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Wenn Sie schon einmal gesehen haben, wie Teile oder Geräte in großem Maßstab hergestellt werden, haben Sie sich wahrscheinlich gefragt, wie all diese Teile hergestellt werden und wie viel Zeit dafür benötigt wird. Die Standardtechnologie ist der Druckguss, ein Verfahren, bei dem flüssiges Metall in eine Form gegossen wird, um das gewünschte Teil herzustellen. Dieses Verfahren ist zwar sehr hilfreich und kostengünstig, aber neue Technologien sind auf dem Vormarsch, um noch mehr Fortschritte in diesem Bereich der Metallurgie zu erzielen: Integrierter Druckguss.
Was ist integrierter Druckguss?
Integrierter Druckguss (IDC) ist ein Verfahren, bei dem flüssiges Metall in eine Form gespritzt wird, um eine bestimmte Form zu schaffen. Sobald das Metall abgekühlt ist, wird es zu einem ganzen Bauteil geformt, anstatt geschweißt oder weiterverarbeitet zu werden (wie es beim traditionellen Druckguss der Fall ist).
Dieses neue Verfahren ist nur Beginn der kommerziellen Einführungund es hat viele verschiedene Vorteile. Da diese Technologie so neu ist, werden wir die Entwicklung, den Prozess (einschließlich der verwendeten Materialien), die Vorteile und schließlich den Anwendungsprozess dieses neuen Verfahrens in der Industrie untersuchen.
Die Entwicklung des integrierten Druckgusses
Wenn man die Entwicklung der IDC verfolgt, folgt man in gewisser Weise den Spuren des Druckgusses selbst. Das Verfahren des Druckgießens geht bis ins 19. Jahrhundert zurück und war in der Ära der Druckerpresse eine wichtige Technologie. Mitte des 18. Jahrhunderts wurden die handbetriebene Druckgussmaschine und die Linotype-Maschine entwickelt, um den Prozess der Veröffentlichung von Metallbuchstaben weiter zu beschleunigen. Aber das war noch nicht alles.
Neue Verfahren und neue Materialien
Traditionell werden sowohl Zinn und Blei waren die Standardmaterialien Jahrhunderts wurden jedoch sowohl Aluminium als auch Zink zu neuen Materialien, die in der Druckgussindustrie verwendet (und bevorzugt) wurden. Dies war hauptsächlich auf zwei Faktoren zurückzuführen. Erstens waren diese Metalle für den Umgang mit ihnen sicherer als Blei und Zinn. Zweitens waren beide Werkstoffe stärker als ihre Vorgänger und ermöglichten stärkere Kreationen und neue Anwendungen.
Die Gegenwart
In den 1930er Jahren wurden die meisten der Metalle und Legierungen, die wir im Druckgussverfahren verwenden, eingeführt, wie Kupfer und Magnesium. Außerdem wurde der eigentliche Gießprozess zunächst nur mit Niederdrucksystemen durchgeführt, aber mit der Entwicklung neuer Technologien (und der Verwendung neuer Legierungen) wurden Hochdruckeinspritzsysteme zur neuen Norm.
In IDC verwendete Materialien
Wie bereits erwähnt, wurden viele verschiedene Metalle für das Druckgussverfahren verwendet, aber die heutzutage am häufigsten verwendeten Metalle sind Aluminium, Zink und Magnesium., aber auch Kupfer und Messing werden verwendet. Sehen wir uns die verschiedenen Eigenschaften dieser Metalle an und wie sie in der Industrie verwendet werden.
Aluminium
Aufgrund seiner geringen Masse ist Aluminium ein hervorragendes Material für die Verarbeitung, da es die Festigkeit des zu fertigenden Teils nicht auf Kosten des zusätzlichen Gewichts verringert. Im Allgemeinen können Aluminiumteile höheren Temperaturen standhalten und bieten daher etwas mehr Möglichkeiten der Endbearbeitung als andere Materialien. Außerdem lässt sich Aluminium aufgrund seiner Eigenschaften recht einfach gießen und ist eine gute Wahl, wenn Sie ein korrosionsbeständiges Metall suchen - vor allem in Kombination mit Zink als Legierung. Obwohl Aluminium viele Vorteile hat, sollte man nicht vergessen, dass Aluminium und andere Legierungen auf Aluminiumbasis etwas teurer sind als andere Produkte.
Aufgrund der oben genannten Vorzüge wird Aluminium häufig im Bereich der Technik eingesetzt. Dies liegt daran, dass es sowohl für elektrische als auch für thermische Anwendungen sehr gut geeignet ist.
