Praktisches DFM im Druckguss: Strategien für Kosten und Qualität

Zusammenfassung

Die Gestaltung von Druckgussteilen für die Herstellbarkeit (DFM) ist eine entscheidende ingenieurtechnische Maßnahme zur Optimierung der Bauteilgestaltung hinsichtlich effizienter und kostengünstiger Produktion. Das Hauptziel besteht darin, die Fertigungskomplexität zu minimieren, wodurch Kosten gesenkt und die Qualität des Endprodukts verbessert werden. Dies beinhaltet die Einhaltung grundlegender Prinzipien wie die Anwendung von Auszugsschrägen für eine leichte Entformung des Teils aus der Form, die Aufrechterhaltung gleichmäßiger Wandstärken zur Vermeidung von Fehlerstellen wie Porosität sowie den gezielten Einsatz von Merkmalen wie Rundungen und Versteifungsrippen, um die Festigkeit zu erhöhen und gleichzeitig den Materialverbrauch zu verringern.

Grundprinzipien der DFM beim Druckguss: Auszugsschräge, Wandstärke und Radien

Die Grundlage eines effektiven Gießformdesigns für die Herstellbarkeit beruht auf wenigen wesentlichen Prinzipien, die Qualität, Kosten und Produktionsgeschwindigkeit direkt beeinflussen. Das Beherrschen dieser Konzepte ist der erste Schritt, um ein Bauteil zu schaffen, das nicht nur funktional, sondern auch kostengünstig in der Produktion ist. Ihre Missachtung kann zu einer Kettenreaktion von Problemen führen, angefangen bei schwieriger Ausstoßung und Materialverschwendung bis hin zu kritischen strukturellen Ausfällen. Diese grundlegenden Grundsätze – Abschrägung, Wanddicke sowie die Verwendung von Fasen und Radien – berücksichtigen die Physik des Fließverhaltens und der Erstarrung von flüssigem Metall innerhalb der Form.

A zugwinkel ist eine leichte Neigung, die auf alle Oberflächen aufgebracht wird, die parallel zur Öffnungsrichtung der Form liegen. Diese geringe Neigung, typischerweise zwischen 1 und 3 Grad, ist entscheidend, damit das gegossene Teil sauber und ohne Beschädigung aus der Form ausgestoßen werden kann. Während das flüssige Metall abkühlt und sich zusammenzieht, kann es sich fest an innere Formelemente anlagern. Ohne Abschrägung könnten die erforderlichen Ausstoßkräfte das Bauteil verformen oder brechen. Wie detailliert beschrieben in Gabrians Designanleitung , Außenwände benötigen weniger Neigung, da das Bauteil beim Schrumpfen davon weggezogen wird, während Innenwände und Löcher eine größere Neigung erfordern, weil sich das Metall darum zusammenzieht.

Wartung einer gleichmäßige Wandstärke ist vermutlich eine der wichtigsten DFM-Regeln. Wenn Wandabschnitte stark variieren, kühlt sich das flüssige Metall unterschiedlich schnell ab. Dickere Abschnitte brauchen länger zum Erstarren, was innere Spannungen, Porosität (Luftblasen) und Einsinkstellen an der Oberfläche verursachen kann. Umgekehrt können zu dünne Wände dazu führen, dass das Metall vorzeitig erstarrt und die Form nicht vollständig gefüllt wird – ein Fehler, der als unvollständige Füllung (Short Shot) bezeichnet wird. Die meisten Konstruktionen zielen auf eine Wandstärke zwischen 1,5 mm und 4 mm ab. Falls Wandstärkenvariationen unvermeidbar sind, sollte der Übergang allmählich und sanft erfolgen, um einen gleichmäßigen Metallfluss und eine gleichmäßige Abkühlung sicherzustellen.

