Fachartikel

5.09.2017
erschienen in GIESSEREI Heft 9|2017

Dünnwandige Gehäuse für portable Elektronik

Bild 3: Hochglanzverchromte Schale aus der Zink-Druckgusslegierung ZL 5 mit einer Wanddicke von lediglich 0,2 mm. (FOTO: KLAUS VOLLRATH)

Zinklegierungen zeichnen sich durch niedrige Schmelzpunkte sowie hervorragendes Fließvermögen aus. Durch Warmkammerdruckgießen lassen sich außergewöhnlich komplexe und präzise Bauteile mit hervorragender Oberfläche erzeugen. Diese eignen sich für sehr anspruchsvolle Aufgabenstellungen wie z. B. Elektronikgehäuse oder Präzisionsmechaniken für elektronische, optische oder mechatronische Systeme. Aufgrund der guten Gießbarkeit des Werkstoffs werden schon heute sehr geringe Wanddicken bis zu deutlich weniger als 1 mm realisiert. Darunter verließ viele Konstrukteure jedoch der Mut, weil befürchtet wurde, den Prozess bei nochmals deutlich geringeren Wanddicken nicht mehr mit ausreichender Sicherheit beherrschen zu können.

VON KLAUS VOLLRATH, AARWANGEN, SCHWEIZ

„Wir haben das Gehäuse eines heutigen Smartphones einmal genauer unter die Lupe genommen“, sagt Martin Schlotterbeck, Leiter Schulung und Prozessberatung bei der Firma Oskar Frech GmbH + Co. KG in Schorndorf. Dabei zeigte sich, dass z. B. die aufwendig gestaltete Smart- phone-Unterschale mit Abmessungen von ca. 60 x 120 x 5 mm aus einem massiven Stuck Aluminium hergestellt wird. Die gesamte Innenstruktur entstand durch Zerspanung aus dem Vollen, die Restwanddicke liegt bei nur noch ca. 0,65 – 0,69 mm (Bild 1). Der innere Aufbau ist recht anspruchsvoll mit zahlreichen kleineren und groseren Vorsprungen, Gewindesacklochern, Auflageflachen, Durchbruchen, Konsolen sowie Hinterschneidungen an den Seitenwanden. Das Zerspanungsvolumen liegt bei rund 85 %, bei hohen Anspruchen an die Genauigkeit. Bei den bearbeiteten Sichtflachen ist eine hohe Oberflachenqualitat gefordert. Fur die Fertigung mussen zahlreiche unterschiedliche Fras- und Bohrwerkzeuge zum Einsatz gebracht werden, was haufige Werkzeugwechsel und entsprechend lange Bearbeitungszeiten erfordert. Im Vergleich mit den Moglichkeiten eines Prazisions-Urformverfahrens wie dem Druckgiesen verursacht eine solche Produktionsmethode naturgemas exorbitant hohe Kosten. Derartig hohe Zerspanungsanteile findet man deshalb meist nur bei Produkten, die besonders hochpreisig sind und in vergleichsweise geringen Stuckzahlen benotigt werden, z. B. im Rennsport oder in der Luft- und Raumfahrttechnik.

Vergleichskriterien: Kosten, Optik ...

