- Vor- und Nachteile - Aktuelle Anwendungsbeispiele. Serienbeispiel V8 Diesel KGH Entwicklungsbeispiel R4 Diesel KGH

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1 , Seite 1 Titelfolie Sandguss - Vor- und Nachteile - Aktuelle Anwendungsbeispiele Serienbeispiel V8 Diesel KGH Entwicklungsbeispiel R4 Diesel KGH - Leichtbau / Festigkeitsentwicklung Rapid Prototyping , Seite 2 Bauteilkomplexität Gießverfahrensübersicht Einsatzmöglichkeiten Sandguss Hochkomplexe Bauteile mit hoher Funktionsintegration Geringe Stückzahlen Sondermotore und Versuchsteile Sandguss Kokillenguss Lost Foam * Spezielle Anwendungen für dünnwandige und großflächige Strukturteile Druckguss Stückzahl Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 1

2 , Seite 3 Sandguss Einsatzmöglichkeiten Vorteile: große Designfreiheit kurze Werkzeugfertigungszeit (schnelle Prototypenfertigung) hohe Änderungsflexibilität hohe Bauteilkomplexitäten möglich Geringe Werkzeugkosten Nachteile: nur für kleine bis mittlere Stückzahlen hohe Herstellkosten Entwicklungsteile 500 verschiedene/p.a. Kleinserien Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse,Ölwannen,Fahrwerksteile, Karosserieverbundteile Formel , Seite 4 Einsatzmöglichkeiten Sandguss Vor- und Nachteile Sandguss ist ein Verfahren mit verlorener Form Vorteile: - hohe konstruktive Freiheiten (fast alles gießbar) - geringe Werkzeugbeschaffungskosten - kurze Werkzeugbeschaffungszeiten - hohe Änderungsdynamik und Entwicklungsgeschwindigkeit Nachteile hohen Fertigungskosten - Neuerzeugung jeder Gußform - Hoher Nacharbeitsaufwand - Kosten für Speisermaterial Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 2

3 , Seite 5 Einsatzmöglichkeiten Sandguss Beispiel BMW 745d , Seite 6 Einsatzmöglichkeiten Sandguss Beispiel BMW 745d - Formanlage Ölwanne Sauganlage Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 3

4 , Seite 7 Einsatzmöglichkeiten Sandguss Beispiel BMW M5 - Formanlage Drosselklappenstutzen 1-10 Ölwanne Thermostatgehäuse , Seite 8 Einsatzmöglichkeiten Sandguss Beispiel BMW 745d - Kernpaket Kurbelgehäuse Zylinderkopf 1-4/5-8 Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 4

5 , Seite 9 Kurbelgehäuse BMW 745d Ansicht Rohteil und Erstarrung , Seite 10 Kurbelgehäuse BMW 745d Explosionszeichnung Kernpaket (18/19 Kerne) Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 5

6 , Seite 11 Kurbelgehäuse BMW 745d Vergleich Sandguss - Kokillenguss Innenkerne Innenkerne V-Raumkerne Wassermantel l+r (Kurbelraum) Kettenkasten Ölrücklauf l+r - Innenkerne (Hohlraum) immer aus Sand - Aussenkerne Kokillenguss: Stahl Sandguss: Sand , Seite 12 Kurbelgehäuse BMW 745d Vormontage Deckkernverbund Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 6

7 , Seite 13 Kurbelgehäuse BMW 745d Kernpaketmontage , Seite 14 Kurbelgehäuse BMW 745d Kernpaketmontage 1 - Einteiliger Kurbelraumkern mit Innenverrippung - Kettenkastenkern + vorderer Stirnkern - Seitenkern mit Ölrücklaufkern Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 7

8 , Seite 15 Kurbelgehäuse BMW 745d Kernpaketmontage 2 Vormontage V-Raum V-Raumkernverbund: - Hohe Funktionsintegration - Öl-, Wasser- und Blowbygasführung im Kurbelgehäuse - Ersatz von Rohren oder Schläuchen - Öl-Wasser-Wärmetauscher , Seite 16 Kurbelgehäuse BMW 745d Kernpaketmontage 3 Zusätzlich: - Stirnkern und Seitenkern - Pinolenkerne (2x) - Speiserkern zum Abdecken Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 8

9 , Mai Seite 17 Niederdruck Sandguss Ansicht Gießmaschine , Seite 18 Niederdruck Sandguss Ansicht Gießmaschine Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 9