Zink
Einer der größten Vorteile von Zink ist, dass es einen niedrigen Schmelzpunkt hat (787,15 F), was bedeutet, dass es im Vergleich zu anderen Metallen viel weniger Energie zum Schmelzen benötigt. Weniger Energie für die Vorbereitung des Metalls auf das Gießen bedeutet nicht nur, dass Sie weniger Gemeinkosten haben, sondern auch, dass Sie ein Metall verwenden, das eine längere Lebensdauer der Form hat als andere Metalle. Darüber hinaus ist Zink ein Metall, das sich hervorragend anpassen lässt. Es lässt sich leicht lackieren oder plattieren und bietet eine sehr glatte Oberfläche, die mehr Möglichkeiten für die Endbearbeitung Ihres Produkts bietet. Darüber hinaus verfügt Zink über einen hohen Korrosionsschutz und eine hohe Wärmeleitfähigkeit.
Was die Verwendung betrifft, so ist Zink aufgrund seiner hohen Lebensdauer aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts ein Favorit für das Gießen verschiedener medizinischer Geräte, wie z. B. Teile für Blutdruckmessgeräte.
Kupfer/Messing
Kupfer und Messing sind zwar nicht so gebräuchlich wie die anderen aufgeführten Metalle, aber dennoch wertvolle Materialien für das Druckgussverfahren. Kupfer bietet als Druckgussmetall viele Vorteile, wie z. B. hohe Härte, gute Korrosionsbeständigkeit, hohe Maßhaltigkeit und sehr hohe Leitfähigkeit. Andererseits hat Messing sehr ähnliche Eigenschaften wie Kupfer, aber mit dem zusätzlichen Vorteil, dass es sich leicht polieren oder plattieren lässt und eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Außerdem lässt sich Messing während des Gießens leicht mit anderen Metallen oder Legierungen mischen, so dass das Endprodukt möglichst viele Spezifikationen erfüllt.
Da Kupfer eine hohe Leitfähigkeit besitzt, wird es in der Industrie hauptsächlich für die Herstellung von Stromleitungen und Haushaltskabeln verwendet. Außerdem ist Kupfer ein hervorragendes Material für die Herstellung von Kühlkörpern für Computer und verschiedene Batteriemodule.
Die häufigsten Verwendungszwecke von Messingprodukten sind die Herstellung von Armaturen, Wasserpumpenteilen oder -komponenten und verschiedenen Armaturenteilen. Nebenbei bemerkt: Da Messing leicht poliert werden kann, haben die hergestellten Teile einen viel höheren ästhetischen Wert als andere Metalle, was dem Endprodukt einen höheren Wert verleiht.
Magnesium
Als Metall, das im Druckguss verwendet wird, bietet Magnesium viele Vorteile. Erstens ist es das leichteste Metall, das in der Industrie verwendet wird, und damit das Metall mit dem besten Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht. Zweitens haben viele Magnesiumlegierungen ein ausgezeichnetes Fließverhalten und eine bessere Gießfähigkeit als andere Metalle wie Kupfer und Aluminium. Und schließlich hat Magnesium eine hohe Toleranz gegenüber Wasserstoffporosität (ein Defekt, der während des Gießens auftreten kann, bei dem aufgrund eines hohen Anteils an Wasserstoffgas Hohlräume im Gussteil entstehen) ist es ein hervorragendes Material, um sicherzustellen, dass die verschiedenen von Ihnen hergestellten Gussstücke über einen längeren Zeitraum hinweg stabil sind.
Aufgrund seiner Fähigkeit, Hochfrequenzstörungen (RFI) und elektromagnetische Störungen (EMI) abzuschirmen, ist Magnesium eine gute Wahl, wenn es um die Wahl eines Metalls für medizinische und Laborgeräte geht, da es von verschiedenen Arten von Störungen nicht beeinträchtigt wird.
Das integrierte Druckgussverfahren
Bevor die einzelnen Schritte des Druckgussverfahrens untersucht werden, ist es wichtig, zwei verschiedene Arten des Gießens zu erläutern: Warmkammer- und Kaltkammerguss. Beim Warmkammergießen wird das Metall oder die Legierung, nachdem es bzw. sie ausreichend geschmolzen ist, sofort mit Hilfe eines hydraulischen Systems in die Form gespritzt, in der das gewünschte Teil hergestellt werden soll. Beim Kaltkammergießen hingegen wird das geschmolzene Material vor dem Einspritzen in eine kalte Kammer geschöpft. Obwohl es einige Unterschiede zwischen den beiden Verfahren gibt, handelt es sich um denselben Einspritzprozess, allerdings bei unterschiedlichen Temperaturen.
Nachdem wir die wichtigsten industriellen Gussarten definiert haben, wollen wir nun einen Blick auf den gesamten Gießprozess werfen. Beachten Sie, dass diese Schritte je nach der von Ihnen gewählten Gussmethode variieren können.