„Verglichen mit diesem aufwendigen Fräsen aus dem Vollen ist das Warmkammerdruckgießen von Zink ein außergewöhnlich kostengünstiges Verfahren“, ergänzt Martin Schlotterbeck. Zu den höchsten Kostenfaktoren zählen beim Druckgießen die metallischen Dauerformen aus vergütetem Warmarbeitsstahl, deren Herstellkosten sich erst bei ausreichend großen Serien rechnen. Dies ist jedoch bei Massenprodukten wie Smartphones oder anderen IT-Gehäusen von vornherein gewährleistet. Aufgrund der niedrigen Schmelztemperaturen der gängigen Zinklegierungen (ZL5 ca. 420 – 430 °C) werden die Formen kaum beansprucht und erreichen oft Standzeiten in der Größenordnung von mehreren Millionen Gießvorgängen. Die hervorragende Fließfähig- keit von Zink ermöglicht dabei eine ausgezeichnete Detailtreue bei der Abbildung selbst sehr filigraner Strukturen, und die gewünschten Maße lassen sich mit sehr engen Toleranzen einhalten. Bei Zinkdruckgussteilen ist der erforderliche Nachbearbeitungsaufwand daher sehr gering und beschränkt sich oft auf das Entfernen von Graten und das Einbringen von Gewindebohrungen. Zudem hat Zink noch weitere wichtige Pluspunkte zu bieten: Es ist hochfrequenzdicht, d. h. es schirmt hervorragend gegen Funkstörungen ab, und es lässt sich mit den meisten gängigen Verfahren lackieren, strukturieren oder galvanisch beschichten, sodass dem Designer zahlreiche Stilmittel für ein dekorativ veredeltes, hochwertig anmutendes Produkt zur Verfügung stehen. Per saldo bietet sich Zinkdruckguss somit im Vergleich zur Zerspanung von Aluminium aus dem Vollen als wesentlich kostengünstigere Alternative an.

… und Gewicht

„Allerdings muss Zink, wenn es sich am Markt durchsetzen will, auch ein Handicap überwinden“, verrät M. Schlotterbeck. Hierbei geht es um den Gewichtsaspekt. Während Aluminium mit seiner Dichte von lediglich 2,7 kg/dm3 zu den Leichtmetallen zählt, bringen Bauteile aus Zink bei gleichem Volumen etwa das 2,6-Fache auf die Waage. Gerade bei „mobilen“ Anwendungen ist jedoch ein geringes Gerätegewicht ein entscheidender Aspekt. Um den Gewichtsnachteil auszugleichen, muss der Zinkdruckgießer seine Bauteile daher wesentlich dünnwandiger auslegen. Im konkreten Fall des Smartphone-Gehäuses entspräche dies einer Wanddickenvorgabe von nur noch rund 0,25-0,27 mm. Bei Einsatz marktüblicher Zinklegierungen und Gießtechnologien galten bisher jedoch etwa 0,6 mm als Grenzwert. Darunterliegende Wanddicken bis zu ca. 0,4 mm konnten meist nur mit hohem Aufwand sowie nicht genormten „High Fluidity“ (HF)-Legierungen dargestellt werden, sodass dies zumeist auf Nischenanwendungen beschränkt blieb. Doch war dies wirklich das erreichbare Minimum? Angesichts der großen Marktvolumina, um die es bei modernen IT-Anwendungen geht, beschloss man bei Frech, der Frage, welche minimalen Wanddicken unter welchen Voraussetzungen tatsächlich darstellbar sind, gründlich nachzugehen.

Was geht mit gießereiüblicher Ausrüstung?