Schließlich ist die Vermeidung scharfer Ecken entscheidend. Dies wird erreicht, indem rundungen und Radien —gekrümmte Übergänge zwischen Flächen. Fasen werden an Innenecken angebracht, während Radien an Außenecken verwendet werden. Scharfe innere Ecken erzeugen Spannungskonzentrationsstellen, die unter Belastung zu Bruchstellen führen können. Außerdem stören sie den gleichmäßigen Fluss der Schmelze und verursachen Turbulenzen, die zu Porosität führen können. Das Hinzufügen ausreichender Fasen und Radien, selbst wenn sie nur 0,5 mm betragen, verbessert den Metallfluss, verstärkt das Bauteil und trägt zu einem robusteren und zuverlässigeren Endprodukt bei.

Wichtige bewährte Gestaltungspraktiken

• Auszugswinkel: Tragen Sie auf allen vertikalen Flächen eine Abschrägung von mindestens 1–2 Grad auf, um eine leichte Entformung des Bauteils sicherzustellen. Erhöhen Sie den Winkel bei Innenwänden und tiefen Geometrien.
• Wandstärke: Streben Sie eine einheitliche Dicke über das gesamte Bauteil hinweg an. Falls sich die Dicke ändern muss, verwenden Sie fließende Übergänge, um Fehler zu vermeiden und eine gleichmäßige Abkühlung sicherzustellen.
• Fasen & Radien: Ersetzen Sie alle scharfen Ecken durch abgerundete Kanten. Verwenden Sie Fasen an Innenecken und Radien an Außenecken, um Spannungen zu verringern und den Metallfluss zu verbessern.

Verstärkungsteile und Gewichtsreduzierung: Rippen, Aufsätze und Aussparungen

Ein zentrales Ziel des DFM ist es, Teile herzustellen, die die Festigkeitsanforderungen erfüllen, ohne überflüssiges Material einzusetzen, das Kosten und Zykluszeiten erhöht. Drei wesentliche Merkmale helfen Konstrukteuren, dieses Gleichgewicht zu erreichen: Rippen, Aufsätze und Aussparungen. Wenn sie richtig ausgelegt sind, verbessern diese Elemente die strukturelle Integrität und Funktionalität und optimieren gleichzeitig das Bauteil für den Druckgussprozess. Sie ermöglichen feste, leichte Konstruktionen, die effizient gefertigt werden können.

Rippen sind dünne, wandartige Elemente, die verwendet werden, um eine Bauteilstütze und -versteifung hinzuzufügen, ohne die Gesamtwanddicke zu erhöhen. Dies ist entscheidend, um Verzug zu vermeiden und das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht zu verbessern. Durch die Einbindung von Rippen kann ein Konstrukteur eine dünne, gleichmäßige Wandstärke über das gesamte Bauteil beibehalten, während kritische Bereiche verstärkt werden. Für optimale Ergebnisse sollten Rippen so ausgelegt sein, dass sie einen Bruchteil der Hauptwanddicke betragen, typischerweise etwa 60 %, um Senkstellen auf der gegenüberliegenden Oberfläche zu verhindern. Darüber hinaus können Rippen als Kanäle wirken, die dabei helfen, flüssiges Metall in entfernte oder komplexe Bereiche der Gießform zu leiten.

Bolzen sind zylindrische Vorsprünge, die als Befestigungspunkte, Abstandshalter oder Positionen für Verbindungselemente dienen. Anstatt Löcher in einen dicken Bereich des Bauteils nach dem Gießen zu bohren, können Vorsprünge direkt in die Konstruktion integriert werden, wodurch erheblich Zeit und zusätzliche Bearbeitungsschritte eingespart werden. Um dem Grundsatz der einheitlichen Wanddicke zu entsprechen, sollten Vorsprünge ausgekohlt sein, d. h., sie weisen ein Loch in der Mitte auf. Dadurch wird verhindert, dass sie sich zu massiven Materialansammlungen entwickeln, die langsam abkühlen und Fehler verursachen würden. Sie sollten außerdem mit großzügigen Rundungen und Rippen an die Hauptwände angebunden sein, um Festigkeit und einen gleichmäßigen Metallfluss sicherzustellen.