Schritt 1: Vorbereiten der Matrize (Form)
Zur Vorbereitung auf die Herstellung des gewünschten Produkts wird die Matrize oder Form mit einer Art Trennspray geschmiert. Dadurch kann sich das Teil leicht lösen und bleibt nicht in der Form hängen. Die Form kann einen oder mehrere Hohlräume haben, je nach Art des Endprodukts. Je mehr Kavitäten vorhanden sind, desto niedriger sind die durchschnittlichen Kosten des Endprodukts, wenn die Kosten für einen Spritzguss festgelegt werden.
Schritt 2: Einspannen
In diesem Stadium werden die beiden Hälften der Gussform von einer Maschine zusammengedrückt, die den erforderlichen Kraftaufwand bestimmt. Die beiden Hälften werden während dieses Vorgangs auf der Druckgussmaschine fixiert.
Schritt 3: Einspritzung und Kühlung
Das geschmolzene Metall wird mit einer Hydraulikpumpe unter einem bestimmten Druck in die Form gespritzt, um das Produkt nicht zu beschädigen. Nach dem Füllen der Form wird diese auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt, um das Ausstoßen vorzubereiten. Wenn das Produkt ausreichend abgekühlt ist, hat das erstarrte Metall eine ähnliche (wenn nicht identische) Form wie die von Ihnen verwendete Form.
Schritt 4: Auswurf des Produkts
Die Form wird gelöst und die beiden Hälften werden getrennt. Dann drückt ein Ausstoßmechanismus die Form vorsichtig heraus. Dieser Vorgang muss streng überwacht werden, um sicherzustellen, dass das Produkt nicht beschädigt wird.
Schritt 5: Beschneiden und Fertigstellung
In der letzten Phase wird das überschüssige Metall von der Form abgeschnitten und das Endprodukt getrimmt und bearbeitet, um eine sehr hohe Qualität zu gewährleisten. Nach einer speziellen Oberflächenbehandlung wie Pulverbeschichtung, Kunststoffbeschichtung, Oxidation, Polieren, Galvanisieren usw. ist Ihr gewünschtes Teil nun einsatzbereit!
An dieser Stelle fragen Sie sich vielleicht: "Wie unterscheidet sich das integrierte Druckgussverfahren vom Standardgussverfahren?" Das ist eine berechtigte Frage. Vereinfacht gesagt, wird beim IDC-Verfahren ein großes, einzelnes Teil hergestellt, während beim Standardverfahren mehrere Teile entstanden wären, die zusammengeschweißt oder hergestellt werden mussten. Wenden wir uns nun den verschiedenen Vorteilen dieses Verfahrens zu.
Was sind die Vorteile?
Einer der Hauptvorteile von IDC ist die Senkung der Herstellungskosten durch die Verringerung der Anzahl von Einzelteilen, die hergestellt werden müssen, sowie der verschiedenen Schritte, um sie zu dem gewünschten Produkt zu verbinden.
Ein zweiter Punkt ist die Reduzierung der C02-Emissionen und die Steigerung der Energieproduktivität um mindestens 50%, wie in eine Studie des U.S. Department of Energy. Dies liegt vor allem daran, dass IDC die traditionelle mehrteilige Methode ersetzen kann, indem ein einzelnes, starkes Produkt geschaffen wird, das nicht geschweißt oder gestanzt werden muss.
Ein typisches Beispiel, Tesla übernahm diese Technologie für die Herstellung des hinteren Rahmens ihres Fahrzeugs Modell Y. Ursprünglich wurde er aus 70 verschiedenen Teilen gestanzt und geschweißt, was etwa ein bis zwei Stunden dauerte. Mit der IDC-Methode dauert dieser Prozess jetzt nur noch insgesamt 45 Minuten, und es werden 300 Roboter weniger benötigt, um das Verfahren abzuschließen. Das ist eine enorme Kostenreduzierung!
Wo wird IDC eingesetzt?
Bislang wurde die Technologie des integrierten Druckgusses hauptsächlich in der Automobilindustrie eingesetzt. Große Automobilhersteller wie Tesla und NIO haben dieses Verfahren eingesetzt, um leichtere und stabilere Komponenten für ihre Fahrzeuge zu schaffen, insbesondere bei den Hilfsrahmen und anderen Bauteilen. Der Einsatz dieser Technologie in der Automobilindustrie unterscheidet sich stark von den traditionellen Stanz- und Schweißverfahren und hat viele verschiedene Vorteile gebracht, wie die oben genannten, und viele weitere werden in Zukunft hinzukommen.
Die integrierte Druckgusstechnologie ist ein Verfahren, das die Automobilindustrie und viele andere Bereiche revolutionieren kann. Es lohnt sich, sie im Auge zu behalten.
