Konstruktionsrichtlinien für Präzisionsteile aus Zinkdruckguss

Zinkdruckguss ist ein flexibles Produktionsverfahren, bei dem die geschmolzene Zinklegierung unter hohem Druck in eine speziell entwickelte Form gespritzt wird, um komplexe und hochpräzise Teile herzustellen. Ein solches Verfahren eignet sich besonders für Präzisionsteile, da Zink eine hohe Fließfähigkeit und einen niedrigen Schmelzpunkt hat und ohne große Nachbearbeitung mit engen Toleranzen bearbeitet werden kann.

Zamak-Druckguss wird in Branchen wie der Automobilindustrie, der Elektronik, der Konsumgüterindustrie und der Medizintechnik für Teile wie Stecker, Zahnräder, Gehäuse und komplexe Mechanismen verwendet, die Maßtoleranzen und Langlebigkeit erfordern.

Die meisten Zinklegierungen werden mit Warmkammermaschinen verarbeitet, die kurze Zykluszeiten und eine gleichbleibende Qualität ermöglichen. Präzise Teile profitieren von der Fähigkeit des Zinks, dünne Wände, komplexe Geometrien und Net-Shape-Teile herzustellen, wodurch Materialabfall und Montagezeit reduziert werden.

Dennoch werden hohe Erfolgsquoten erzielt, wenn bestimmte Konstruktionsregeln befolgt und Materialeigenschaften, Form, Gestalt und Verarbeitungsparameter berücksichtigt werden. Diese Regeln helfen, Fehler zu reduzieren, die Herstellbarkeit zu verbessern und die Präzision zu erhöhen.

In diesem Artikel werden die wichtigsten Richtlinien genannt, die sich auf Industrienormen stützen, die von Organisationen festgelegt wurden, um Ingenieure bei der Konstruktion von Präzisionsteilen aus Zinkdruckguss zu unterstützen.

Vorteile des Zinkdruckgusses von Präzisionsteilen

Die Verwendung von Zinkdruckguss bietet mehrere Vorteile, die es zu einem der besten Materialien für Präzisionsanwendungen machen.

• Erstens bietet es die beste Maßgenauigkeit mit Toleranzen von 0,025 mm (Nullkommafünfundzwanzig) oder -0,001 Zoll (0,025 mm), die bei optimierten Konstruktionen möglich sind.
• Diese Genauigkeit ist auf die geringe Schrumpfung und die hohe Fließfähigkeit von Zink zurückzuführen, so dass geschmolzenes Metall in einen komplexen Formhohlraum gegossen und gefüllt werden kann, ohne die Form zum Erstarren zu verlassen.
• Zweitens ermöglicht Zink einen dünnwandigen Guss mit einer Mindestdicke von 0,635 mm (0,025 Zoll) im Miniaturformat und im Allgemeinen 0,016 mm (0,040 Zoll) für eine bessere Oberflächenbeschaffenheit.
• Das spart Gewicht und Materialkosten und ist dennoch stark genug für den Einsatz in leichten Präzisionsteilen wie Elektronikgehäusen und Kfz-Sensoren.
• Drittens begünstigt das Verfahren komplizierte Geometrien sowie Hinterschneidungen, Gewinde und integrierte Merkmale, die oft nicht erneut bearbeitet werden müssen.
• Die Duktilität und Schlagzähigkeit von Zink sorgen dafür, dass die Teile keinen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, und seine Gießbarkeit verringert außerdem Porosität und Oberflächenfehler.
• Darüber hinaus lassen sich Zinkbauteile leicht beschichten, lackieren oder veredeln, um sie vor Korrosion zu schützen und ihnen ein ansprechendes Aussehen zu verleihen.
• Zink hat einen niedrigeren Schmelzpunkt (ca. 380-390 °C bei Zamak-Legierungen) als andere Metalle, wie Aluminium oder Magnesium. Dadurch verringert sich der Verschleiß der Gussformen, was zu einer längeren Lebensdauer der Werkzeuge und niedrigeren Produktionskosten bei hohen Stückzahlen führt.
• Im Falle von Präzisionsteilen bedeutet dies, dass die Qualität über Tausende von Zyklen hinweg konstant bleibt. Zu den Vorteilen für die Umwelt gehört die vollständige Recyclingfähigkeit, die mit umweltfreundlichen Herstellungspraktiken in Einklang steht.

Auswahl Material: Zink-Legierungen

Die Auswahl der richtigen Zinklegierung ist für Präzisionsteile wichtig, da sie die mechanischen Eigenschaften, die Gießbarkeit und die Toleranzen beeinflusst. Die Website Zamak-Druckguß Serie (2, 3, 5, 7) und die ZA-Serie (8, 12, 27) haben spezifische Zusammensetzungen und Leistungseigenschaften.

