Drukgieterij uitgelegd: precisie, efficiëntie en productievoordelen

Van motorblokken tot deurklinken, drukgieterij is een snelle, nauwkeurige en herhaalbare metaalproductietechniek geschikt voor grote of kleine onderdelen. Drukgieterij onderdelen hebben een uitstekende oppervlakteafwerking, en het proces is compatibel met een scala aan non-ferrode metalen.

Vanwege de hoge opstartkosten geassocieerd met drukgieterij, wordt het proces typisch gebruikt voor hoge-volume productie, waar de schaal van de productie compenseert voor de hoge machine- en toolingkosten. Drukgieterij prototypes en lage-volume productieruns zijn moeilijker te verkrijgen, aangezien het in het economische belang van drukgieterij bedrijven ligt om met klanten te werken die bulksorders plaatsen. Echter, 3ERP biedt momenteel een unieke drukgieterij oplossing voor klanten die kleinere drukgieterij orders willen plaatsen.

Dit artikel kijkt diepgaand naar metaal drukgieterij, uitlegt de geschikte materialen, oppervlakteafwerkingen en toepassingen voor het proces.

Wat is drukgieterij?

Drukgieterij is een type metaalgieten dat hoge druk gebruikt om vloeibaar metaal in een gietvormkaviteit te dwingen gevormd door twee gietvormen. Het deelt kenmerken met het plastic productieproces van injectiegieten.

Binnen het bredere landschap van metaalgieten is drukgieterij een van de meest populaire technieken vanwege de nauwkeurigheid, hoge kwaliteit en detailniveau. De bredere categorie metaalgieten, die al duizenden jaren bestaat, bevat veel verschillende processen die een vorm gebruiken om vloeibaar metaal te vormgeven. Historisch betrof zo'n proces meestal het gieten van het vloeibare metaal in de vorm met behulp van zwaartekracht — en veel metaalgietprocessen werken nog steeds op deze manier. Drukgieterij is echter een relatief nieuwe vorm van metaalgieten, geïntroduceerd in de 19e eeuw, en het gebruikt druk in plaats van zwaartekracht om de gietvormkaviteit te vullen.

Drukgieterij wordt soms hoge-druk drukgieterij genoemd, vanwege de hoeveelheid druk — typisch 10–140 megapascal — die gebruikt wordt om het metaal in de gietvormkaviteit te dwingen. Het gerelateerde proces van lage-druk drukgieterij (LPDC) is minder algemeen. Drukgieterij valt typisch in één van twee categorieën: warme-kamer drukgieterij en koude-kamer drukgieterij, welke geschikt zijn voor verschillende typen metaal. Er zijn echter ook andere meer niche typen drukgieterij, zoals half-vast metaalgieten (SSM).

Hoe drukgieterij werkt

In eenvoudige termen werkt metaal drukgieterij door hoge druk te gebruiken om vloeibaar metaal in een gietvormkaviteit te dwingen, gevormd door twee geharde staal gietvormen. Eenmaal de kaviteit gevuld is, koelt het vloeibare metaal af en verstort, en de gietvormen openen zich zodat de onderdelen verwijderd kunnen worden. In de praktijk zijn er echter veel stappen in het proces, en geschoolde ingenieurs zijn vereist om drukgieterij apparatuur te bedienen.

Hier delen we het drukgieterijproces op in drie stadia:

1. Gietvorm maken
2. Gieten
3. Na-bewerking

Hoe een drukgieterij gietvorm te maken

Een drukgieterij gietvorm bestaat uit ten minste twee helften: de dekselzijde (gemonteerd op een vaste plaat) en de uitwerperzijde (op een bewegende plaat). Sommige gietvormen hebben ook andere secties zoals glijders en kernen, die gebruikt worden om complexere onderdelen te produceren, zoals die met gaten en draden.

Afhankelijk van de grootte van de geproduceerde onderdelen, kan een drukgieterij gietvorm meerdere kaviteiten hebben om de productie van meerdere onderdelen per cyclus mogelijk te maken. Zulke gietvormen hebben ofwel verschillende identieke kaviteiten (meervoudige-kaviteit gietvorm) of een mix van verschillende kaviteiten om verschillende onderdelen te produceren (unit die).

