Zusammenfassung

Für Automobilanwendungen hängt die Wahl zwischen Druckguss und Kokillenguss von einem Kompromiss zwischen Stückzahl, Kosten und Bauteilmerkmalen ab. Druckguss zeichnet sich durch die Herstellung komplexer, präziser Teile mit glatten Oberflächen bei hohen Geschwindigkeiten aus und eignet sich daher besonders für Großserien, trotz erheblicher vorheriger Werkzeugkosten. Im Gegensatz dazu erfordert der Kokillenguss geringere Werkzeuginvestitionen und liefert dichtere, festere Bauteile, wodurch er wirtschaftlicher für Klein- bis Mittelserien ist, bei denen die mechanische Integrität im Vordergrund steht.

Kernprozessmechanik: Hochdruck vs. Schwerkraftfüllung

Das Verständnis des grundlegenden Unterschieds zwischen Druckguss und Kokillenguss beginnt damit, wie das geschmolzene Metall in die Form gelangt. Diese wesentliche Unterscheidung beeinflusst nahezu alle anderen Aspekte des Verfahrens, von der Produktionssgeschwindigkeit bis hin zu den Eigenschaften des Endprodukts. Beide Verfahren verwenden wiederverwendbare Metallformen, die typischerweise aus Stahl bestehen, doch der Füllmechanismus ist völlig unterschiedlich.

Das Hochdruck-Druckgussverfahren (HPDC) ist ein hochautomatisierter Prozess, bei dem geschmolzenes Metall unter enormem Druck in eine Stahlgussform gepresst wird. Dieser Druck, der zwischen 1.500 und über 20.000 PSI liegt, stellt sicher, dass das Metall jede feine Kontur des Formhohlraums mit äußerster Geschwindigkeit ausfüllt. Der Prozess ist schnell, da das Metall rasch erstarrt, wodurch sehr kurze Zykluszeiten ermöglicht werden. Diese Geschwindigkeit ist der Hauptgrund dafür, dass das Druckgießen ein dominierendes Verfahren für massenproduzierte Automobilbauteile ist.

Im Gegensatz dazu beruht das Kokillengießen hauptsächlich auf Schwerkraft. Bei diesem Verfahren wird geschmolzenes Metall in die Form gegossen, wobei sich der Hohlraum von unten nach oben füllt. Einige Varianten verwenden einen geringen Druck (7 bis 30 PSI) oder ein Kippgussverfahren, um das Füllen zu unterstützen, doch bleibt es ein weitaus schonenderer Prozess als HPDC. Die Abkühlgeschwindigkeit ist langsamer, wodurch Gase während der Erstarrung des Metalls entweichen können. Dies führt zu einer dichteren, weniger porösen inneren Struktur im Vergleich zu Teilen, die mittels Hochdruckeinspritzung hergestellt wurden.

Diese mechanischen Unterschiede bestimmen die Komplexität der Ausrüstung und die Gesamtgeschwindigkeit des Verfahrens, wie in der folgenden Tabelle dargestellt.

Werkzeug- und Kostenanalyse: Investition im Vergleich zur Stückzahl

Der bedeutendste Faktor für viele Beschaffungsentscheidungen in der Automobilindustrie ist die Kostenhöhe, und hier unterscheiden sich die beiden Verfahren deutlich. Die Grundregel ist einfach: Beim Druckguss sind die anfänglichen Werkzeugkosten sehr hoch, aber die Kosten pro Bauteil niedrig, während beim Dauerformguss die Werkzeugkosten moderat und die Kosten pro Bauteil höher sind. Die Entscheidung hängt letztendlich von der erwarteten Produktionsmenge ab.

Druckgussformen, auch Formen genannt, werden so konstruiert, dass sie extremen Drücken und wiederholten thermischen Schocks standhalten können. Sie bestehen aus hochwertigem Werkzeugstahl und erfordern einen komplexen Konstruktionsaufwand, wodurch sie äußerst kostspielig werden. Laut Branchenquellen können Druckgusswerkzeuge zwischen 60.000 $ und über 500.000 $ kosten. Diese erhebliche Investition rechtfertigt sich nur bei Großserien, die in der Regel 10.000 Einheiten überschreiten, bei denen sich die Kosten auf Hunderttausende oder sogar Millionen von Teilen verteilen lassen, was zu sehr geringen Stückkosten führt.