• Die beliebteste ist Zamak 3, das eine Kombination aus Festigkeit, Duktilität und Formstabilität bietet.
• Zamak 5 hat eine höhere Härte und Zugfestigkeit und eignet sich daher am besten für belastete Teile.
• ZA-8 bietet eine bessere Kriechfestigkeit und kann bei höheren Temperaturen eingesetzt werden.
• ZA-27 hingegen ist stärker, sollte aber wegen seines hohen Aluminiumgehalts in Kaltkammern gegossen werden.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Arten von Zinklegierungen, die bei der Herstellung von Präzisionsteilen verwendet werden:

Diese Eigenschaften können genutzt werden, um sicherzustellen, dass Zinklegierungen die Präzisionsspezifikationen erfüllen und dass komplexe Teile eine hohe Fließfähigkeit aufweisen (1-2 auf einer Skala von 1-4; 1 am besten). Um genau zu sein, würden Hersteller Legierungen wie Zamak 3 oder ZA-8 aufgrund ihrer Stabilität und ihrer Fähigkeit, engen Toleranzen standzuhalten, wählen wollen.

Wichtige Gestaltungsrichtlinien

Gut Zinkdruckguss wurde entwickelt, um das Fließen und Ausstoßen zu erleichtern und gleichzeitig die Festigkeit bei minimalen Kosten zu erhalten.

Wanddicke

Die Wandstärke sollte gleichmäßig sein, um Porosität und Verzug zu vermeiden. Bei Präzisionsteilen sollte die Dicke innerhalb von +/-10% liegen und für eine gute Oberflächengüte mindestens 1 mm (0,040 Zoll) betragen, bei Miniaturmodellen sogar nur 0,5 mm (0,020 Zoll).

Das Verhältnis von dicken zu dünnen Abschnitten sollte weniger als 3:1 betragen, um das Risiko von Porosität zu minimieren; vorzugsweise sollte das Verhältnis der Durchmesser der eingeschriebenen Kugeln 6:1 nicht überschreiten.

Eine Verdickung der Wände verbessert den Durchfluss, erhöht aber die Zykluszeit und den Verbrauch. Bei Abständen vom Anschnitt ändert sich die Mindestdicke: unter 0,5 mm in Bereichen von weniger als 50 mm, bis zu 2 mm bei 200 mm.

Zur Überprüfung von Entwürfen können verschiedene Simulationen verwendet werden. Beim Zinkguss ist an ausgewählten Stellen eine Mindestdicke von 0,635 mm (0,025 Zoll), an den besten Stellen jedoch von 1,016 mm (0,040 Zoll) vorzusehen.

Entwurfswinkel

Entformungsschrägen helfen beim Auswerfen der Teile und verhindern eine Beschädigung der Matrize. Bei Zink beträgt der Mindestverzug 0,5°-1 an Außenflächen, 1-1 an Innenflächen und 0,1°-1 an runden Löchern. Kurze Merkmale, die bewegliche Teile (Matrizenelemente) verwenden, können in Null gedruckt werden, was jedoch teurer ist.

Für Rippen wird eine Verjüngung von 5-10 verwendet, wenn sie nicht parallel zur Schrumpfung verläuft. Es gibt verschiedene Normen für die Berechnung der Verformung: Die Standardtoleranzen betragen 50 (Verformungswinkel von etwa 1,9 Grad bei einer Tiefe von 1 Zoll) für Innenwände und 100 für Außenwände. Es gibt auch Präzisionstoleranzen, die konstante Verformungen von 60 und 120 zulassen.

Filets und Radien

Verrundungen und Radien sollten immer hinzugefügt werden, da scharfe Kanten zu Spannungskonzentrationen und Werkzeugerosion führen. Der Mindestradius der Innenverrundung beträgt 0,016 Zoll (0,4 mm), der Außenradius 0,031 Zoll (0,8 mm). Größere Radien (bis zu 0,063 Zoll oder 1,6 mm) verbessern den Fluss und die Festigkeit.

Es sollten Mindestradien verwendet werden (0,060 Zoll (1,5 mm) für Vorsprünge und Rippen). Der Radius sollte bei hoher Beanspruchung nicht weniger als 1 mm betragen; die Normen empfehlen ±0,08/±0,04 Zoll (±2/±1 mm) bei Verrundungen. Dies erhöht die Lebensdauer des Teils und verringert die Rissbildung.