Tooling voor drukgieterij moet ongelooflijk sterk en thermisch bestand zijn, naast het hebben van goede slijtvastheid en ductiliteit. Ze worden daarom gemaakt van hoogpresterende geharde gereedschapsstalen — vaak warmtebehandeld — waardoor ze honderden gietcycli per uur kunnen doorlopen en tot twee miljoen cycli over hun hele levensduur. Drukgieterij tooling moet prestaties behouden onder zeer hoge sluitkrachten.

Het maken van een drukgieterij gietvorm begint met computer-ondersteund ontwerp (CAD) gebruikt in combinatie met giet-specifieke ontwerp- en simulatie-tools. Net als bij injectiegietvormen, moet tooling voor drukgieterij spruitgaten, lopers en inlaatpoorten hebben om het vloeibare materiaal de kaviteit te laten binnengaan. Vergrendelpennen en uitwerperpennen moeten ook geïntegreerd worden om de gietvorm te beveiligen en ejectie te vergemakkelijken. Het digitale ontwerp van de gietvorm stelt de creatie van complexe vormen en strakke tolerantiën in.

CNC-bewerking wordt wijd gebruikt om de drukgieterij tooling te fabriceren. Typisch begint drukgieterij gietvormmaken met ruwe bewerking van de gietvormvorm, gevolgd door warmtebehandeling van de metalen gietvorm, en tenslotte een ronde van afwerkbewerking. Prototype-graad gietvormen kunnen ook gemaakt worden met rapid tooling, gebruikmakend van ofwel CNC-bewerking of andere processen zoals selectieve lasersintering (SLS).

Hoe metaal onderdelen te gieten

Vergelijkbaar met injectiegieten, na het gietvormmaken, kunnen de drukgieterij onderdelen gemaakt worden in de drukgieterij machine. Het drukgieterijproces omvat vier hoofdfasen: voorbereiding, vullen, ejectie, en uitschudden.

Echter, het gietproces varieert iets afhankelijk van of een warme of koude kamer gebruikt wordt. Deze twee varianten van het hoge-druk drukgieterijproces bieden verschillende voordelen: één is goed voor hoge-snelheid gieten, terwijl de andere een breder scala aan gietmaterialen accommodeert.

Warme-kamer drukgieterij

Tijdens warme-kamer drukgieterij, bevat de metaal drukgieterij machine de benodigde apparatuur om het metaal op te warmen tot een vloeibare toestand. Omdat het een zelfstandig systeem is, is het veel sneller dan de alternatief, biedend korte cyclustijden, hoewel het alleen geschikt is voor een selectie van gietmaterialen, inclusief zink, tin, en lood legeringen.

Koude-kamer drukgieterij

Het koude-kamer drukgieterij proces vereist het gebruik van een aparte oven om het metaal op te warmen. Dit vertraagt natuurlijk de productiesnelheden, aangezien het vloeibare metaal naar de drukgieterij machine gebracht moet worden met een lepel. Echter, omdat een aparte oven krachtiger is dan een warme-kamer drukgieterij machine, kunnen metalen met hoge smeltpunten gegoten worden. Deze methode is geschikt voor aluminium gieten.

Ongeacht of warme of koude kamer machine gebruikt wordt, verloopt het metaal drukgieterijproces typisch als volgt:

1. Gietvorm voorbereiding
2. Vullen
3. Ejectie
4. Uitschudden

Tijdens gietvormvoorbereiding worden de binnenoppervlakken van de twee gietvormhelften gecoat met een smeermiddel om ejectie te vergemakkelijken zodra de gietingen compleet zijn. De gietvormhelften kunnen vervolgens gesloten en bevestigd worden met vergrendelpennen.

Het vullen van de gietvorm wordt bereikt met een druksysteem. Dit systeem verschilt tussen warme en koude kamer systemen. In beide is het eindresultaat vloeibaar metaal dat door een stampers in de gietvormkaviteit wordt gedrongen via de spruit. Hoge drukken — tot 35 megapascal in een warme kamer en 140 megapascal in een koude kamer — zorgen voor snelle en volledige vulling, wat op zijn beurt leidt tot consistente afkoeling die oneffen krimp en consequent onderdeeldeformatie voorkomt. Druk wordt gehandhaafd tijdens afkoeling.

