Schwerkraft-Druckguss ist oft besser geeignet als Hochdruck-Druckguss, wenn die Produktionsmengen moderat sind, die Bauteile relativ dick sind, die Druckbeständigkeit wichtig ist, eine Wärmebehandlung erforderlich ist oder die innere Geometrie von Sandkernen abhängt.
Schwerkraft-Druckguss gegen HPDC
| Projektbezogener Faktor | Schwerkraftformguss | Hochdruck-Druckgussverfahren |
| Produktionsvolumen | Niedrig bis mittel | Mittel bis sehr hoch |
| Werkzeuginvestitionen | Untere | Höher |
| Typische Abschnitte | Mitteldick | Dünn |
| Füllgeschwindigkeit | Relativ langsam | Sehr schnell |
| Gaseinschluss | Im Allgemeinen einfacher zu kontrollieren | Empfindlicher ohne Vakuum |
| Wärmebehandlung | Praktischer | Stärker eingeschränkt |
| Sandkern-Nutzung | Gut geeignet | Schwierig |
| Produktionszyklus | Minuten | Sekunden |
Bei Beschaffungsentscheidungen sollte die Zykluszeit nicht isoliert betrachtet werden. Werkzeugkosten, Bearbeitung, Inspektion, Wärmebehandlung, Qualitätsverluste und die Stückzahl über die gesamte Lebensdauer tragen alle zu den tatsächlichen Kosten eines fertigen Gussteils bei.
Fall 1 – Projekte mit geringem Volumen bevorzugen Schwerkraftguss
HPDC erfordert normalerweise eine deutlich höhere Anfangsinvestition in die Chip- und Produktionsanlagen. Die geringeren laufenden Kosten lohnen sich erst, wenn genügend Komponenten produziert werden, um diese zusätzliche Investition zu amortisieren.
Betrachten Sie ein Aluminiumgehäuse mit folgenden geschätzten Kosten:
| Kostenposition | Schwerkraft-Kokillenguss | HPDC |
| Werkzeuge | 14.000 US-Dollar | 47.000 US-Dollar |
| Gusskosten/Teil | 8,20 € | 5,20 € |
| Zusätzliche HPDC-Werkzeuge | — | 33.000 US-Dollar |
| HPDC-Stückkostenvorteil | — | 3,00 € |
Eine Werkzeugkostendifferenz von 33.000 US-Dollar, geteilt durch eine Stückkostenersparnis von 3,00 US-Dollar, ergibt eine Gewinnschwelle von etwa 11.000 Bauteilen. Bei nur 3.000 Stück belaufen sich die Gesamtkosten für Schwerkraftguss auf etwa 38.600 US-Dollar, verglichen mit etwa 62.600 US-Dollar für Hochdruck-Druckguss.
Schwerkraft DruckgussDaher ist es für Projekte wie die folgenden sinnvoller:
- Ersatzteile:Die Nachfrage ist begrenzt oder unregelmäßig
- Spezialmaschinen:Die Produktionsläufe bleiben relativ klein
- Fahrzeuge mit geringem Volumen:Die Leistung rechtfertigt nicht die teuren HPDC-Chips.
- Produktentwicklung:Die Geometrie kann sich auch nach der ersten Produktion noch ändern.
Bei unsicherer Nachfrage über die gesamte Projektlaufzeit reduziert eine geringere anfängliche Werkzeuginvestition auch das Kaufrisiko. Deutlich höhere Kosten für HPDC-Kapazitäten sind wenig sinnvoll, wenn das Projekt nie das erforderliche Volumen erreicht, um diese Kosten zu amortisieren.
Fall 2 – Strukturteile eignen sich besser für Schwerkraftguss
Die Fähigkeit, dünne Wandstärken schnell zu füllen, ist eine der größten Stärken des HPDC-Verfahrens. Dieser Vorteil verliert jedoch an Bedeutung, wenn das Bauteil bereits massive Wände, verstärkte Ansätze, breite Flansche oder schwere Montageflächen aufweist.
Ein 6 kg schweres Industriegehäuse mit einer durchschnittlichen Wandstärke von 7 mm stellt ganz andere Produktionsanforderungen als ein dünnes 2 mm Elektronikgehäuse.
Typische Prozesstendenzen sind:
- 5–3 mm:HPDC hat in der Regel einen klaren Vorteil.
- 3–5 mm:Beide Verfahren können geeignet sein.