Rippen und Bosse

Rippen verbessern die Verstärkung, ohne die Masse zu erhöhen. Legen Sie flache, abgerundete Rippen an (Verhältnis von Höhe zu Dicke nicht mehr als 3:1) und verteilen Sie sie gleichmäßig, damit sie nicht verzerrt werden. Kleben Sie die Rippen mit Hohlkehlen an die Wände an, um Porosität in den Übergängen zu vermeiden.

Die Höhe der Vorsprünge, die zum Befestigen oder Gewindeschneiden verwendet werden, muss ihrem Durchmesser entsprechen, und wenn der Durchmesser groß ist, müssen sie Rippen haben. Halten Sie einen Abstand von 6,5 mm (0,25 Zoll) zwischen den Vorsprüngen ein. Toleranzen von kritischen Höhen können in Rippen enthalten sein, wie z. B. in den Präzisionsausführungen von ±0,001 Zoll (±0,025 mm) Rippen.

Kernbohrungen und Gewinde

In den Kern eingebrachte Löcher machen ihn leichter und ermöglichen Elemente wie Gewinde. Die maximale Tiefe beträgt ca. 3 mm Durchmesser, 9 mm blind oder 24 mm durchgehend; bis zu 12 mm Durchmesser bei größeren Öffnungen. Der Durchmesser beträgt mindestens 6 mm (0,25 Zoll), das L/D-Verhältnis bei kleinen Löchern nicht mehr als 4:1.

Überlegungen zur Trennungslinie

Es ist am besten, die Trennlinie in einem möglichst großen Abschnitt zu platzieren, um möglichst wenig Grat zu erzeugen und ein einfaches Beschneiden zu ermöglichen. Senkrechte oder komplizierte Linien sollten vermieden werden; am besten ist eine rechtwinklige Bewegungsebene. Die Toleranzen an den Trennebenen sind die Summe der linearen Toleranzen pro projizierter Fläche.

Toleranzen von Präzisionsteilen

Zinkdruckguss hat noch höhere Präzisionstoleranzen als der Standard, und manchmal sind 65% dieser speziellen Kontrollen notwendig. Lineare Toleranzen: erste Zoll Präzision ist ±0,002 Zoll, extra ist ±0,001.

Geometrische Toleranzen bestehen aus Fluchtungsfehler (0,1 mm TIR gleiche Hälfte), Ebenheit (0,005 Zoll 3 Zoll und weniger, Präzision) und Winkligkeit. Verschiebung der Trennebene: +0,004 Zoll zur Trennlinie innerhalb von 50 in 2.

Gemeinsame Fehlervermeidung

Schlecht gewählte Dicken oder falsch platzierte Anschnitte verursachen Porosität; reduzieren Sie diese mit einheitlichen Wänden und CAE-optimierten Anschnitten. Ungleichmäßige Abkühlung verursacht Verzug, der durch ballige Oberflächen und Rippen verhindert wird. Korrekte Verformungen und Verrundungen beseitigen Oberflächenfehler wie Kaltverschlüsse. Lassen Sie sich von den Druckgießern zu Simulationen beraten.

Sekundäre Veredelungen und Operationen

Zink ist zerspanbar und kann leicht nachbearbeitet werden; es ist jedoch so konzipiert, dass die Nachbearbeitung minimiert wird. Fügen Sie 0,010-0,030 Zoll Bearbeitungsmaterial hinzu. Die Oberflächen können entweder durch Beschichtung (kosmetisch), Lackierung oder Eloxierung behandelt werden. Die besten Klassen sind 32 Ra, die im Gusszustand erreicht werden.

Anwendungen von Zinkdruckgussstücken

Zinkdruckguss ist in der Industrie aufgrund seiner Flexibilität und hohen Qualität sehr beliebt.

Autoindustrie

Zinkdruckgussteile sind in Fahrzeugen vorherrschend, einschließlich Türschlossgehäusen, Sicherheitsgurtkomponenten, Bremssystemen, Lenkungsteilen, Sensorgehäusen und dekorativen Verkleidungen. Im Vergleich zu anderen Werkstoffen weisen sie eine hohe Schlagfestigkeit und Haltbarkeit auf.

Telekommunikation und Elektronik

Zink wird in der Elektronik in Steckern, Gehäusen, Kühlkörpern und EMI/RFI-Abschirmungskomponenten verwendet. Seine Leitfähigkeit und die Fähigkeit, feine, dünnwandige Komponenten herzustellen, ermöglichen die Fertigung von kleinen Bauteilen für Computer, Smartphones und Netzwerkausrüstung.

Konsumgüter und Hardware

Normalerweise wird es für Schlösser, Wasserhähne, Griffe, Sanitärarmaturen, Spielzeug und Baubeschläge verwendet. Zink kann mit ansprechenden Oberflächen versehen werden und erfordert nur eine minimale Nachbearbeitung. Weitere Verwendungszwecke sind medizinische Geräte, industrielle Maschinengetriebe und Klammern.