De twee gietvormhelften worden geopend en de uitwerperpennen worden gebruikt om de gietingen te verwijderen. Typisch worden de gietvormen onmiddellijk weer gesloten klaar voor de volgende slag. Ondertussen zijn de afgeronde gietingen klaar voor uitschudden, wat inhoudt het verwijderen van schrootsecties van de slag zoals spruiten, lopers en grat (uitstroom van materiaal aan de scheidingslijn). Deze materiaalverwijdering kan bereikt worden met handgereedschappen, tonnen, of met een hydraulische trim gietvorm.

Na-bewerking

Veel metaal drukgieterij onderdelen vereisen minimale secundaire operaties. Dit is te danken aan de hoge drukken betrokken, die een hoog detailniveau en goede oppervlakteafwerking mogelijk maken. Echter, veel net-vorm en near-net-vorm gietingen vereisen ook precisiebewerking voor gaten, draden en andere kenmerken. Sommige gietmetalen zijn makkelijker te bewerken dan anderen: magnesium drukgieterij en aluminium drukgieterij zijn bijvoorbeeld hoogst geschikt voor na-bewerking.

Een secundair voordeel van na-bewerking van drukgieterij onderdelen is de mogelijkheid om de on-machine inspectiemogelijkheden van de CNC-machine te gebruiken, waardoor de bewerker de onderdelen kan valideren.

Drukgieterij toepassingen

Drukgieterij is een krachtig, veelzijdig proces geschikt voor een scala aan onderdelen, van motorcomponenten tot elektronica behuizingen. Redenen voor de veelzijdigheid van drukgieterij zijn het grote bouwvolume, scala aan materiaalopties, en vermogen om gedetailleerde, herhaalbare, dunwandige onderdelen te maken.

• Automotive: Aluminium drukgieterij is populair in de auto-industrie omdat het lichte componenten kan produceren zoals hydraulische cilinders, motorbeugels, en tandwielkasten. Zink drukgieterij is geschikt voor brandstof, rem, en stuurassistentie componenten, terwijl magnesium drukgieterij werkt voor panelen en zitframes.
• Luchtvaart: Net als in de auto-industrie, gebruiken luchtvaart onderdelleveranciers aluminium drukgieterij om lichte onderdelen te maken die een hoog niveau van hitte- en corrosiebestendigheid vertonen. Lichte onderdelen verminderen brandstofverbruik.
• Energie: Drukgieterij onderdelen in de olie- en gassector omvatten kleppen, filtratiecomponenten, en wieters. Hernieuwbare energie onderdelen zoals windturbinebladen kunnen ook drukgegoten worden.
• Elektronica: Drukgieterij is wijdverbreid in elektronica, aangezien het gebruikt wordt voor items zoals behuizingen, huizen, en connectors. Drukgieterij onderdelen kunnen ook ontworpen worden met geïntegreerde koelblokken, wat nodig is voor veel apparaten. Magnesium drukgieterij is populair voor dunwandige RFI EMI afschermingscomponenten, terwijl aluminium drukgieterij voor LED lichtcomponenten wijdverspreid is. (Drukgieterij voor LED behuizing gebruikt typisch een legering als A383.)
• Bouw: De bouwindustrie gebruikt aluminium drukgieterij voor grote structuren zoals gebouwframes en vensterframes.
• Engineering: Hijsmaterieel, machinegereedschappen, en andere apparatuur bevatten vaak drukgegoten componenten.
• Medisch: In de gezondheidszorg kan drukgieterij gebruikt worden voor monitoring apparaatcomponenten, ultrasoonsystemen, en andere items.

Drukgieterij materialen

Fabrikanten moeten bepaalde factoren en variabelen overwegen bij het kiezen van drukgieterij materialen. Deze omvatten:

• Of het materiaal geschikt is voor warme-kamer drukgieterij
• Materiaalkosten
• Indirecte materiaalkosten (bijv. eventuele extra na-verwerking vereist)
• Materiaal structurele eigenschappen
• Sterkte
• Gewicht
• Oppervlakteafwerking
• Bewerkbaarheid

Al deze factoren moeten overwogen worden bij het kiezen van een drukgieterij materiaal voor onderdelen of prototypes.

Aluminium drukgieterij legeringen

Aluminium is een van de belangrijkste drukgieterij metalen, en aluminiumlegeringen worden gebruikt in koude-kamer drukgieterij. Deze legeringen bevatten typisch silicium, koper en magnesium.