Dauerformwerkzeuge sind erheblich kostengünstiger, wobei die Kosten typischerweise zwischen 10.000 und 90.000 $ liegen. Da die Formen keinen hohen Drücken standhalten müssen, können sie einfacher in der Konstruktion sein und aus weniger robusten Materialien hergestellt werden. Dadurch wird das Verfahren für Projekte mit kleinerem Budget oder geringeren Produktionsmengen zugänglich. Für Klein- bis Mittelserien, die oft bei etwa 3.000 Teilen pro Jahr liegen, ist das Dauerformgießen fast immer die wirtschaftlichere Wahl. Der Break-even-Punkt ist entscheidend; sobald die Produktionsmenge in den Bereich von zehntausenden Stück ansteigt, gleichen die niedrigeren Stückkosten des Druckgießens dessen höhere Anfangsinvestition in die Werkzeugherstellung aus.

Teilequalität und Eigenschaften: Eine Geschichte von zwei Oberflächen

Neben den Kosten beeinflusst die Wahl des Gießverfahrens direkt die Qualität, die mechanischen Eigenschaften und die Gestaltungsmöglichkeiten des fertigen Bauteils. Jedes Verfahren erzeugt Bauteile mit charakteristischen Eigenschaften, die sich für unterschiedliche Anwendungen im Automobilbau eignen. Das Druckgießen zeichnet sich durch hohe Präzision und Oberflächenqualität aus, während das Kokillengießen für seine innere Homogenität und Festigkeit geschätzt wird.

Aufgrund des hohen Drucks, der Metall gegen eine glatte Stahlgussform presst, weisen druckgegossene Teile eine ausgezeichnete, direkte Oberflächenqualität auf, oft zwischen 32 und 90 RMS. Dies reduziert die Notwendigkeit für nachfolgende Nachbearbeitungsverfahren. Das Verfahren ermöglicht außerdem eine außergewöhnliche Maßgenauigkeit und die Herstellung sehr dünner Wände, manchmal nur 0,04 Zoll dick, was ideal für leichte und komplexe Bauteile wie Getriebegehäuse oder Elektronikgehäuse ist. Allerdings kann die schnelle Einspritzung und Erstarrung Luft und Gase einschließen, was zu innerer Porosität führt. Diese Porosität kann die strukturelle Integrität des Bauteils beeinträchtigen und bedeutet, dass die meisten druckgegossenen Teile nicht wärmebehandelt oder geschweißt werden können.

Beim Dauerformguss entstehen Bauteile mit einer rauerem Oberflächenfinish (typischerweise 150–250 RMS), die oft eine stärkere Nachbearbeitung erfordern. Das langsame, schonende Füllen ermöglicht es jedoch, dass Gase aus dem Formhohlraum entweichen können, wodurch eine deutlich weniger poröse und dichtere Gussform entsteht. Diese überlegene innere Dichtheit macht Dauerformteile fester und zuverlässiger für Anwendungen, bei denen Druckdichtheit oder mechanische Festigkeit entscheidend sind, wie beispielsweise bei Fahrwerkskomponenten oder Hydraulikzylindern. Diese Teile können zudem wärmebehandelt werden, um ihre mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern.

Materialauswahl und Entwurfsüberlegungen

Die Wahl der Metalllegierung ist ein weiterer entscheidender Faktor, bei dem sich die beiden Verfahren unterscheiden. Die Hochdrucknatur des Druckgussverfahrens stellt erhebliche Einschränkungen bei der Materialauswahl dar, während das Kokillengussverfahren eine größere Flexibilität bietet. Dies kann oft der ausschlaggebende Faktor sein, wenn ein Automobilbauteil bestimmte Materialeigenschaften erfordert.

