1. Mithilfe von Rapid-Prototyping-Technologie und 3D-Software eine geeignete Gussform erstellen und zunächst die Trennebene, die Position des Angusssystems und das Wärmehaushaltssystem der Form festlegen. Die zweidimensionale Gusszeichnung wird entsprechend den Anforderungen in dreidimensionale Volumendaten umgewandelt. Je nach Komplexität und Wandstärke des Gussteils wird eine angemessene Schwindung (üblicherweise 0,05 % bis 0,06 %) bestimmt. Anschließend werden Position und Form der Trennebene festgelegt. Anhand der Daten der Druckgießmaschine werden die Position und der Durchmesser des Einspritzstempels sowie die Zahl der Gussteile je Form bestimmt. Die Gussteile werden sinnvoll angeordnet. Danach werden Angusssystem und Überlaufsystem dreidimensional modelliert.
2. Strömungs- und Temperaturfeld simulieren, um Angusssystem und Wärmehaushaltssystem der Form weiter zu optimieren. Nach der Aufbereitung der Daten zu Gussteil, Angusssystem und Überlaufsystem werden Randbedingungen wie Prozessparameter für den Guss, physikalische Eigenschaften der Legierung und weitere Angaben eingegeben. Die Simulationssoftware kann dann den Füllvorgang der Legierung und die Strömung der flüssigen Legierung im Formhohlraum abbilden. Außerdem ermöglicht sie Erstarrungs- und Temperaturfeldsimulationen, mit denen sich das Angusssystem weiter optimieren und die Positionen der Kühlpunkte der Form bestimmen lassen.
Die Simulationsergebnisse stellen die Ausrichtung der flüssigen Legierung und die Temperaturfeldverteilung während des gesamten Füllvorgangs grafisch dar. Durch ihre Analyse lassen sich mögliche Fehlerstellen erkennen. In der anschließenden Konstruktion können beispielsweise Position und Ausrichtung des Innenanschnitts geändert oder ein Schlackenfang ergänzt werden, um die Formfüllung zu verbessern und Gussfehler zu vermeiden.
3. Gesamtaufbau der Form anhand des 3D-Modells konstruieren. Während die Simulation läuft, kann die allgemeine Formanordnung ausgelegt werden. Dazu gehören folgende Aspekte:
(1) Allgemeine Formanordnung anhand der Daten der Druckgießmaschine auslegen.
Bei der allgemeinen Formanordnung müssen zuerst die Einspritzposition und der Stempeldurchmesser festgelegt werden. Die Einspritzposition ist so zu wählen, dass das Druckgussteil mittig auf der Aufspannplatte der Druckgießmaschine liegt und nicht mit den vier Zugstangen der Maschine kollidiert. Von ihr hängt ab, ob sich das Druckgussteil problemlos aus dem Formhohlraum auswerfen lässt. Der Stempeldurchmesser wirkt sich direkt auf das Einspritzverhältnis und damit auf die erforderliche Schließkraft der Druckgussform aus. Deshalb werden diese beiden Parameter zu Beginn der Konstruktion festgelegt.
(2) Formeinsätze und Kerne konstruieren.
Im Mittelpunkt stehen Festigkeit und Steifigkeit der Formeinsätze, die Größe der Dichtflächen, die Passung zwischen den Einsätzen sowie die Anordnung der Auswerferstifte und Kühlpunkte. Das sinnvolle Zusammenspiel dieser Elemente ist grundlegend für eine lange Lebensdauer der Form. Bei großen Formen müssen insbesondere die Verbindung verschleißanfälliger Teile und die Dichtflächen berücksichtigt werden. Das ist entscheidend, um vorzeitige Formschäden und Aluminiumaustritt während des Druckgießens zu verhindern. Außerdem sind diese Aspekte für die Entlüftung großer Formen und die Bearbeitungstechnik wichtig.
(3) Formgrundkörper und Kernzugmechanismus konstruieren.
Für kleine und mittlere Druckgussformen können direkt Standardformgrundkörper verwendet werden. Bei großen Formen müssen Steifigkeit und Festigkeit des Formgrundkörpers berechnet werden, damit elastische Verformungen während des Druckgießens nicht die Maßgenauigkeit des Gussteils beeinträchtigen. Bei der Konstruktion des Kernzugmechanismus kommt es vor allem auf das Spiel zwischen beweglichen Komponenten und deren Positionierung zueinander an. Da die Wärmeausdehnung das Gleitspiel während des Betriebs beeinflusst, sollte das Passungsspiel bei großen Formen 0,2–0,3 mm und das Stoßspiel am Formteil 0,3–0,5 mm betragen. Die Auswahl richtet sich nach Formgröße und Erwärmung. Geformte Schieber werden mithilfe einer Passfeder zwischen Schieber und Schiebersitz positioniert. Auch die Schmierung des Kernzugmechanismus ist entscheidend, da sie die Zuverlässigkeit des kontinuierlichen Betriebs der Druckgussform direkt beeinflusst. Ein gutes Schmiersystem trägt wesentlich zur höheren Produktivität beim Druckgießen bei.
(4) Heiz- und Kühlkanäle anordnen und Komponenten für den Wärmehaushalt auswählen.
Da die heiße Flüssiglegierung mit hoher Geschwindigkeit und unter hohem Druck in den Formhohlraum eintritt, wird viel Wärme in die Formeinsätze eingetragen. Diese Wärme abzuführen, ist eine zentrale Aufgabe bei der Formenkonstruktion – insbesondere bei großen Druckgussformen. Das Wärmehaushaltssystem wirkt sich direkt auf die Maßhaltigkeit und die innere Qualität des Gussteils aus. Moderne Systeme werden zunehmend schnell montiert und ermöglichen eine präzise Durchflussregelung. Mit der Entwicklung der modernen Fertigung werden Komponenten für den Wärmehaushalt immer häufiger direkt nach Bedarf aus den 2D- und 3D-Daten der Komponentenhersteller ausgewählt. Das sichert die Komponentenqualität und verkürzt zugleich die Konstruktionszeit.