10 , Seite 19 Kurbelgehäuse BMW 745d Ansicht Robotersägeprozess , Seite 20 R4 Kurbelgehäuse Ansicht Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 10

11 , Seite 21 R4 Kurbelgehäuse Ansicht Innenkerne Wassermantel Kettenkasten - Innenkerne (Hohlraum) immer aus Sand - Aussenkerne Kokillenguss: Stahl Sandguss: Sand , Seite 22 R4 Kurbelgehäuse Ansicht Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 11

12 , Seite 23 R4 Kurbelgehäuse Kernpaketmontage , Seite 24 R4 Kurbelgehäuse Ansicht Wassermantelkern Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 12

13 , Seite 25 R4 Kurbelgehäuse Teilungskonzept Wassermantelkern , Seite 26 R4 Kurbelgehäuse Kernkasten Wassermantelkern Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 13

14 , Mai Seite 27 R4 Kurbelgehäuse Füllsimulation , Mai Seite 28 R4 Kurbelgehäuse Erstarrungssimulation Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 14

15 , Seite 29 R4 Kurbelgehäuse Qualitätssicherung mit Computertomographie Analyse von: - Rohteilwandstärken - Wandstärken nach virtueller Bearbeitung - Gussqualität (Porositäten) - Kerngaseinschlüssen Stirnseite vorne Bauteilmitte Stirnseite hinten , Seite 30 Sandkernpaket Zylinderkopf Formel 1: Saison 2000 Einguss Deckkern Ölraumkern Räderkastenkern Kern Auslassseite oben Kern Einlassseite oben Einlasskanalkern Auslasskanalkern Kern Einlassseite unten Kern Auslassseite unten Ringkern Stahlgrundplatte Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 15

16 , Seite 31 Entwicklungspotentiale Leichtbau Festigkeitsentwicklung BMW 745d statisch 350 Streckgrenze Bruchfestigkeit DAS Bruchdehnung [MPa] bzw. [DAS] Dehnung [%] Niederdruckerstarrung Schwerkrafterstarrung Hauptlager- Schürzen- (Schürzenanguss) anguss anguss mit Kühleisen zus. Halbkokille , Seite 32 Entwicklungspotentiale Leichtbau Festigkeitsentwicklung BMW 745d dynamisch Bruchschwingungsspielzahl N B [-] Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 16

17 , Seite 33 Entwicklungspotentiale Leichtbau Festigkeitsentwicklung BMW 745d dynamisch Nennspannungsamplitude S a [MPa] 10 Ausgangsbasis Serienstand +40% Bruchschwingungsspielzahl N B [-] , Seite 34 Entwicklungspotentiale Leichtbau Festigkeitsentwicklung BMW 745d Bauteiltemperatur bei Füllende Ausgangssituation und Serienlösung Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 17

18 , Seite 35 Entwicklungsstand KGH 745d Füllsimulation Hauptlageranguss , Seite 36 Entwicklungsstand KGH 745d Erstarrungssimulation Hauptlageranguss Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 18

19 , Seite 37 Entwicklungsstand KGH 745d Hauptlageranguss Pinolenkühlung Variante: Ziel: Hauptlageranguss; ND- Befüllung sowie ND- Erstarrung Übernahme bestehender Angussserienkonzepte Umsetzung: bis BG Ergebnis: DAS = 65µm Bewertung: Festigkeit zu gering, DAS zu hoch Maßnahme: Schürzenanguss Stahlpinole Sand (KW Bohrung vorgeformt) , Seite 38 Entwicklungsstand KGH 745d Schürzenanguss ND-Erstarrung Variante: Ziel: Schürzenanguss ND-Erstarrung m. luftgekühlten Stahlpinolen) Kühlrohr mit Wasser Ölrückläufe bis HL vollgegossen Festigkeitssteigerung im Lagerstuhl Umsetzung: Versuch Bgr. 2.1 und virtuell Ergebnis: Lunker im Zugankerbereich Bewertung: Nachspeisung nicht möglich Wasserkühlrohr wegen Unfallgefahr kritisch Maßnahme: größerer Erstarrungsgradient längere Nachspeisung Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 19

