1. Einleitung
Viele kennen das Prinzip von Bernoulli. Aber wie lässt es sich auf eine Druckgussmaschine anwenden? Eine Druckgussmaschine ist im Grunde nichts anderes als ein dynamisches Fluidsystem, das sich mithilfe des Energieerhaltungssatzes vereinfacht beschreiben lässt (für inkompressible Fluide ohne viskose Kräfte). Da Drücke und Geschwindigkeiten deutlich grösser sind als der Einfluss der potenziellen Energie, wird diese vernachlässigt. Das bedeutet: Die von der Maschine bereitgestellte Energie lässt sich am Giesskolben entweder in Druck oder in Geschwindigkeit umsetzen. Genau dieser Zusammenhang wird im PQ2-Diagramm beschrieben. Das Diagramm ist ein zentrales Werkzeug für die Formfüllung.
2. Was das PQ2-Diagramm zeigt
Die Energie der Maschine, oft als dynamische Kraft ausgedrückt, lässt sich zwei theoretischen Zuständen zuordnen: dem maximalen dynamischen Druck (bei einer Geschwindigkeit = 0 m/s) und der maximalen Geschwindigkeit (ohne Druck, sogenannter „Trockenschuss"). Beim eigentlichen Giessen bewegt sich der Prozess stets zwischen diesen beiden Extremzuständen. Auf dieser Basis lässt sich für jede Maschine und jeden Kolbendurchmesser eine individuelle PQ2-Kurve erstellen.
Das Bernoulli-Prinzip gilt jedoch nicht nur für die Maschine, sondern lässt sich ebenso auf das Werkzeug anwenden: Je schneller gefüllt wird, desto mehr Fülldruck muss überwunden werden. Die dafür nötige Formfüllkurve hängt massgeblich von der Gestaltung des Bauteils, des Angusssystems sowie von der Anschnittsgeschwindigkeit ab.
3. Formkurven und typische Interpretation
Zwei Werkzeuge können hier sehr unterschiedlich ausfallen: Werkzeug 1 benötigt beispielsweise 260 bar, um das Bauteil zu füllen, Werkzeug 2 bei gleicher Geschwindigkeit nur 120 bar. Liegt der erforderliche Fülldruck über dem, was die Maschine liefern kann, erreicht der Kolben die vorgesehene Geschwindigkeit nicht und wird langsamer, mit direkten Folgen für die Bauteilqualität.
Verhält sich das Werkzeug hingegen wie im Beispiel von Werkzeug 2, kann die Maschine die geforderte Geschwindigkeit problemlos erreichen. Das Stetigventil regelt dabei die Kolbengeschwindigkeit passend zur eingestellten Geschwindigkeit der zweiten Phase. In einem solchen Fall lässt sich sogar der Akkumulatordruck der Maschine reduzieren, was Energie spart und die Lebensdauer der Maschine verlängert.
Sind die Formkurven im Vorfeld nicht bekannt, ist entsprechend mehr Erfahrung gefragt, um den passenden Betriebspunkt abzuschätzen. Dies ist besonders bei Strukturbauteilen und grossformatigen Bauteilen wie im MegaCasting und GigaCasting wichtig.
4. Vom Diagramm zur Maschinenauslegung
Sind alle MegaCasting- und GigaCasting-Maschinen gleich? In der Diskussion um Maschinen wird meist zuerst die Schliesskraft genannt. Aus unserer Sicht ist jedoch die Schussleistung mindestens genauso entscheidend. Das zeigt sich besonders bei der Auslegung eines neuen Werkzeugs: Die Formkurve eines neuen Werkzeugs ist unbekannt, was diese Aufgabe zur Herausforderung macht.
Bekannt ist hingegen, wie schnell die Kavität gefüllt werden soll. Aus der gewünschten Füllzeit und dem Volumen nach dem Anschnitt lässt sich der benötigte Volumenstrom berechnen. Aus dem Kompromiss zwischen Maschine, aktiver Giesskammerlänge, Füllgrad und Füllgeschwindigkeit ergibt sich anschliessend der passende Kolbendurchmesser.
Mit diesen Werten lässt sich abschätzen, welcher Fülldruck bei der entsprechenden Fliessrate und dem gewählten Kolbendurchmesser überhaupt überwunden werden kann. Auf Basis von Erfahrungswerten kann danach mit einer gewissen Sicherheit beurteilt werden, ob dies ausreicht. Ist das nicht der Fall, bewegt man sich bereits vor dem ersten Schuss am oder über dem Limit der Maschine.
Wird dieses Limit überschritten, erreicht der Kolben die vorgesehene Geschwindigkeit nicht. Die Füllzeit verlängert sich, was insbesondere bei MegaCasting-Bauteilen zu Qualitätsproblemen führen kann.
5. Fazit
Aus diesem Grund ist das PQ2-Diagramm für Strukturbauteile mindestens so wichtig wie die Schliesskraft, über die meist zuerst gesprochen wird. Es lohnt sich, genau hinzuschauen: Nicht jede GigaCasting-Maschine liefert dieselbe Schussleistung.