(5) Auswerfmechanismus konstruieren.
Der Auswerfmechanismus kann mechanisch oder hydraulisch ausgeführt werden. Beim mechanischen Auswerfen wird der Auswurfmechanismus der Maschine genutzt; beim hydraulischen Auswerfen übernimmt ein in der Form integrierter Hydraulikzylinder diese Aufgabe. Bei der Konstruktion sollte die Wirkungslinie der resultierenden Auswurfkraft möglichst durch den Mittelpunkt der resultierenden Auslösekraft verlaufen. Dafür muss der Auswerfmechanismus gut geführt, steif und zuverlässig sein. Bei großen Formen ist der Auswerfmechanismus vergleichsweise schwer. Sein Gewicht kann Auswerferstifte und Gestell verformen und dadurch zum Verklemmen führen. Auch die Wärmeausdehnung der Form wirkt sich stark auf den Mechanismus aus. Deshalb sind die Positionierung der Auswerferkomponenten am Formgestell und die Befestigung der Auswerferführungsstifte besonders wichtig. Bei solchen Formen werden die Führungsstifte meist an der Formplatte befestigt. Platte, Distanzstück und Formgestell werden mit größeren Rundstiften oder Passfedern positioniert, um den Einfluss der Wärmeausdehnung auf den Auswerfmechanismus zu minimieren. Bei Bedarf können Wälzlager und Führungsplatten die Auswerferkomponenten abstützen. Bei der Konstruktion ist außerdem auf die Schmierung zwischen den Komponenten zu achten. Formenbauer in Nordamerika integrieren häufig eine spezielle Schmierplatte an der Rückseite des beweglichen Formgestells, um die Auswerferstifte zu schmieren. Unter dem beweglichen Formgestell wird eine Ölplatte mit einem Ölkanal angebracht, der mit den Durchgangsbohrungen der Auswerferstifte verbunden ist. Während des Betriebs wird Schmieröl eingefüllt, damit der Mechanismus geschmiert bleibt und nicht klemmt.
(6) Führungs- und Positioniermechanismus konstruieren.
Innerhalb der gesamten Formstruktur beeinflusst der Führungs- und Positioniermechanismus die Betriebsstabilität der Form am stärksten. Er wirkt sich außerdem direkt auf die Maßgenauigkeit des Druckgussteils aus. Zu den Führungen gehören die Führung beim Schließen der Form, die Führung des Kernzugs und die Führung des Auswerfmechanismus. Zur Verringerung des Verschleißes sollten Führungselemente in der Regel mit Reibpartnern aus speziellen Werkstoffen ausgeführt werden. Eine gute Schmierung ist ebenfalls unverzichtbar. Zwischen den Reibpartnern müssen geeignete Schmierölkanäle vorhanden sein. Bei besonders großen Schiebern werden üblicherweise Kupferführungsbuchsen und gehärtete Führungssäulen verwendet. Eine zuverlässige Positionierung sorgt dafür, dass der Schieber leichtgängig läuft und genau positioniert wird.
Der Positioniermechanismus der Form umfasst unter anderem die Positionierung zwischen beweglicher und fester Formhälfte, die Positionierung beim Auswerfen und Zurücksetzen, die Positionierung zwischen Formschieber und Schiebersitz sowie die Positionierung zwischen Auswerferplatte und Formgestell. Die Positionierung zwischen beweglicher und fester Formhälfte ist eine bewegliche Positionierung mit hohen Anforderungen an die Passgenauigkeit. Bei kleinen Formen können direkt die ineinandergreifenden Flächen der Formeinsätze verwendet werden. Große Druckgussformen benötigen spezielle Positioniermechanismen, um die Wärmeausdehnung auszugleichen. Andere Positionierstrukturen dienen der festen Positionierung zwischen Komponenten und verwenden in der Regel Rundstifte und Passfedern. Die ineinandergreifenden Flächen der Formeinsätze gewährleisten die genaue Positionierung der beweglichen und festen Formhälfte und verhindern einen Versatz der Form.
(7) Weitere Konstruktionen, etwa für Vakuum, Pressen und Entlüftung.
Zusätzlich zu den genannten Strukturen benötigen manche Formen ein Vakuumsystem, einen Pressmechanismus oder eine Entlüftung über Wellenplatten. Bei der Konstruktion des Vakuumsystems steht die Abdichtung im Vordergrund. Um bei der üblichen Betriebstemperatur eine gute Abdichtung zwischen den Formteilen zu gewährleisten, wird in der Regel Silikonkautschuk verwendet. Beim Pressmechanismus müssen Zeitpunkt und Pressweg genau gesteuert werden, damit die gewünschte Wirkung erzielt wird. Die Entlüftung über Wellenplatten ist eine zentralisierte Entlüftungsform. Sie wird häufig bei Aluminiumdruckgussteilen mit dünnen Wänden, bei druckbeständigen Teilen mit hohen Anforderungen an die Dichte sowie bei Magnesiumdruckgussteilen eingesetzt. Der Spalt der Wellenplatte muss groß genug sein, darf aber während des Druckgießens kein Herausspritzen der Legierung ermöglichen. Üblicherweise wird der Spalt auf 0,3–0,6 mm eingestellt.