20 , Seite 39 Entwicklungsstand KGH 745d Schürzenanguss ND-Erstarrung Variante: Ziel: Schürzenanguss ND-Erstarrung m. wassergekühlten Stahlpinolen Kühlrohr mit Luft Ölrückläufe bis HL vollgegossen Funktionierendes Speisungssystem (Zuganker, Lagerstuhl oben) Umsetzung: Versuch Bgr. 2.1 und virtuell Ergebnis: DAS = µm, Lunker im Zugankerbereich Bewertung: Kein Kühleffekt Lagerstuhl bei offen gehaltenem Speiserweg Kühlrohr Maßnahme: Schwerkrafterstarrung Festigkeitspotential LS bei geringeren Festigkeiten oben , Seite 40 Entwicklungsstand KGH 745d Schürzenanguss mit Schwerkrafterstarrung Sandpinolen Variante: Ziel: Schürzenanguss Schwerkraftstarrung m. Sandpinolen Kühlrohr mit Luft Ölrückläufe vorgegossen Festigkeitssteigerung Funktionierendes Speisungssystem Umsetzung: Versuch Bgr und virtuell Ergebnis: DAS = 55µm lockeres Gefüge im mittleren Bereich / V-Raum Bewertung: zu geringe Nachspeisung aus Speisern auf Topdeck Maßnahme: Vergrößerung Nachspeisungsweg von oben Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 20

21 , Seite 41 Entwicklungsstand KGH 745d Mittenspeisung Variante: Ziel: Umsetzung: virtuell Ergebnis: Schürzenanguss Schwerkraftstarrung m. Speisung aus Mitte Kühlrohr mit Luft Optimierung Top deck bzgl. Porosität Einbussen DAS im HL, Poren am UT, ungerichtete Erstarrung Bewertung: hohes Kreislaufmaterial, hohes Zerspanvolumen, geringe Porosität im Topdeck-Bereich Maßnahme: gerichtete Erstarrung von unten nach oben , Seite 42 Entwicklungsstand KGH 745d Schürzenanguss mit Schwerkrafterstarrung Variante: Ziel: Schürzenanguss Schwerkraftstarrung m. abgeflachten Sandpinolen Kühlrohr mit Luft, Kalminspeiser über Topdeck Optimierung Topdeck bzgl. Poren Umsetzung: BG (komplett) Ergebnis: DAS = 55µm (bis 60) Poren im Topdeckbereich Bewertung: zu geringer Temperaturgradient, mangelnde Prozesssicherheit Kühlrohr Maßnahme: Vergrößerung Temperaturgradient durch Kühlen DAS = 55 um Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 21

22 , Seite 43 Entwicklungsstand KGH 745d Kühleisen statt Kühlrohr Speiser mit Kalminisolierung Variante: Ziel: Schürzenanguss Schwerkraftstarrung m. Abgeflachten Sandpinolen Entfall Kühlrohr Einsatz HL-Wangenkühleisen Festigkeitssteigerung, Prozessstabilität, höherer Erstarrungsgradient, bessere Maßhaltigkeit Umsetzung: BG 3.1 ab Teil Nr.: 160 Ergebnis: DAS = 42µm Poren im Topdeckbereich Bewertung: Festigkeitssteigerung, geringer Einfluss auf Topdeck Poren, gute Maßhaltigkeit Maßnahme: Vergrößerung Temperaturgradient durch Füllen Kühleisen , Seite 44 Blindleiste Entwicklungsstand KGH 745d Schürzenanguss mit Schwerkrafterstarrung Angussystem Variante: Ziel: Schürzenanguss Schwerkraftstarrung m. Abgeflachten Sandpinolen HL-Wangenkühleisen einseitiger Anschnitt Absicherung einseitiger Anschnitt bei Kokille, Festigkeitssteigerung, höherer Erstarrungsgradient durch Füllung Umsetzung: Versuch BG 3.1 und Virtuell Ergebnis: DAS = 42µm Poren im Topdeckbereich Bewertung: geringer Einfluss auf Topdeck Poren, Kein Nachteil im Bereich HL u. Ölwanne Maßnahme: Vergrößerung Temperaturgradient durch Halbkokille Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 22

23 , Seite 45 Entwicklungsstand KGH 745d Halbkokille und Kühleisen Variante: Ziel: Schürzenanguss Schwerkraftstarrung m. Abgeflachten Sandpinolen Halbkokille u. HL-Kühleisen Festigkeitssteigerung, höherer Erstarrungsgradient Umsetzung: BG 3.2 komplett Ergebnis: DAS = ca. 30µm (Stichprobe) Poren im Topdeckbereich Bewertung: Festigkeitssteigerung (offen) geringer Einfluss auf Topdeck Poren, Linerporosität verbessert Maßnahme: , Seite 46 Entwicklungsstand KGH 745d Temperaturentwicklung Wasserkühlung Temperaturverlauf Kokille M Temperatur in C TE 0 TE 1 TE 2 TE 3 TE 4 TE 5 TE 6 TE 7 TE Zeit in sec Abguß Abheben Abguß 1 Abheben Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 23