„Dabei ging es uns nicht um akademische Rekorde, sondern um die Praxis, d. h. um die Frage, was Gießereien mit üblicher Ausstattung erreichen können“, sagt Martin Schlotterbeck. Wunsch-Zielmarke war eine Wanddicke von 0,15 mm. Das Hauptaugenmerk galt jedoch der Frage, wie weit man sich dem mit den üblichen Möglichkeiten einer normalen Druckgießerei annähern konnte. Für die Gießversuche kam deshalb eine Standard-Hightech- Warmkammermaschine vom Typ W80 Zn-RC im Frech-Technikum zum Einsatz (Bild 2). Diese verfügte über die standardmäßige Vollausstattung, jedoch ohne spezielles Sonderzubehör. Versuchslegierung war handelsübliches ZL 5, zu Vergleichszwecken kam auch HF-Alloy zum Einsatz. Auf eine Vakuumunterstützung wurde verzichtet, stattdessen wählte man ein passives Entlüftungssystem mit doppeltem „Waschbrett“, das in Stahl und nicht in Kupferberyllium (CuBe) ausgeführt wurde. Für die Versuche mit Wanddicken von 0,28 mm, 0,2 mm und 0,15 mm verwendete man eine 15 Jahre alte modulare Schulungsform. Mit dieser konnte man mittels entsprechender Einsätze unterschiedliche Wanddicken darstellen und zudem die Auswirkungen verschiedener Gießkanal- und Anschnittsysteme, Querschnitte sowie Entlüftungen testen. Die Temperierkanäle der Form waren nach den üblichen Berechnungsregeln ausgelegt. Um für bestimmte Versuche höhere Formtemperaturen erreichen zu können, kam ein Heiz-Kühlsystem für Magnesium zum Einsatz, das Medientemperaturen von bis zu 300 °C erreichen konnte. Für die unterschiedlichen Wanddicken wurde mit verschiedenen Formeinsätzen gearbeitet bzw. wurden diese „nachgesetzt“. Mit der vorhandenen Form stieß man schon bei 0,2 mm an Grenzen aufgrund von Lagetoleranzen: Bei der Untersuchung eines entsprechenden Gussteils wurden Wanddickenwerte zwischen 0,13 und 0,22 mm gemessen. Diese Wanddickenunterschiede wurden durch Nacharbeit angepasst.

Ergebnisse

„Insgesamt wurden mit dieser Ausrüstung 25 Versuchsreihen durchgeführt“, weiß Martin Schlotterbeck. Hierbei wurden wesentliche Prozessparameter wie Druck, Kolbengeschwindigkeit, Startpunkte, Vorfüllen, Abbremsen, Formtemperaturen, Sprühtechniken, Trennmittel, Gießlauf-, Anguss- und Entlüftungssysteme variiert. Gussteile, die äußerlich vollständig und defektfrei erschienen, wurden umfassend untersucht. Hauptkriterien waren dabei neben dem Ablauf des Gießvorgangs die Formstabilität des Gussteils, die Dichtheit bzw. der Porenanteil sowie die Oberflächenqualität sowohl im Rohzustand als auch nach galvanischer Beschichtung. Mit der verwendeten Ausrüstung ist es möglich, großflächige Zinkbauteile aus ZL5 bis zu einer Wanddicke von 0,2 mm mit ausreichender Prozesssicherheit zu erzeugen. Eine Sondermaschine ist nicht erforderlich, allerdings sind in bestimmten Bereichen wie z. B. dem Formsprühen spezielle Ausstattungen anzuraten. Besonderes Augenmerk sollte auf die Qualifikation des Bedienpersonals gelegt werden. Dieses sollte über gute Prozesskenntnisse verfügen und imstande sein, die wesentlichen Parameter präzise auszubalancieren und in engen Grenzen zu halten. Die Verwendung von HF-Alloy bringt nur bei Wanddicken von 0,15 mm Vorteile, wobei jedoch schlechtere mechanische mechanische Eigenschaften, Oberflächenprobleme und Knackeffekte in Kauf genommen werden müssen.

Ein hochinteressanter Markt

„Als Fazit bleibt festzuhalten, dass es möglich ist, mit Zinkdruckguss viel dünnwandigere Teile als bisher zu produzieren und somit hochinteressante neue Marktsegmente mit hohen Stückzahlen anzugehen“, bilanziert Martin Schlotterbeck (Bilder 3-6). Dazu gehört nahezu die gesamte Bandbreite mobil einsetzbarer Elektroniksysteme wie Smartphones, Tablets, Kameras oder Steckverbinder, aber auch wissenschaftliche Ausrüstungen und Messinstrumente. Dank der umfassenden Untersuchungen verfüge man über das hierfür erforderliche Know-how. Oskar Frech stellt Kunden dieses Wissen im Rahmen von Beratungs- und Schulungsleistungen zur Verfügung.

www.frech.com