Aluminium drukgieterij legeringen zijn licht en bieden goede dimensionale stabiliteit, wat ze een goede keuze maakt voor complexe, fijn gedetailleerde onderdelen. Andere voordelen van aluminium gieten zijn goede corrosiebestendigheid, temperatuurbestendigheid, en thermische en elektrische geleiding.

Veelvoorkomende drukgieterij aluminiumlegeringen zijn:

• 380: Een algemeen aluminiumlegering die gietbaarheid balanseert met goede mechanische eigenschappen. Het wordt gebruikt in een zeer brede verscheidenheid aan producten, inclusief motorbeugels, meubels, elektronica behuizingen, frames, handvatten, tandwielkasten, en elektrische gereedschappen.
• 390: Een legering met uitstekende slijtvastheid en trillingsbestendigheid. Het is specifiek ontwikkeld voor de drukgieterij van auto motorblokken en is ook geschikt voor klephuizen, wieters, en pomphuizen.
• 413: Een aluminiumlegering met uitstekende gieteienschappen. Het heeft goede drukdichtheid en wordt daarom gebruikt voor producten zoals hydraulische cilinders, alsook architectonische onderdelen en voedings- en zuivelindustrie apparatuur.
• 443: Het meest buigzame van drukgieterij aluminiumlegeringen, deze legering is geschikt voor consumentengoederen, vooral die plastische deformatie na gieten vereisen.
• 518: Een buigzame aluminiumlegering met goede corrosiebestendigheid. Het wordt gebruikt in een verscheidenheid aan producten, inclusief vliegtuig hardware bevestigingen, sierlijke hardware, en rolstrap componenten.

Magnesium drukgieterij legeringen

Magnesium is een ander erg populair drukgieterij materiaal. Het is nog lichter dan aluminium, met het toegevoegde voordeel van hoog bewerkbaar — het makend geschikt voor gegoten onderdelen die additionele bewerkte details of bewerkte oppervlakteafwerking vereisen.

Een groot voordeel van magnesium drukgieterij legeringen is hun geschiktheid voor warme-kamer drukgieterij, wat ze makkelijker te gebruiken maakt dan drukgieterij metalen zoals aluminium. Andere elementen in magnesiumlegeringen zijn aluminium, zink, mangaan en silicium.

Veelvoorkomende magnesium drukgieterij legeringen zijn:

• AZ91D: Een algemeen legering met goede gietbaarheid, corrosiebestendigheid, en sterkte-gewichtsverhouding. Toepassingen omvatten mechanische en aandrijving componenten.
• AM60: Een legering met goede gietbaarheid, sterkte, trillingsdemping, en buigzaamheid. Het wordt gebruikt in auto componenten zoals zitframes en panelen.
• Zeldzame aarde legeringen AS41B en AE42: Legeringen met superieure temperatuurbestendigheid, alsook goede kreepbestendigheid, corrosiebestendigheid, en buigzaamheid. Beide legeringen worden gevonden in motoronderdelen.

Zink drukgieterij legeringen

Een andere grote categorie van drukgieterij metalen is zinklegeringen. Gietbaar in een warme-kamer drukgieterij machine, is zinkgieten de meest fabrikant-vriendelijke drukgieterij optie en biedt andere voordelen zoals slaansterkte, buigzaamheid, en geschiktheid voor platering. Vanwege de gietbaarheid resulteert het ook in minimaal gietvormslijtage.

Zink is zwaarder dan aluminium en magnesium en wordt meestal gelegeerd met aluminium, koper en magnesium.

Veelvoorkomende zink drukgieterij legeringen zijn:

• Zamak 3: Een algemeen zinklegering die makkelijk te gieten is en uitstekende dimensionale stabiliteit biedt. In Noord-Amerika gebruiken meer dan twee derde van zink drukgieterijen Zamak 3. Voorbeeldgebruik omvat plafonventilatoren en sanitair componenten.
• Zamak 2: Een iets sterkere en duurdere legering met toegevoegde koperinhoud. Deze zinkgietlegering wordt vaak gebruikt om tooling voor plastic injectiegieten te produceren.
• Zamak 5: Een zinklegering dicht in samenstelling bij Zamak 3 maar met grotere trekkracht en lagere buigzaamheid. Populair voor producten zoals auto-onderdelen en wielbalansgewichten.

