhohlraum vollständig gefüllt ist. Zu hohe Geschwindigkeiten können dagegen Turbulenzen, Lufteinschlüsse, Werkzeugerosion und dynamische Druckbelastungen erhöhen. Die geeignete Geschwindigkeit hängt deshalb vom gesamten Gießsystem ab.
Welche Aufgabe hat die Entlüftung einer Druckgießform?
Die Entlüftung schafft einen kontrollierten Austrittsweg für Luft und Prozessgase, während die Schmelze den Formhohlraum füllt. Typische Lösungen sind Überläufe, Entlüftungskanäle und spezielle Entlüftungselemente.
Was bewirkt Vakuum beim Druckguss?
Ein Vakuumsystem entfernt aktiv Luft aus dem Formhohlraum und abhängig vom Anlagenkonzept auch aus der Gießkammer. Dadurch steht während der Formfüllung weniger Gas zur Verfügung, das in der Schmelze eingeschlossen werden kann. Gasbedingte Porosität kann dadurch reduziert werden.
Verhindert Vakuum jede Form von Porosität?
Nein. Vakuum wirkt vor allem gegen Porosität durch eingeschlossene Luft und Gase. Schwindungsbedingte Porosität entsteht während der Erstarrung und muss zusätzlich über Druck, thermische Prozessführung, Bauteilgeometrie und Prozesssteuerung beeinflusst werden.
Kann Vakuum Schweißbarkeit oder Wärmebehandlung verbessern?
Ein geringerer Gehalt an eingeschlossenen Gasen kann bessere Voraussetzungen für Schweißprozesse oder thermische Nachbehandlungen schaffen. Ob ein konkretes Bauteil geeignet ist, hängt jedoch weiterhin vom gesamten Gießprozess, der Legierung, der Bauteilgeometrie und der vorgesehenen Behandlung ab.
Was sollte bei einer gebrauchten Druckgussmaschine geprüft werden?
Neben Schließkraft und allgemeinem Maschinenzustand sollten insbesondere Gießeinheit, Gießprofilsteuerung, Druckaufbau, Prozessüberwachung und mögliche Vakuumschnittstellen mit dem vorgesehenen Produktionsprozess abgeglichen werden.
FISS hilft dabei, die Maschine auf den Gießprozess abzustimmen.
Eine geeignete gebrauchte Druckgussmaschine muss zu mehr als nur der erforderlichen Schließkraft passen. Gießeinheit, Maschinensteuerung, Werkzeugabmessungen, Peripherie und der gesamte Produktionsprozess sollten gemeinsam bewertet werden. FISS unterstützt bei der Suche nach passenden Gebrauchtmaschinen und kompletten Druckgusszellen.
Quelle
Bührig-Polaczek, A.; Michaeli, W.; Spur, G. (Hrsg.): Handbuch Urformen, Carl Hanser Verlag, Kapitel 1.6.4.1.2 „Formfüllvorgang“ und 1.6.4.1.4 „Entlüftung der Druckgießform und Gießen mit Vakuum“.