Um den Materialverbrauch und das Bauteilgewicht weiter zu reduzieren, können Konstrukteure gezielt hinzufügen taschen oder Hohlprofile. Dieser Prozess, oft als „Aushöhlen“ bezeichnet, entfernt Material aus Bereichen, die nicht strukturell kritisch sind. Durch die Erzeugung dieser Hohlräume kann eine gleichmäßige Wanddicke über das gesamte Bauteil hinweg beibehalten werden, auch bei komplexen Geometrien. Dadurch werden nicht nur Materialkosten gespart, sondern auch die Abkühlzeit in der Form verkürzt, was zu schnelleren Produktionszyklen führt. Es ist eine sorgfältige Analyse erforderlich, um sicherzustellen, dass die Ausnehmungen die Gesamtstabilität oder Funktion des Teils nicht beeinträchtigen.

Optimierung für Form und Entformung: Trennlinien, Hinterschneidungen und Auswerferstifte

Ein erfolgreichter Druckgussteil ist das Ergebnis einer Synergie zwischen der Geometrie des Teils und der Mechanik des Werkzeugs. Konstruktionsentscheidungen, die ohne Berücksichtigung der Werkzeugtechnik getroffen werden, können zu teuren, komplexen Formen und hohen Ausschussraten führen. Wichtige Aspekte in diesem Bereich sind die Lage der Trennlinie, die Handhabung von Hinterschneidungen und die Position der Auswerferstifte. Eine durchdachte Gestaltung in diesen Bereichen vereinfacht das Werkzeug, senkt die Kosten und gewährleistet, dass das Teil nach dem Gießen zuverlässig aus der Form entnommen werden kann.

Die trennlinie ist die Naht, an der die beiden Hälften des Werkzeugs zusammentreffen. Ihre Lage ist eine der ersten und wichtigsten Entscheidungen beim Werkzeugdesign, da sie nahezu jede andere Eigenschaft beeinflusst. Eine einfache, ebene Trennfläche wird stets bevorzugt, da sie die Herstellung des Werkzeugs einfacher und kostengünstiger macht. Eine komplexe, nicht-ebene Trennfläche kann die Werkzeugkosten erheblich erhöhen und zu Problemen mit Grat führen – einem dünnen Überstand aus überschüssigem Metall, der an der Naht austritt und in einer nachfolgenden Bearbeitung entfernt werden muss. Konstrukteure sollten darauf achten, das Bauteil so auszurichten, dass eine möglichst gerade Trennfläche ermöglicht wird.

Unterfertigungen sind Merkmale, die verhindern, dass ein Bauteil direkt aus einer einfachen zweiteiligen Form herausgeschossen werden kann. Dazu gehören vertiefte Flächen oder Merkmale, die bewirken würden, dass das Bauteil in der Form feststeckt. Obwohl solche Untercuts manchmal aus funktionalen Gründen notwendig sind, sollten sie nach Möglichkeit vermieden werden, da sie Seitenkerne oder Schieber erfordern – bewegliche Komponenten innerhalb der Form, die das Unter cut-Merkmal formen und sich vor dem Auswerfen zurückziehen müssen. Diese Mechanismen erhöhen deutlich die Kosten, Komplexität und potenziellen Fehlerquellen des Werkzeugs. Falls ein Unter cut unvermeidbar ist, ist es entscheidend, mit einem erfahrenen Fertigungspartner zusammenzuarbeiten, um die effizienteste Werkzeuglösung zu finden. Unternehmen mit eigener Werkzeugauslegungskapazität können wertvolle Expertise bei der Optimierung komplexer Werkzeuge für die Fertigung bereitstellen.