- 5–8 mm:Schwerkraftgießen wird zunehmend praktischer
- 8–12+ mm:Die Strukturgeometrie kann das Schwerkraftgießen begünstigen.
Diese Werte sollten eher als Konstruktionsvorgaben denn als strikte Gießgrenzen betrachtet werden. Legierungswahl, Fließweg, Bauteilgröße, mechanische Anforderungen und Produktionsmenge können das bevorzugte Verfahren beeinflussen.
Die Herstellung von beispielsweise 4.000 Gehäusen pro Jahr in einem fünfminütigen Schwerkraftgussverfahren erfordert etwa 333 Produktionsstunden. Wenn diese Kapazität den Jahresbedarf bereits deckt, bringt die Investition in ein HPDC-System mit deutlich höherer Leistung möglicherweise nur geringe wirtschaftliche Vorteile.
Fall 3 – Druckdichte Teile bevorzugen Schwerkraftguss
Druckführende Gussteile werden anders bewertet als gewöhnliche Deckel oder Halterungen, da innere Porosität das Ergebnis der Dichtheitsprüfung direkt beeinflussen kann. Hydraulikgehäuse, Pumpenkörper, Ventilkomponenten und Kompressorteile erfordern daher besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich Metallfluss und eingeschlossener Gase.
Die Schwerkraftfüllung erfolgt mit einer geringeren Geschwindigkeit, wodurch turbulente Lufteinschlüsse in der Regel leichter zu kontrollieren sind. Dadurch wird die Porosität zwar nicht vollständig beseitigt, aber das Schwerkraftgießen kann attraktiv sein, wenn die Druckstabilität wichtiger ist als die maximale Ausbeute.
Zu den gängigen Kandidaten gehören:
- Pumpen- und Hydraulikgehäuse
- Ventilkörper
- Kompressorkomponenten
- Gussteile für die Flüssigkeitsförderung
- auf Dichtheit geprüfte Aluminiumgehäuse
Ein einfaches Angebot für ein Casting kann die tatsächlichen Kostenunterschiede ebenfalls verschleiern:
| Kostenposition | HPDC | Schwerkraftguss |
| Grundguss | 7,80 € | 9,10 € |
| Imprägnierung | 0,70 € | — |
| Zusätzliche Leckageprüfung | 0,25 $ | 0,10 $ |
| Ablehnungszulage | 0,30 € | — |
| Effektive Kosten | 9,05 $ | 9,20 € |
Die anfängliche Preisdifferenz von 1,30 $ reduziert sich nach Hinzurechnung der qualitätsbedingten Kosten auf nur noch 0,15 $ pro akzeptiertem Bauteil. Bei einer Produktion von 20.000 Teilen entspricht eine Ausschussquote von 1,5 % ebenfalls 300 Bauteilen bzw. einem Wert der Fertigteile von rund 2.700 $, bevor Kosten für Sortierung, Nachprüfung, Ersatzproduktion und Fracht berücksichtigt werden.
Fall 4 – Wärmebehandlung begünstigt Schwerkraftguss
Schwerkraft-Druckguss sollte stärker in Betracht gezogen werden, wenn ein Bauteil eine T5/T6-Behandlung, Lösungsglühen, Schweißen oder eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erfordert. Konventionelles Hochdruck-Druckgießen kann Gase aus der Hochgeschwindigkeitsfüllung zurückhalten, die sich bei der Hochtemperaturbehandlung ausdehnen und die Blasenbildung begünstigen können.
Dieser Aspekt ist von großer Bedeutung, wenn die Spezifikationen Folgendes vorschreiben:
- T5- oder T6-Eigenschaften:Die Festigkeit hängt von der Nachbehandlung nach dem Gießen ab.
- Schweißen:Die nachgelagerte Verbindung ist Teil des Montageprozesses
- Höhere strukturelle Festigkeit:Wärmebehandlung kann Verstärkung ersetzen
- Ermüdungsresistenz:Die mechanische Leistungsfähigkeit ist wichtiger als die Zyklusgeschwindigkeit.
Ein Vergleich, der sich ausschließlich auf das Angebot der Gießerei stützt, kann daher irreführend sein:
| Kostenposition | HPDC | Schwerkraftguss |
| Grundguss | 7,40 € | 9,00 € |
| Wärmebehandlung | — | 1,20 € |
| Verstärkungsplatte | 2,00 € | — |
| Zusätzliche Montage | 1,20 € | — |
| Kosten der fertigen Komponente | 10,60 € | 10,20 € |
Obwohl der Rohling im Schwerkraftgussverfahren zunächst teurer ist, spart das fertige Teil 0,40 $ pro Stück, da Verstärkung und ein Montageschritt entfallen. Dieselbe Einsparung beträgt bei 10.000 Stück etwa 4.000 $, bei 50.000 Stück 20.000 $ und bei 100.000 Stück 40.000 $.