Druckguss wird nahezu ausschließlich mit nichteisernen Legierungen verwendet, die eine hohe Fließfähigkeit und relativ niedrige Schmelzpunkte aufweisen. Zu den gebräuchlichsten Materialien gehören Aluminiumlegierungen (wie 380 und 390), Zink und Magnesium. Wie von Casting Source festgestellt wurde, toleriert das Druckgussverfahren Variationen in Legierungen am wenigsten. Eisenhaltige Metalle wie Eisen und Stahl sind im Allgemeinen nicht geeignet, da ihre hohen Schmelztemperaturen die Stahlgussformen schnell zerstören würden. Hinsichtlich des Designs zeichnet sich der Druckguss durch die Herstellung komplexer, nahezu fertigungsnaher Bauteile aus, die nur geringe Nachbearbeitung erfordern, was die Kosten bei der Serienproduktion senkt.

Das Dauerformgießen ist vielseitiger. Während es ebenfalls für Aluminium, Zink und Magnesium verwendet wird, kann es auch Legierungen mit höheren Schmelzpunkten aufnehmen, einschließlich Kupfer- und Messinglegierungen. Diese breitere Materialauswahl gibt Ingenieuren mehr Möglichkeiten, um spezifische Leistungsanforderungen zu erfüllen. Die Gestaltungskomplexität ist im Vergleich zum Druckgießen etwas eingeschränkter, da aufwendige Merkmale bei einem schwerkraftbasierten Verfahren schwerer zu realisieren sind. Allerdings ermöglicht der Einsatz von wegwerfbaren Sandkernen in einem halbdauerhaften Formverfahren die Herstellung komplexer innerer Hohlräume, die beim Druckgießen nicht möglich wären.

Die richtige Wahl für Ihre Anwendung im Automobilbereich

Die Wahl des richtigen Gießverfahrens ist eine strategische Entscheidung, bei der wirtschaftliche und technische Anforderungen abgewogen werden müssen. Für Automobilanwendungen hängt die richtige Wahl von einem klaren Verständnis der Projektziele ab. Das Druckgießen ist der unangefochtene Marktführer für Serienprodukte mit komplexen, leichten Bauteilen, bei denen eine glatte Oberfläche entscheidend ist, wie beispielsweise Motorblöcke, Getriebegehäuse und verkleidete Innenteile.

Das Kokillengießen hat seine Nische in Anwendungen gefunden, die bei geringen bis mittleren Stückzahlen eine hohe mechanische Festigkeit und Druckdichtigkeit erfordern. Es ist das bevorzugte Verfahren für strukturelle Bauteile wie Aufhängungsteile, Lenkknoten und Bremszangen, bei denen die innere Beschaffenheit wichtiger ist als eine makellose Oberfläche. Durch eine sorgfältige Bewertung von Faktoren wie Produktionsvolumen, Budget und erforderlichen Materialeigenschaften können Entwicklungsingenieure und Konstrukteure im Automobilbereich das Verfahren auswählen, das die beste Leistung und Wertschöpfung bietet.

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist der grundlegende Unterschied zwischen Druckguss und Kokillenguss?

Der grundlegende Unterschied liegt darin, wie geschmolzenes Metall in die Form gelangt. Beim Druckguss wird das Metall unter hohem Druck eingespritzt, was eine schnelle Produktion, komplexe Formen und glatte Oberflächen ermöglicht. Beim Kokillenguss wird das Metall durch Schwerkraft oder niedrigen Druck in die Form gegossen, ein langsamerer Prozess, der dichtere und festere Bauteile mit niedrigeren Werkzeugkosten erzeugt.

2. Was sind die Hauptnachteile des Kokillengusses?

Die wichtigsten Nachteile des Kokillengusses sind langsamere Produktionszyklen im Vergleich zum Druckguss, wodurch er für sehr große Stückzahlen weniger geeignet ist. Die Kosten pro Bauteil sind bei hohen Stückzahlen ebenfalls höher. Zudem können im Allgemeinen nicht dieselben feinen Details oder dünnen Wände wie beim Hochdruck-Druckguss erreicht werden, und die Bauteile erfordern oft mehr Nachbearbeitung.

3. Was ist der Unterschied zwischen PDC und GDC?

PDC steht für Druckguss, bei dem geschmolzenes Metall unter hohem Druck in die Form eingespritzt wird. GDC steht für Schwerkraftguss, bei dem geschmolzenes Metall gegossen und die Form allein durch die Schwerkraft gefüllt wird. Das Strassengussverfahren ist eine Art des PDC, während das Dauerformgussverfahren eine Form des GDC darstellt.