24 , Seite 47 Entwicklungsstand KGH 745d Füllsimulation Serienstand , Seite 48 Entwicklungsstand KGH 745d Erstarrungssimulation Serienstand Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 24

25 , Seite 49 Formverfahren Übersicht Dauerformverfahren - Kokillengießverfahren + Schwerkraftkokillengießverfahren + Niederdruckkokillengießverfahren - Druckgießverfahren - Schleudergießverfahren Verfahren mit verlorener Form (RP Variante) - Gipsgießverfahren (Wachs, Polystyrol) - Sandgießverfahren + Kernpaketverfahren + Lost Foam Verfahren , Seite 50 Formverfahren Übersicht Rapid Prototyping Rapid Prototyping - Ansichtmodelle aus Kunststoff - Funktionsmodelle aus Metall -> Drucken oder Sintern von Kernen oder Teilen für Gießverfahren mit verlorener Form - Gipsgießverfahren (Wachs, Polystyrol) - Sandgießverfahren + Kernpaketverfahren Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 25

26 , Seite 51 Rapid Prototyping Beispiel Kunststoffmodelle , Seite 52 Rapid Prototyping Beispiel Kunststoffmodelle Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 26

27 , Seite 53 Rapid Prototyping Übersicht Rohteil- u. Werkzeugbeschaffung Verkürzung um Standard-Prozess-Kette z.t. mehrere Wochen Idee CAD-Daten Datenaufbereitung Modellbau Werkzeugbau fertiges Bauteil STL-file CLI-file Parallelansatz Drucken Drucker fertiges Bauteil , Seite 54 Rapid Prototyping Übersicht Terminschiene CAD-Teile- Zeichnung CAD-Formenentwurf Fräsbahnberechnung Werkzeugbau Preprozessing Bauprozess Form Abguss Gussvorbereitung Abguss 5 Tage 17 Tage Zeit [Arbeitstage] Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 27

28 , Seite 55 Rapid Prototyping Übersicht Kosten Produktionskosten Einsparung 1 Grenzstückzahl Produzierte Stückzahl , Seite 56 Rapid Prototyping Prinzipbeschreibung Drucken (Sandkerne) 1 Sandauftrag mit Kunstharz vermischter Quarzsand 2 Härtereintrag mittels Hochleistungsdruckkopf 3 Absenken um eine Schichtstärke 4 Wiederholung der Schritte Entfernen von ungebundenem Sand 6 Abguss Quelle: Voxeljet Technology GmbH Generis GmbH, Augsburg Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 28

29 , Seite 57 Rapid Prototyping Ansicht Druckerebene Quelle: Voxeljet Technology GmbH Generis GmbH, Augsburg , Seite 58 Rapid Prototyping Ansicht Einzellayer Gedruckte Schicht eines Wassermantelkerns für einen Pkw-Zylinderkopf Auflösung: 150 dpi (0,2 mm) Quelle: Voxeljet Technology GmbH Generis GmbH, Augsburg Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 29

30 , Seite 59 Rapid Prototyping Ansicht Sanddruckbox Quelle: Voxeljet Technology GmbH Generis GmbH, Augsburg , Seite 60 Rapid Prototyping Gedrucktes Kernpaket + Gussteil Kernpaket einer Druckluftpistole und Abguss Fertigungszeit (Kernpaket) ca. 6 h Quelle: Voxeljet Technology GmbH Generis GmbH, Augsburg Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 30

31 , Seite 61 Rapid Prototyping Beispiel: nicht entformbarer Kern Quelle: Voxeljet Technology GmbH Generis GmbH, Augsburg , Seite 62 Rapid Prototyping Beispiel: Kernpaket gedruckt Quelle: Voxeljet Technology GmbH Generis GmbH, Augsburg Quelle: Voxeljet Technology GmbH Generis GmbH, Augsburg Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 31

32 , Seite 63 Rapid Prototyping Beispiel: Feinguss Feinguss mit Kunststoffpositiv - Serienlösung - RP Lösung (Positiv drucken) -> Gussformkonstruktion entfällt 1) Kunststoffteil drucken 2) Gipsform erstellen 3) Abgießen , Seite 64 Gießtechnik, Sandguss KGH, Dr. Weissenbek 32