Fall 5 – Komplexe Hohlräume begünstigen Schwerkraftguss
Ein weiterer wichtiger Vorteil des Schwerkraft-Kokillengusses ist die Möglichkeit, mit Einweg-Sandkernen zu arbeiten. Mit diesen Kernen lassen sich geschlossene, gekrümmte oder miteinander verbundene Hohlräume formen, die sich mit herkömmlichen starren HPDC-Werkzeugen nur schwer entformen lassen.
Diese Funktionalität ist nützlich für Komponenten, die Folgendes enthalten:
- Wassermäntel und Kühlkanäle
- Pumpenkammern
- Interne Ventilkanäle
- Hohle Motorgehäuse
- Fließwege in Verteiler
Angenommen, ein Pumpengehäuse benötigt einen gekrümmten Innenkanal. Ein im Schwerkraftgussverfahren hergestellter Sandkern könnte pro Bauteil etwa 1,30 US-Dollar zusätzlich kosten, während die Herstellung derselben Geometrie mittels HPDC-Verfahren mit anschließenden zwei CNC-Bearbeitungen etwa 3,20 US-Dollar zusätzlich kosten könnte.
Diese Differenz von 1,90 $ entspricht etwa 19.000 $ bei 10.000 Teilen. Die spanende Bearbeitung kann außerdem den Einsatz von Vorrichtungen, den Verbrauch von Schneidwerkzeugen, die Späneentsorgung, zusätzliche Maschinenkapazität und zusätzliche Maßprüfungen erforderlich machen.
In diesem Fall wird das Schwerkraftgießen nicht nur aufgrund der geringeren Produktionsmenge gewählt. Es eignet sich besser, weil das Gussteil selbst mehr von der erforderlichen inneren Geometrie aufnehmen kann und somit die Nachbearbeitung reduziert wird.
Wann wird das Schwerkraft-Druckgussverfahren die bessere Wahl?
Schwerkraft-Druckguss gewinnt zunehmend an Attraktivität, wenn mehrere der oben genannten Bedingungen in einem Projekt erfüllt sind. Je stärker ein Bauteil von moderaten Produktionsmengen, großen Querschnitten, Druckdichtheit, Wärmebehandlung oder Sandkerngeometrie abhängt, desto weniger wichtig wird die hohe Produktionsgeschwindigkeit des Hochdruck-Druckgussverfahrens.
| Projektzustand | Warum das Schwerkraft-Kokillengussverfahren besser passen kann |
| Niedrige bis mittlere Lautstärke | Geringere Werkzeugkosten lassen sich leichter wiederverwerten. |
| Dicke Bauteile | Die HPDC-Fähigkeit mit dünnen Wänden bietet weniger Nutzen |
| Anforderungen an die Druckdichtheit | Gaseinschlüsse lassen sich leichter handhaben |
| Wärmebehandlung erforderlich | Die T5/T6-Verarbeitung ist im Allgemeinen praktischer. |
| Komplexe innere Hohlräume | Sandkerne können direkt geschlossene Gänge bilden. |
| HPDC benötigt weitere Nachbearbeitung. | Die Kosten des Fertigteils könnten für das Schwerkraftgießen sprechen. |
Eine Komponente muss nicht alle Bedingungen erfüllen. Ein 7 mm starkes Pumpengehäuse, das in einer Stückzahl von 8.000 pro Jahr gefertigt wird und Dichtheitsprüfungen erfordert, vereint beispielsweise bereits mehrere Faktoren, die für das Schwerkraft-Kokillengussverfahren sprechen.
Die abschließende Bewertung sollte daher Werkzeugkosten + Guss + Bearbeitung + Wärmebehandlung + Prüfung + Ausschuss berücksichtigen, anstatt sich allein auf den Gussstückpreis zu konzentrieren. Wenn beim Schwerkraft-Kokillenguss unnötige Werkzeuginvestitionen vermieden oder ausreichend Nachbearbeitungsschritte eingespart werden, kann der langsamere Zyklus dennoch zu einem wirtschaftlicheren Endprodukt führen.