Und schließlich: auswerferstifte sind Stahlstäbe, die das erstarrte Gussteil aus dem Formhohlraum herausdrücken. Diese Stifte sind für die Teileentnahme unerlässlich, hinterlassen aber zwangsläufig kleine, runde Markierungen auf der Oberfläche des Teils. Die Aufgabe des Konstrukteurs besteht darin, nicht kritische oder nicht sichtbare Oberflächen zu identifizieren, an denen diese Markierungen akzeptabel sind. Es ist ideal, Auswerferstiftmarkierungen auf flachen, robusten Oberflächen anzubringen, da dies eine gleichmäßige Kraftverteilung während der Auswurfphase gewährleistet und das Risiko einer Verformung des Teils minimiert. Eine frühzeitige Kommunikation dieser akzeptablen Positionen an den Werkzeugmacher verhindert optische Mängel am Endprodukt.

Konstruktionscheckliste für einfache Entformung

• Vereinfachen Sie die Trennebene so weit wie möglich, um sie möglichst flach und gerade zu gestalten.
• Vermeiden Sie Hinterschneidungen, wo immer möglich, um kostspielige Seitenkerne und Schieber zu vermeiden.
• Berücksichtigen Sie großzügige Abschrägungswinkel auf allen Oberflächen, die parallel zur Bewegungsrichtung der Form liegen.
• Identifizieren Sie nicht-sichtbare Oberflächen, an denen Auswerferstiftmarkierungen zulässig sind.
• Stellen Sie sicher, dass Auswerferstifte auf ebenen, stabilen Flächen angeordnet sind, um Verziehungen während des Auswurfs zu vermeiden.

Häufig gestellte Fragen zum DFM im Druckguss

1. Was ist im Design for Manufacturing (DFM) enthalten?

Das Design for Manufacturing (DFM) im Druckguss umfasst eine Reihe von Grundsätzen, die darauf abzielen, die Konstruktion eines Bauteils für eine einfache Fertigung zu vereinfachen und zu optimieren. Zu den wichtigsten Aspekten gehören die Anwendung von Abschrägungswinkeln für den Auswurf, die Gewährleistung gleichmäßiger Wandstärken zur Vermeidung von Fehlerstellen, der Einsatz von Rundungen und Radien, um scharfe Kanten zu vermeiden, sowie die Konstruktion von Verstärkungsrippen und Aufsätzen, um die Festigkeit zu erhöhen und gleichzeitig Material einzusparen. Ebenso werden werkzeugseitige Überlegungen berücksichtigt, wie die Vereinfachung der Trennlinie und das Vermeiden von Hinterschneidungen.

2. Wie gehen Sie bei der Gestaltung für die Fertigungsgerechtheit vor?

Der Ansatz beginnt früh in der Entwurfsphase, indem der gesamte Fertigungsprozess berücksichtigt wird. Er beinhaltet die Zusammenarbeit mit Fertigungsingenieuren, um mögliche Produktionsprobleme zu identifizieren. Zu den wichtigsten Schritten gehören die Vereinfachung des Designs, die Minimierung der Anzahl von Teilen, die Standardisierung von Komponenten, wo immer möglich, sowie die Einhaltung prozessspezifischer Regeln, wie beispielsweise für das Druckgießen (Entformungsschrägen, Wanddicken usw.). Ziel ist es, Fertigungsprobleme bereits am Zeichenbrett proaktiv zu lösen, wo Änderungen kostengünstig sind, statt auf der Produktionsfläche, wo sie teuer sind.

3. Was zeichnet ein Design für die Fertigung aus?

Die Gestaltung für die Herstellbarkeit zeichnet sich durch ihren Fokus auf Effizienz, Kostenreduzierung und Qualitätsverbesserung durch intelligente Konstruktionsentscheidungen aus. Eine für die Herstellbarkeit optimierte Konstruktion ist in der Regel einfacher, verbraucht weniger Material, erfordert weniger Nachbearbeitungsschritte und weist eine geringere Fehlerquote auf. Sie spiegelt ein tiefes Verständnis der Fähigkeiten und Grenzen des gewählten Fertigungsverfahrens wider und führt zu einem Produkt, das nicht nur funktional, sondern auch wirtschaftlich und zuverlässig in großen Stückzahlen herstellbar ist.