Nachteile des Zinkdruckgusses

Der Zinkdruckguss bietet zahlreiche Vorteile, hat aber auch einige Einschränkungen, die die Hersteller berücksichtigen sollten, bevor sie sich für dieses Verfahren entscheiden.

Größenbeschränkungen

Zinkdruckguss kann vor allem für kleine bis mittelgroße Teile verwendet werden. Große Bauteile sind aufgrund der Beschränkungen der Druckgießmaschinen und der Größe der Formen schwierig herzustellen. Bei größeren Teilen können alternative Produktionsverfahren praktikabler und kostengünstiger sein.

Hohe Anfangskosten

Für das Verfahren werden präzise Werkzeuge und spezielle Formen benötigt. Dies führt zu einer teuren Erstausstattung; daher ist der Zinkdruckguss nicht ideal für die Kleinserienproduktion. Für die Massenproduktion ist es jedoch kosteneffizient.

Probleme mit der Wärmeleitfähigkeit

Zinklegierungen haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit, so dass es schwierig ist, die Wärme während des Gießprozesses zu kontrollieren. Ein schlechtes Wärmemanagement kann zu Defekten führen, weshalb eine gute Formgestaltung und ein Kühlsystem erforderlich sind.

Schlussfolgerung

Zinkdruckguss hat sich zu einem effektiven Fertigungsverfahren für die Herstellung hochpräziser Bauteile mit komplexen Formen und engen Toleranzen entwickelt. Aufgrund seiner besonderen Materialeigenschaften, zu denen eine hohe Fließfähigkeit, ein niedriger Schmelzpunkt, eine hohe Maßhaltigkeit und eine gute mechanische Festigkeit gehören, eignet sich Zinkdruckguss gut für Branchen, in denen Präzision, Langlebigkeit und Oberflächengüte von großer Bedeutung sind.

Die Anwendung geeigneter Konstruktionsprinzipien, wie z. B. gleiche Wanddicke, ausreichender Entformungswinkel, abgerundete Verrundungen, optimierte Rippen und Vorsprünge sowie die Position der Trennfuge, kann den Herstellern helfen, Fehler wie Porosität, Verzug und Gratbildung zu vermeiden.

Dies kann durch die sorgfältige Auswahl einer Zinklegierung noch verbessert werden, z. B. Zamak 3, Zamak 5 oder ZA-8, das den mechanischen Eigenschaften und Anforderungen der Anwendung am besten entspricht.

Bei den mit Zinkdruckguss erreichbaren Toleranzen handelt es sich um Präzisionstoleranzen, die in der Regel die Nachbearbeitung reduzieren, was zu schnelleren Produktionszyklen und geringeren Gesamtkosten führt. Zink lässt sich auch hervorragend veredeln, so dass die Teile problemlos beschichtet oder lackiert werden können, was die Korrosionsbeständigkeit und das Aussehen verbessert.

Im Großen und Ganzen vereint der Zinkdruckguss alle diese Faktoren (Präzision, Festigkeit, Effizienz, Kosteneffizienz). Mit geeigneten Konstruktionsmethoden und qualifizierten Druckgießern können gleichbleibend hochwertige Teile für die Automobil-, Elektronik-, Konsumgüter-, Medizintechnik- und Hausgeräteindustrie hergestellt werden.

FAQs

Warum wird Zink im Präzisionszinkdruckguss verwendet?

Zink ist ein schwindungsarmer Werkstoff mit hoher Fließfähigkeit, enger Toleranz und guter Oberflächengüte, der sich für Präzisionsteile eignet.

Wie hoch ist die Mindestwandstärke des Zinkdruckgusses?

Üblicherweise werden Miniaturbauteile mit einer Größe von 0,020 Zoll (0,5 mm) verwendet, aber auch 0,040 Zoll (1,0 mm) werden empfohlen.

Welches ist die beste Zinklegierung für Hochpräzisionsteile?

Am weitesten verbreitet ist Zamak 3, das sich durch Maßhaltigkeit und gleiche mechanische Eigenschaften auszeichnet.

Sind Zinkdruckgussteile für Gewinde und feine Details geeignet?

Ja, Zink verträgt Kernbohrungen, Gewinde, Hinterschneidungen und komplexe Konstruktionen mit wenig Bearbeitung.

Kann Zinkdruckguss in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden?

Ja, es ist sehr kosteneffizient aufgrund der schnellen Zykluszeit, der langen Lebensdauer der Matrize, der reduzierten Nachbearbeitung und der Wiederverwertbarkeit.