Andere drukgieterij legeringen

Andere drukgieterij materialen omvatten koper, silicium tombac, lood, en tin legeringen, naast zink-aluminium legeringen.

Koperlegeringen vertonen hoge sterkte, hardheid, en corrosiebestendigheid, naast uitstekende dimensionale stabiliteit. Terwijl lood en tin legeringen zeer dicht zijn en corrosiebestendig kunnen zijn. Zink-aluminium legeringen zijn herkenbaar aan het ZA-voorvoegsel; die met een lagere aluminiuminhoud kunnen warme-kamer gedrukgoten worden, maar die met 11% of meer doorgaans niet.

Drukgieterij afwerkopties

Hoge-druk drukgieterij produceert onderdelen op een hoge standaard, en afwerkopties kunnen vaak tot een minimum gehouden worden. Echter, er zijn veel functionele en cosmetische afwerkopties beschikbaar voor drukgieterij onderdelen.

Deburring (Gratverwijdering)

Een standaard afwerkprocedure is deburring, wat gezien kan worden als een voortzetting van het uitschud-stadium. Deburring omvat het verwijderen van imperfecties veroorzaakt door het productieproces en wordt ingezet om het uiterlijk en de functie van het onderdeel te normaliseren zonder enige specifieke textuur of kleur toe te voegen.

Methoden van deburring omvatten:

• Handmatige deburring met abrasieve materialen (kan ook geautomatiseerd worden)
• Trillingsdeburring met gereedschappen zoals rollen en zandstraalen
• Trimmen met een poinçon gietvorm

Secundaire afwerkopties

Zodra imperfecties verwijderd zijn van de metaal drukgieterij onderdelen met een deburring proces zoals zandstraalen of handmatig schuren, is het mogelijk om secundaire afwerkopties uit te voeren om de oppervlakteafwerking van de gietingen te transformeren. Deze afwerktechnieken passen de textuur of kleur van de drukgieterij onderdelen aan.

Secundaire drukgieterij afwerkingen omvatten:

• Polijsten met handapparatuur om een hoge-glans afwerking te bereiken
• Schilderen om de kleur van de gietingen te veranderen
• Poedercoating om de kleur en textuur van de gietingen te veranderen
• Metaal platering om een oppervlakte coating van een ander materiaal toe te voegen, of voor cosmetische of functionele doeleinden (bijv. plateren van een elektronisch component met een meer elektrisch geleidend metaal).

Strategie voor het selecteren van een drukgieterij fabrikant

Drukgieterij is een veelvoorkomend productieproces gebruikt door een breed scala aan bedrijven. Echter, een drukgieterij fabrikant vinden is veel moeilijker dan vinden, bijvoorbeeld, een bewerker of 3D-print dienstverlener. Dit is omdat drukgieterij typisch gebruikt wordt door grote onderdelleveranciers voor hoge-volume productie.

Voor kleine en middelgrote bedrijven die metaal drukgieterij onderdelen vereisen, vormt het selecteren van een drukgieterij fabrikant uitdagingen. Typisch zullen fabrikanten in dit domein in één van de volgende vier categorieën vallen:

1. Drukgieterij bedrijven die drukgieterij gietvormen en drukgieterij onderdelen maken maar geen na-bewerking aanbieden
2. Drukgieterij bedrijven met een paar CNC-machines maar die veel langere levertijden specificeren voor na-bewerkte onderdelen vanwege hun beperkte bewerkingscapaciteit
3. Drukgieterij bedrijven met een groot aantal CNC-machines voor na-bewerking maar die bijna exclusief werken met grote bedrijven die grote orders plaatsen
4. CNC-bewerkingsbedrijven die na-bewerking van drukgieterij onderdelen kunnen uitvoeren maar die zelf geen drukgieterij gietvormen of drukgieterij onderdelen kunnen maken

Duidelijk maakt dit het moeilijk voor kleinere bedrijven om een drukgieterij partner te vinden. Als na-bewerking vereist is, accepteren dergelijke bedrijven vaak de langere levertijden aangeboden door de tweede categorie drukgieterij partner.

Maar er is een andere optie: door te werken met een klein of middelgroot metaal drukgieterij partner en een toegewijde bewerkingspartner zoals 3ERP — opties 1 en 4 combineren, in feite — kunnen bedrijven kleinere volumes drukgieterij onderdelen met na-bewerking bestellen met verrassend korte levertijden.

Bij 3ERP hebben we een selectie van vertrouwde drukgieterij partners met wie we samenwerken om een naadloze giet- en afwerkservice te bieden, kwaliteit gegoten onderdelen geproduceerd en geleverd in een korte tijdspanne.

Drukgieterij ontwerprichtlijnen

Als met de meeste productieprocessen, komt hoge-druk drukgieterij met zijn eigen set ontwerpregels en beperkingen. Deze omvatten scheidingslijn overwegingen, trekhoeken, en wanddikte beperkingen.

Scheidingslijn (Parting line)

Een drukgieterij onderdeel wordt gemaakt met twee geharde staal gietvormen. De lijn waar de twee gietvormen ontmoeten heet de scheidingslijn, en deze lijn is vaak zichtbaar na gieten in de vorm van grat — een dunne uitspruiting van overmaat materiaal dat de kaviteit aan de scheidingslijn is ontkomen door onvoldoende sluitkracht.

Tijdens drukgieterij ontwerp moet de ontwerper een geschikte locatie voor de scheidingslijn vinden, nl. beslissen waar de gietvorm in tweeën gesplitst wordt. Dit hangt af van verschillende factoren, inclusief:

• Materiaalstroom: De inlaat voor metaalstroom moet langs de scheidingslijn gelegen zijn om optimale vulling van de gietvormkaviteit te garanderen.
• Cosmetische kenmerken: Cosmetische kenmerken mogen niet dicht bij de scheidingslijn gelegen zijn, aangezien ze belemmerd kunnen worden door inlaatpoorten en vents.
• Na-bewerking: Het scheidingslijngebied van de gieting zal waarschijnlijk de meeste bewerking en afwerking vereisen, dus het moet gelegen zijn om gemakkelijke machinegereedschapstoegang te bieden.

Kleine hoeveelheden grat zijn onvermijdelijk, dus ontwerpers moeten voorbereid zijn op de noodzaak om het na gieten te trimmen zodra de gieting uit de gietvorm verwijderd is.

Wanddikte

Als met andere giet- en vormgevingsprocessen, zijn drukgieterij onderdelen geschikt voor consistente wanddiktes, aangezien dit consistente vulling en afkoeling van de metaal gietingen aanmoedigt, wat de kans op oneffen krimp en vervorming vermindert.

Trekhoek (Draft)

Metaal drukgieterij onderdelen vereisen een kleine hoeveelheid trekhoek — getapte zijkanten van de gietvormkaviteit — zodat de gietingen gemakkelijk uit de gietvormen geëjecteerd kunnen worden zonder ze te beschadigen. Alle oppervlakken parallel met de gietvormopeningsrichting vereisen trekhoek.

Binnenoppervlakken als ongedraaide gaten vereisen een grotere trekhoek dan externe wanden (die natureel inkrimpen van de binnenkant van de gietvorm).

Afrundingen en radii

Afrundingen zijn afgeronde binnenhoeken die de belastingdraagcapaciteit van drukgieterijen verhogen. Ze zijn ook makkelijker te fabriceren dan scherpe binnenhoeken, dus moeten ze als standaard in drukgieterij ontwerpen geïntegreerd worden. Het gebruik van een gelijke straal over afrundingen is te verkiezen boven afrundingen met variërende stralen.

Radii zijn afgeronde buitenhoeken en spelen een andere maar even belangrijke functie, helpen om de metaalstroom in de gietvormkaviteit te verbeteren.

Ribben

Ribben zijn kleine uitsteeksels van het drukgieterij onderdeel die dienen om sterkte en stijfheid te verhogen zonder te resorten tot dikke wanden en verhoogd materiaalgebruik. Ze verbeteren ook de metaalstroom. Let op dat ribben hun eigen afrunding en radius overwegingen vereisen voor maximale sterkte en stroom.

Met ons netwerk van vertrouwde productiepartners biedt 3ERP een uitgebreid drukgieterijproces zelfs in lage volumes. Neem contact op voor een gratis offerte.